【文章內(nèi)容簡介】 亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當作操作碼，程序?qū)⒊鲥e 。若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技 術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。 下面介紹一種看門狗電路的設計方法。 看門狗技術(shù)是一種常用的抗干擾措施 ,和其它抗干擾技術(shù)相比它采用的是一種亡羊補牢的辦法 ,即只在其它抗干擾方法失效后采用的一種補救方法。看門狗的基本功能是這樣的 :在計算機運行時 ,獨立于 CPU 之外的看門狗通過檢測計算機的狀態(tài)信號 ,監(jiān)視微機的運行 ,一旦發(fā)現(xiàn) CPU 的運行不正常 (出現(xiàn)程序跑飛、死循環(huán)等情況 ),它就會發(fā)出復位信號 ,強制計算機重新 啟動。該直流調(diào)速控制系統(tǒng)所設計的看門狗電路如圖 21所示。由計數(shù)器 4060 和一個 NPN 晶體管組成。計數(shù)器 4046 的技術(shù)周期 T 為 T=*R5*C2= ，如果不對計時器計數(shù)進行干預，則 4060 的第 13 位有輸出，需要時間為 左右。單片機正常工作時，只要在 內(nèi)從 口送出一個負脈沖，便可復位看門狗，使看門狗電路對系統(tǒng)不起作用。在兩個負脈沖間隔內(nèi)， 應保持維高電平，這時 4046 的腳 12 由R3 拉低，計數(shù)器正常計數(shù)。 如果程序跑飛，則最大可能是從 口不能按時發(fā)出復位計數(shù)器的脈 沖，4060 便一直計數(shù)直到 Q13 有計數(shù)值輸出，其高電平脈沖輸出 2 和上電復位 1 通過或門電路去復位 AT89C51 單片機。電路中晶體管 T1起到反向的作用，用來隔離單片機復位時從 口產(chǎn)生的正脈沖，以便使看門狗對系統(tǒng)復位時，單片機得到充分的復位脈沖。用計數(shù)器實現(xiàn)看門狗電路的好處在于控制時限定是明確，有利于軟件的編程。本系統(tǒng)的看門狗程序用定時中斷方法實現(xiàn)，定時間隔為 即在 。 北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程測控系統(tǒng)的設計 9 圖 21 看門狗電路 直流電機硬件電路設計 直流電機驅(qū)動 在電機控制系統(tǒng)中，速度調(diào) 節(jié)主要通過改變電樞電壓的大小來實現(xiàn)。它采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉(zhuǎn)速。 常見的 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的主電路 (功率放大器 )結(jié)構(gòu)有： H 型和 T 型。下面以H 型結(jié)構(gòu)為例說明 PWM 單極式驅(qū)動的電路工作原理， 如圖 22 示。 圖 22 直流電機 H 型驅(qū)動電路 圖 22中，“ PWM”標號端是可調(diào)脈沖寬度的脈沖序列，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度，北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程測控系統(tǒng)的設計 10 改變電機兩端電壓的占空比，使電機兩端的電壓的平均值和流過電機電流的有效值隨脈 沖寬度的變化而變化。導通的脈沖寬度與平均電壓和有效電流成正比。脈沖調(diào)制的調(diào)制周期為 10ms。 圖 22中，電阻 R3 和 R4為拉電阻，起上拉電流的作用，由于“ PWM”端輸入的電壓和電流難以驅(qū)動兩個功率三極管，所以必須采用 R R4 上拉電阻。“ N1”、“ N2”端口是直流電動機用旋轉(zhuǎn)編碼器測出來的兩個脈沖序列，它們的相位有一定的相位差如圖 23 所示。把“ N1”、“ N2”端口輸出的兩個脈沖序列經(jīng)過與門可以得到一個脈沖序列 N，然后接到單片機的 INT0 中斷口，再經(jīng)過軟件處理就能測出電機的轉(zhuǎn)速。 當編碼脈沖序列 N 的下降沿 到達 INT0 中斷口，單片機發(fā)生中斷，進入中斷程序，先停止定時器 T0 計數(shù)，讀出 TH0 和 TL0 的計數(shù)值，然后重新給 TH0、 TL0 賦值為 0，并啟動定時器 T0，最后退出中斷，等待下一次中斷。 圖 23 編碼脈沖 本文單片機的晶振頻率 fosc = ，采用定時器 T0 對旋轉(zhuǎn)編碼脈沖序列 N的兩個相鄰脈沖計數(shù)。設計時周期為 Tosc，定時器 T0 的計數(shù)個數(shù)為 m，由于旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù) Z為 5，則可以得到電機轉(zhuǎn)速與計數(shù)個數(shù) m 的關(guān)系。 12oscosc fT ? (21) oscT mT? (22) 15os mT? (23) 由式 (21)、 (22)、 (23)可得電機轉(zhuǎn)速 n 5*12oscfn m? (24) 即： 1843200n m? (25) “ ” 、 “ ” 、 “ ” 、 “ ” 標號端分別連接單片機 (98C51)北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程測控系統(tǒng)的設計 11 的 、 、 、 輸出口，“ GATE0”是 與 的異或門輸出。 為電機正轉(zhuǎn)控制口， 為電機反轉(zhuǎn)控制口， 為電 機正轉(zhuǎn)到停止時的控制口， 為電機反轉(zhuǎn)到停止時的控制口。 下面來介紹一下電機的工作原理 電機正轉(zhuǎn)時， 為 ” 1” ,也就是高電平， 、 、 為“ 0”，也就是為低電平。則 GATE0 就為高電平，此時， Q Q的三極管的門極端都為高電平， Q3 三極管導通，當 PWM 為高電平時， Q2三極管也導通，電流由電源正極經(jīng) Q3 三極管，然后經(jīng)電機，再經(jīng) Q2 三極管，最后到達電源負極，形成回路。 電機從正轉(zhuǎn)到停止時， 為高電平， 、 、 為低電平。 GATE0就為低電平，時 8253 定時 器 /計數(shù)器的 T/C1 停止計時， OUT1 就輸出高電平使 PWM一直為高電平。此時， Q4 三極管的門極端為高電平，在電機反電動勢的驅(qū)動下Q4 三極管導通，電流由電機的正極，經(jīng) Q4 三極管，再經(jīng) D2 續(xù)流管，最后到達電機負極，形成回路，起到制動作用。 電機反轉(zhuǎn)時， 為高電平， 、 、 為低電平。則 GATE0 就為高電平，此時， Q Q的三極管的門極端都為高電平， Q1 三極管導通，當 PWM為高電平時， Q4 三極管也導通，電流由電源正極經(jīng) Q1 三極管，然后經(jīng)電機，再經(jīng) Q4 三極管，最后到達電源負極，形成回路。 電機從反轉(zhuǎn)到停止時， 為高電平， 、 、 為低電平。 GATE0就為低電平，時 8253 定時器 /計數(shù)器的 T/C1 停止計時， OUT1 就輸出高電平使 PWM一直為高電平。此時， Q2 三極管的門極端為高電平，在電機反電動勢的驅(qū)動下Q2 三極管導通，電流由電機的負極，經(jīng) Q2 三極管，再經(jīng) D4 續(xù)流管，最后到達電機正極極，形成回路，起到制動作用。 脈寬的調(diào)制變換器 脈 寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成周期一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均電壓的 大小，一調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。這里需要兩個定時器，一個用于脈沖固定周期定時，一個用于脈沖寬度調(diào)節(jié)定時。雖然 89C51 單片機有兩定時器 /計數(shù)器，但一個要用來做波特率發(fā)生器，一個用來做電機測轉(zhuǎn)速時的計數(shù)。所以需要擴展定時器。本文采用8253 定時器 /計數(shù)器，它有 3個獨立的 16位 定時 /計數(shù)器。 1 8253 定時器 /計數(shù)器 [2] 8253 芯片加電后，其工作方式是不確定的，為了正常工作，要對芯片進行初始化。初始化的工作有兩點： ，以選擇計數(shù)器北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程測控系統(tǒng)的設計 12 (三個之一 )，確定其工作方式 (六種方式之一 )，指定計數(shù)器計數(shù)初值的長度和裝入順序以及計數(shù)值的碼制 (BCD 碼或二進制碼 )。 字的要求寫入計數(shù)初值。 工作方式命令字的格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SC1 SC0 RL1 RL0 M2 M1 M0 BCD D7D6(SC1CC0):用于選擇計數(shù)器 : a) D5D4(RL1RL0)：用來控制計數(shù)器 /寫的字節(jié)數(shù)及讀寫高低字節(jié)的順序； b) D3— D1(M2— M0):用來選擇計數(shù)器的工作方式； c) D0(BCD)：用來指定計數(shù)器的碼制，是按二進制數(shù)還是按 BCD 碼計數(shù)。 (1) 方式 1的工作特點： a) 可重復觸發(fā)。計數(shù)到零后，不用再次送計數(shù)值，只要給它觸發(fā)脈沖，即可產(chǎn)生一個同樣寬度的單穩(wěn)脈沖。 b) 計數(shù)過程中，若裝入新的計數(shù)初值，則當前輸出不受影響。只有再次觸發(fā)后，計數(shù)才開始按新值 輸出脈沖寬度。 c) 計數(shù)過程中，外部的 GATE 觸發(fā)沿提前到來，則下一個 CLK 脈沖下降沿，計數(shù)器開始重新計數(shù)，這將使輸出單穩(wěn)脈沖比原先設定的計數(shù)值加寬了。 圖 24 8253 的方式 1 時序波形 圖 25 8253 的方式 2 時序波形 (2)方式 2的工作特點： a) 計數(shù)器寫入控制字和計數(shù)初值后，如 GATE 一直處于高電平，那么，在下一個脈沖開始計數(shù)器計數(shù)。 不用重復置數(shù)。計數(shù)器能夠連續(xù)工作，輸出 OUT 是輸入 CLK 的 n(初值 )分頻。 北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程測控系統(tǒng)的設計 13 b) 計數(shù)過程可由 GATE 信號控制。 GATE 變低將使計數(shù)暫停且 OUT 立 即為高；在 GATE 變高后的下一個 CLK 下降沿計數(shù)器重新從初值開始計數(shù)。 c) 計數(shù)過程中可改變初值。如果 GATE 一直處于高電平，則重裝計數(shù)初值不影響現(xiàn)行計數(shù)過程；下一個過程，才按新值計數(shù)。 2 脈寬調(diào)制電路 脈寬調(diào)制電路是采用 8253 定時器 /計數(shù)器中的兩個定時器 /計數(shù) (T/C0 和T/C1)。其中 T/C0 采用方式 2— 脈沖發(fā)生器，用于定時調(diào)制周期， T/C1 采用方式1— 程序可控單穩(wěn)，用于定時可調(diào)的脈寬。如圖 26 所示， CLK 是 10kHZ 的方波，由于調(diào)制周期 T 為 10ms，所以計數(shù)器 T/C0 的初值應賦值 100。通過 改變計數(shù)器T/C1 的計數(shù)值可以改變調(diào)制脈沖的寬度，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。如果計數(shù)器 T/C1的計數(shù)值為 n是時，設對應定時器時間為 Ton，當計數(shù)值 n 越大， Ton 也越大，計數(shù)值 n 越小， Ton 也越小。由于計數(shù)器 T/C1 采用方式 1，在計數(shù)期間 OUT1 輸出地電平，計數(shù)完后才輸出高電平，所以在一個脈沖周期 T 內(nèi) 0 到 Ton 時間內(nèi)OUT1 輸出低電平， Ton 到 T 時間內(nèi)輸出高電平。這里值得注意的是：計數(shù)器 T/C1的計數(shù)值 n不應大于 100，也就是說定時時間 Ton 不可以大于脈沖周期 T，否則會使 OUT1 一直輸出低電平，從而使電機失去控制。 圖 26 脈寬調(diào)制電路 下面介紹一下工作原理： 不管電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)， 和 的異或門輸出 GATE0 都是高電平，此時，計數(shù)器 T/C0 開始對 10kHZ 的方波計數(shù)，當計數(shù)器 T/C0 從 100 減到 1 之前，OUT0 一直為高電平，當減到 1后， OUT0 出現(xiàn)一個周期的低電平，然后回到高電平，計數(shù)器 T/C0 又從 100 開始減，周而復始的循環(huán)。當 OUT0 從低電平到高電平北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程測控系統(tǒng)的設計 14 的上升沿時，計數(shù)器 T/C1 就開始計數(shù)。在計數(shù)期間 OUT1 輸出為低電平，從計數(shù)完到下一個上升沿到來之前， OUT1 輸出為高電平。如圖 27所示，計數(shù) 器 T/C0計數(shù)初值 10，計數(shù)器 T/C1 調(diào)制值為 2。 圖 27 脈寬調(diào)制電路時序波形 單片機軟件設計 上一節(jié)我們介紹了直流電機驅(qū)動的硬件圖 (PWM變換器 )和 PWM脈寬調(diào)制電路及其工作原理。這一節(jié)將介紹單片機程序流程圖及匯編程序代碼，也稱軟件。硬件和軟件是本系統(tǒng)的最重要組成部分。只有硬件沒有軟件就如同是 一個人 只有身體沒有 思想 ，什么事都干不了。 如果 只有軟件沒有硬件 ，再好 的 創(chuàng)意 也沒法實現(xiàn)，所以 硬件與軟件 之間不可分割的一個整體。 這節(jié)我們介紹單片機的程序主要包括：主程序、串口中斷程序、外部 INT0 中斷程 序、定時器 T0 中斷程序。 主程序 主程序主要功能： (1) 程序初始化； (2) 接收上位機 (PC)發(fā)到單片機的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理翻譯成控制命令； (3)實現(xiàn)隨時對直流電動機上的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的兩個相鄰脈沖之間的時間進行定時，并調(diào)用一個子程序，算出轉(zhuǎn)速大，然后根據(jù)要求發(fā)送到上位機； (4)根據(jù)控制命令對直流電動機進行相應的控制操作。 1 主程序流程圖 主程序流程圖，如圖 28所示： 北方民族大學學 士學位論文 直流電機遠程