【導(dǎo)讀】入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。ARM在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也受到越來(lái)越多的關(guān)注。本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于A(yíng)RM的嵌入式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)。電路，運(yùn)用性能價(jià)格比較好的集成電機(jī)控制芯片L298作為直流電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)器件；用4×4矩陣鍵盤(pán)對(duì)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向進(jìn)行設(shè)置和控制。系統(tǒng)軟件主要使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，遵循模。鍵盤(pán)輸入等程序模塊，程序代碼具有良好的易維護(hù)性和可移植性。仿真工具對(duì)系統(tǒng)仿真，并在仿真平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試與分析。滿(mǎn)足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。而且能夠防止用戶(hù)的誤操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定。性，具有一定的實(shí)用性和較高的社會(huì)推廣價(jià)值。

　　

【正文】 而在 Thumb 指令集中，某些指令強(qiáng)制性的要求使用 R13作為堆棧指針。 由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器 R13，在用戶(hù)應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的 R13，使其指向該運(yùn)行模式的 棧 空間，這樣，當(dāng)程序的運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護(hù)的寄存器放入 R13 所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行。 2) 寄存器 R14 R14 也稱(chēng)作子程序連接寄存器 (Subroutine Link Register)或連接寄存器 LR。 當(dāng)執(zhí)行 BL子程序調(diào)用指令時(shí)， R14 中得到 R15(程序計(jì)數(shù)器 PC)的備份。其他情況下， R14 用作通用寄存器。與之類(lèi)似，當(dāng)發(fā)生中斷或異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的分組寄存器 R14_svc， R14_irq， R14_fiq，R14_abt 和 R14_und 用來(lái)保存 R15 的返回值。 15 3) 程序計(jì)數(shù)器 PC(Rl5) 寄存器 R15 用作程序計(jì)數(shù)器 (PC)。在 ARM 狀態(tài)下，位 [1:0]為 0，位 [31:2]用于保存PC。在 Thumb 狀態(tài)下，位 [0]為 0，位 [31:1]用于保存 PC； 雖然可以 用作通用寄存器，但是有一些指令在使用 R15 時(shí)有一些特殊限制，若不注意，執(zhí)行的結(jié)果將是不可預(yù)料的。在A(yíng)RM 狀態(tài)下， PC 的 0 和 1 位是 0，在 Thumb 狀態(tài)下， PC 的 0 位是 0。 寄存器 R16 用作 CPSR(Current Program Status Register，當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 )， CPSR可在任何運(yùn)行模式下被訪(fǎng)問(wèn)，它包括條件標(biāo)志位、中斷禁止位、當(dāng)前處理器模式標(biāo)志位，以及其他一些相關(guān)的控制和狀態(tài)位。 每一種運(yùn)行模式下又都有一個(gè)專(zhuān)用的物理狀態(tài)寄存器，稱(chēng)為 SPSR(Saved Program Status Register，備份的程序狀態(tài)寄存器 )，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)， SPSR 用于保存 CPSR 的當(dāng)前值，從異常退出時(shí)則可由 SPSR 來(lái)恢復(fù) CPSR。 由于用戶(hù)模式和系統(tǒng)模式不屬于異常模式，它們沒(méi)有 SPSR，當(dāng)在這兩種模式下訪(fǎng)問(wèn)SPSR， 結(jié)果是未知的。 ARM 微處理器的選型 1) 從速度上考慮 如果所做的產(chǎn)品人機(jī)接口比較多，不需要 CPU 工作太多時(shí)間，通常會(huì)選用 ARM7的 CPU，例如 PDA、 MP3 播放器、錄音筆等產(chǎn)品。但是如果需要 CPU 的工作量很大，就會(huì)考慮 ARM9 以上的 CPU，如矩陣式硬盤(pán)。 2) 從計(jì)算機(jī)上考慮 如視頻壓縮和解壓 縮的產(chǎn)品 PMP(Portable Media Player)，還有一些高端的手機(jī)也都有視頻壓縮和解壓縮功能。此類(lèi)產(chǎn)品會(huì)選用有浮點(diǎn)運(yùn)算及 DSP 功能的 ARM9E 以上的CPU。 3) 從操作系統(tǒng)上考慮 一類(lèi)是需要 CPU 提供 MMU的操作系統(tǒng)，如 WinCE 或 Linux 等，就需要 ARM9 以上的 CPU；另一類(lèi)是不需要 MMU 的操作系統(tǒng)，如 uClinux。 4) 從控制器接口考慮 除 ARM 微處理器核以外，幾乎所有的 ARM 芯片都根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能控制器，并整合在 SoC 之中，即控制接口。如 USB 控制器、 IIS 控制器、 LCD控制器、鍵盤(pán)控制器、 RTC、 ADC 和 DAC 等。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的需求，盡量采用 SoC內(nèi)的控制器來(lái)完成所需要的功能。這樣既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)又可以提高系統(tǒng)的可靠性。 綜上所述，本系統(tǒng)采用 PHILIPS 公司的 LPC2124。 LPC2124 包含一個(gè)支持仿真的 16 ARM7TDMIS CPU、與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器接口的 ARM7 局部總線(xiàn)、與中斷控制器接口的AMBA 高性能總線(xiàn) (AHB)和連接片內(nèi)外設(shè)功能的 VLSI 外設(shè)總線(xiàn) (VPB， ARMAMBA 總線(xiàn)的兼容超集 )。片內(nèi)有 16K 字節(jié)靜態(tài) RAM 和 256K 的 FLASH 存儲(chǔ)器。 PWM 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PWM 基本原理 PWM(Pulse Width Modulation)控制 —— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形 (含形狀和幅值 )。 1) 理論基礎(chǔ) 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量 是指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖 31 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 2) 面積等效原理 分別將如圖 31 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié) (RL 電路 )上，如圖 32 的 a)圖，其輸出電流 i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖 32 的圖 b)所示。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng) i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同 [8]。 圖 32 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 17 用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N 個(gè)相連的脈沖序列，寬度 相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積 (沖量 )相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 如圖 33所示。 圖 33 用 PWM 波代替正弦半波 PWM 調(diào)速控制系統(tǒng) 介紹 20 世紀(jì) 70 年代以前，以晶閘管為基礎(chǔ)組成的相控整流裝置是機(jī)電傳動(dòng)中主要使用的變速裝置，但是由于晶閘管是一種只能控制其導(dǎo)通不能控制其關(guān)斷的半控型器件，使得由其構(gòu)成的 VM(晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速 )系統(tǒng)的性能受到一定的限制。電力電子器件的發(fā)展，使得稱(chēng)為第二代電力電子器件的既能控制其導(dǎo)通又 能控制其關(guān)斷的全控型器件得到了廣泛的應(yīng)用，采用全控型電力電子器件 GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 )、 GTR(電力晶體管 )、PMOSFET(電力場(chǎng)效應(yīng)管 )、 IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管 )等組成的直流脈沖寬度調(diào)制型(PWM)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣，在直流電氣傳動(dòng)中呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。 1) PWM系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn) ① 主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少 。 ② 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小 。 ③ 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬 。 ④ 系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) 。 ⑤ 主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高 。 ⑥ 直流電源采用不控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。 2) 脈寬調(diào)速 原理 通常，在一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)功率器件將所需的電流和能量傳送到電機(jī)線(xiàn)圈繞組中來(lái)控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，而 PWM 信號(hào)即是用來(lái)控制功率器件的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí) 18 間的 [8]。 脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，其表達(dá)式為： M A XKTM A X KPdtPT ??01 (31) 式中 P為電機(jī)兩端的平均功率； MAXP 為電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的功率； K 為脈寬。 當(dāng) K=1 時(shí)，相當(dāng)于加入直流電壓，這時(shí)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)， MAXPP? ；當(dāng) K=0 時(shí)，相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓，電機(jī)靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開(kāi)動(dòng)后，有 fVP? (f 為摩擦力 ) 則 ： fVKfVMAX ? (32) 所以， MAXKVV? (33) 由上式可知 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 與脈寬成正比。 3) PWM變換器 調(diào)速方式 (1) 單極性 變換器 單極性 方式 變換器 是一 路輸入 低電平，另一 路輸入 PWM 信號(hào)，兩 路 切換和對(duì) PWM調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn) 是調(diào)速范圍 窄 ， 轉(zhuǎn)向不易控制 。 (2) 雙極性 變換器 雙極性 變換器 是兩 路 輸入 高低電平相反 的 PWM 信號(hào)， 通過(guò)其 高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜 ， 優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣、 低速平穩(wěn)性 好。 從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性出發(fā)，本設(shè)計(jì)將采用雙極性變換器。 PWM 控制 電路 經(jīng)典的模擬控制電路主要由 PWM 電路、延時(shí)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。 其基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理如圖 34。 PWM 發(fā)生電 路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓 (電流調(diào)節(jié)器輸出的 U1)進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的是一系列方波信號(hào)。如果改變 U1 的大小 ， 那么方波脈沖寬度將會(huì)改變 ， 從而達(dá)到脈寬調(diào)制的目的。 (a) 基本電路結(jié)構(gòu) 19 (b) 脈寬調(diào)制原理 圖 34 PWM 基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理 脈寬調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號(hào)的質(zhì)量。如果三角波的線(xiàn)性度不好，那么 PWM 的輸出將得不到對(duì)稱(chēng)的波形。這對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。 在本設(shè)計(jì)中 ，主要功能芯片為 LPC2124，由于該芯片自帶 PWM 模塊 ，所以控制部分省去了三角波產(chǎn)生電路、脈沖調(diào)制電路以及 PWM 信號(hào)延遲分配電路，取而代之的是LPC2124 芯片的 PWM 模塊 和附加外圍電路 組成的雙極性 PWM 發(fā)生器。采用這種芯片控制可以增加調(diào)速的靈活性和精確性，同時(shí)又可以在實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能之外實(shí)現(xiàn)其他的功能。 LPC2124 可提供 6 路 PWM 直接輸出，控制電機(jī)的調(diào)速范圍大，使用方便。 本設(shè)計(jì)使用 LPC2124的 PWM5功能， GPIO功能 ,外接由 74HC08和 7404 組成的組合電路，生成兩 路 PWM 信號(hào) ，如圖 35 所示 。 圖 35 PWM 控制電路 20 PWM 驅(qū)動(dòng)電路 1) 雙極性橋式電路 原理 雙極 性 驅(qū)動(dòng)電路目前常用的是 H 型，也就是橋式電路。 采用以 GTR 為開(kāi)關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu) ， 如圖 36 所示。圖中，四只 GTR 分為兩組， VT1和 VT 4為一組， VT 2和 VT3為另一組。同一組中的兩只 GTR 同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動(dòng)機(jī) M 向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則要求控制電壓 Uk為正。欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓 Uk 為負(fù)即可。 圖 36 H 橋功率放大電路結(jié)構(gòu) 2) L298實(shí)現(xiàn)電 動(dòng)機(jī) 雙極性控制 在實(shí)際中，橋式電路中四個(gè)三極管的參數(shù) 由于各種影響會(huì) 不一致，使控制難度加大，考慮到電壓、電流的等級(jí)及尺寸、外觀(guān)等因素，本系統(tǒng)采用 L298 來(lái)代替三級(jí)管所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。 驅(qū)動(dòng)芯片 L298 是驅(qū)動(dòng)二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專(zhuān)用芯片，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī) ， 這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)。每一組 PWM 波用來(lái)控制一個(gè)電機(jī)的速度，而另外兩個(gè) I/O 口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡(jiǎn)單，電路也很簡(jiǎn)單， 這樣簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性 。 其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 37 所示。 21 圖 37 L298 內(nèi)部電路 L298 每個(gè) H 橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳 (SENSEA 和 SENSEB)用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) ， 用來(lái)控制 H 橋的開(kāi)與關(guān)，即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 ENA、 ENB 引腳則為使能控制 端， UTIOUT4 是信號(hào)的輸出端，用于控制電機(jī) [9]。 下 表給出了電機(jī)控制方向引腳 的 邏輯關(guān)系。 表 34 L298 引腳的邏輯關(guān)系 ENA(ENB) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài) H H L 正轉(zhuǎn) L L H 反轉(zhuǎn) H 同 IN2(IN4) 同 IN1(IN3) 快速停止 L X X 停止 圖 38 為采用內(nèi)部集成有兩個(gè)橋式電路的專(zhuān)用芯片 L298 所組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 本設(shè)計(jì)中只使用 L298 其中一組引腳控制電機(jī)，另一組沒(méi)有使用。 如圖所示 ， 控制電機(jī)的方向， 輸入的 PWM 控制電機(jī)的速度。 為“ 0” ， 輸入 PWM 波時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)改變 PWM 的占空比可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。而當(dāng) 為“ 1”， 輸入 PWM 波時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同樣通過(guò)改變 PWM 的占空 比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。 圖 38 PWM 驅(qū)動(dòng)電路 22 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 由于 本系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊 所選方案為光對(duì)射式 ，基于此方式的傳感器一般使用光電編碼器采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。 光電編碼器 介紹 及選擇 1) 編碼器 介紹 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器在碼盤(pán)上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過(guò)接受器將該數(shù)碼送入計(jì)算機(jī)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，必須對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理。增 量式編碼器在碼盤(pán)上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)光柵的作用，持續(xù)不斷地開(kāi)發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正