【正文】 同時(shí)在對硬件電路設(shè)計(jì)的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，在編寫程序中提高了自己的邏輯思維能力，總之本次設(shè)計(jì)使我受益匪淺當(dāng)然在本次設(shè)計(jì)中還有需要完善的地方，比如在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和 ARM 開發(fā)板之間加入濾波電路以增強(qiáng)抗干擾能力及保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。利用現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)可以縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。綜合應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，按鍵控制 ARM 開發(fā)板片內(nèi)外設(shè) PWM 輸出、引腳輸出。err20《，q=qka0*errq=qka1*errq=qka2*errq=qka1*errq=qka0*errq=qka2*errerr20amp。圖 44 正反轉(zhuǎn)程序流程圖 加速減速程序流程圖在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，其加速減速是通過調(diào)節(jié) PWM 的占空比實(shí)現(xiàn)的。查詢方式是指在程序中用一段專門的掃描和讀按鍵程序不停查詢有無按鍵按下，確定鍵值。流程圖如圖 42 所示。BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。F: 低電平時(shí)顯示 57 的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示 510 的點(diǎn)陣字符。S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示。I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移。指令如表42 所示。在測速模塊中，采用了 32 位定時(shí)器單次超時(shí)中斷，模擬比較器中斷記錄轉(zhuǎn)速。在后面將逐一介紹中斷服務(wù)程序，功能子程序等的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主程序主要完成的內(nèi)容：系統(tǒng)參數(shù)初始化、打開中斷等。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設(shè)計(jì)要考慮系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的一切非正常情況，且在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，如用戶按錯(cuò)鍵，輸入錯(cuò)誤參數(shù)等誤操作，或發(fā)生程序受外界嚴(yán)重干擾而“跑飛”等情況時(shí)，也要有一定的對策，以防止對系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p失。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應(yīng)采用相同的步驟，從而可消除抖動(dòng)的影響。圖 36 按鍵抖動(dòng)抖動(dòng)時(shí)間長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般是 5 到 10ms。本次設(shè)計(jì)一共 4 個(gè)鍵，因此采用獨(dú)立式鍵盤，分別接到LM3S1138 的 I/O 口而實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立式鍵盤的示意圖如 35 所示。圖 33 ST150 管腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 34 測速電路及編碼盤 鍵盤模塊設(shè)計(jì)鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨(dú)立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。表 32 L298 控制邏輯功能ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況H H L 正轉(zhuǎn)HHL H 反轉(zhuǎn)H 同 IN2(IN4) 同 IN1(IN3) 快速停止L X X 停止圖 32 L298 構(gòu)成的脈寬調(diào)速電路 測速模塊電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制，在電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)中首先要解決的問題是電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的監(jiān)測。由 L298 構(gòu)成的脈寬調(diào)速電路如圖所示 32，這個(gè)電路是我們在智能機(jī)器人開發(fā)當(dāng)中采用 L298 芯片設(shè)計(jì)的脈寬調(diào)速電路。9 Vss 邏輯控制器部分的電源輸入端。4 Vs 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端，此腳與地之間要連接高低頻退耦電容。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A ，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。6)UART、I2C 上拉電阻：為了保證通信的可靠性，UART 的 Rx 和 Tx 管腳要加上上拉電阻，一般取 10～47kΩ，如圖中 U2Rx/U2Tx 都添加有 10kΩ 上拉。4)復(fù)位：開發(fā)板在出廠時(shí)采用的是簡單的“RC＋按鍵”復(fù)位形式，但保留了可靠性復(fù)位芯片 CAT811 的位置。在每一組 VDD 和 GND、VDDA 和 GNDA、VDD25 和 GND 之間都要接一個(gè) 10～100nF 的小電容，以改善其 EMC 性能。通過按鍵實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能，并采用 LCD1602 顯示屏即時(shí)顯示控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。1602 液晶顯示器具有功率低、發(fā)熱小、畫面穩(wěn)定不閃爍、屏幕調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，其界面友好，內(nèi)容量大，符合要求。 顯示方案選擇1) 采用 LED 數(shù)碼管顯示。對于 PWM 輸出頻率的選擇，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能考慮。4）對執(zhí)行元件來考慮，每種元件都有響應(yīng)時(shí)間，因此要求輸入信號要保持一定時(shí)間?？刂浦芷谑芏喾矫娴囊驍?shù)影響，主要考慮的因數(shù)如下：1)根據(jù)香濃采樣定理： （ 被采樣的信號的上限角頻率） ，max/s???a給出了控制周期的上限。對于本設(shè)計(jì)采用 PID 調(diào)節(jié)當(dāng)中比例環(huán)節(jié)即比例調(diào)節(jié)就能滿足設(shè)計(jì)要求，且參數(shù)以確定，設(shè)計(jì)簡單，調(diào)節(jié)速度快。2)積分環(huán)節(jié)；主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的尤差度。PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 27 所示。 同時(shí) PID 調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)被控對象的具體情況，采用 PID 的變種，有較強(qiáng)的靈活性和運(yùn)用性。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。4 個(gè)開關(guān)管分成兩組，TT4 為一組，TT3 為另一組。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，橋式電路中晶體管的參數(shù)由于各種影響會(huì)不一致，使控制難度加大，考慮到電壓、電流的等級以及尺寸等因素。圖 24 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖單極性驅(qū)動(dòng)是指電機(jī)在一個(gè) PWM 周期里，電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓。當(dāng) Q2 管和 Q3 管導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。T型雙極性驅(qū)動(dòng)由于開關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)直流電機(jī)常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合，這就需要使用可逆 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。ARM 或單片機(jī)通過初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出 PWM 脈沖波，只有在改變占空比時(shí) CPU 才進(jìn)行干預(yù)。(3)專用 PWM 集成電路從 PWM 控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已有許多種。PWM 控制信號的產(chǎn)生方法有 4 種：(1)分立電子元件組成的 PWM 信號發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號電路。 α 的變化范圍為 0 ≤α≤1。t1 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為 0。大多數(shù)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。由式可知，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。本文著重介紹利用ARM 和脈寬調(diào)制技術(shù)對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)的方法。4)顯示直流電機(jī)速度 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，本系統(tǒng)的主要功能模塊有：ARM 主控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測模塊、鍵盤模塊、顯示模塊。 系統(tǒng)分析 系統(tǒng)功能分析本設(shè)計(jì)主要旨在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)速度的控制，使得機(jī)器設(shè)備能夠通過該系統(tǒng)與人之間進(jìn)行人機(jī)交互的目的。通過光電傳感器 ST150S 實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的測試，并采用 LCD1602顯示屏即時(shí)顯示控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的信息。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在電子應(yīng)用初期就采用電磁控制電路，為電機(jī)、繼電器、螺線管和揚(yáng)聲器提供激勵(lì)，但現(xiàn)今的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)則更加復(fù)雜，因?yàn)橄到y(tǒng)要求多個(gè)電機(jī)或制動(dòng)器之間的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備──電機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子器件及功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用直流脈寬調(diào)制的調(diào)速系統(tǒng)，在許多方面有較大的優(yōu)點(diǎn)：①主電路線路簡單，需要的功率元件少；②開關(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，因而調(diào)速范圍寬；④系統(tǒng)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關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；⑥直流電源采用不可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓。根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制 PWM、電流控制 PWM、空間電壓矢量控制 PWM、矢量控制 PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM、非線性控制 PWM、諧振軟開關(guān) PWM。在開關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開關(guān)器件，晶體管如同開關(guān)一樣，總是處在接通和斷開的狀態(tài)。把上面三式合拼并整理得到：N = K1?Eb ? K2 ?Ra ?T （14）式中 K1 和 K2 是比例系數(shù)。其中 Ra 為電樞等效電阻；Ec 為電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢，它和轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，反向電動(dòng)勢越大。直流電池電平的幅度等于 PWM信號的平均幅度。改變BDC 電機(jī)速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)與定子的靜止磁場相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場。這一靜止磁場圍繞在電樞（或稱轉(zhuǎn)子）的周圍。根據(jù)有刷直流電機(jī)的類型，定子磁場可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點(diǎn)。4）開發(fā)軟件：IAR EmbeddedWorkbench for ARM 。具有如下功能特點(diǎn)：1）強(qiáng)大的 MCU 內(nèi)核：32 位 ARM Cortex?M3 內(nèi)核（ARM v7M 架構(gòu)） ；兼容 Thumb 的 Thumb2 指令集，提高代碼密度 25%以上；50MHz 運(yùn)行頻率， DMIPS/MHz，加快 35%以上；單周期乘法指令，2～12 周期硬件除法指令；快速可嵌套中斷，6～12 個(gè)時(shí)鐘周期；具有 MPU 保護(hù)設(shè)定訪問規(guī)則； 64KB 單周期 Flash, 16KB 單周期 SRAM；內(nèi)置可編程的 LDO 輸出 ～，步進(jìn)50mV；持非對齊數(shù)據(jù)的訪問，有效地壓縮數(shù)據(jù)到內(nèi)存；支持位操作，最大限度使用內(nèi)存，并提供創(chuàng)新的外設(shè)控制；內(nèi)置系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器（SysTick ） ，方便操作系統(tǒng)移植。開漏使能，數(shù)字輸入使能。13) GPIO：高達(dá) 946 個(gè) GPIO，具體數(shù)目取決于配置。11)模擬比較器：3 個(gè)獨(dú)立集成的模擬比較器，可以把輸出配置為：驅(qū)動(dòng)輸出管腳、產(chǎn)生中斷或啟動(dòng) ADC 采樣序列。標(biāo)準(zhǔn)異步通信位：開始位、停止位、奇偶位。內(nèi)部循環(huán)自檢模式可用于診斷/調(diào)試。帶中斷屏蔽功能的可編程中斷產(chǎn)生邏輯， 軟件跑飛時(shí)可鎖定寄存器以提供保護(hù)，帶使能/禁能的復(fù)位產(chǎn)生邏輯。4)16 位定時(shí)器模式：通用定時(shí)器功能，并帶一個(gè) 8 位的預(yù)分頻器；可編程單次觸發(fā)定時(shí)器；可編程周期定時(shí)器；在調(diào)試的時(shí)候，當(dāng)控制器發(fā)出 CPU 暫停標(biāo)志時(shí)，用戶可設(shè)定暫停周期或者單次模式下的計(jì)數(shù)。1)內(nèi)部存儲器：64 KB 單周期 Flash，可由用戶管理對 flash 塊的保護(hù)，以2KB 為單位，可由用戶管理對 flash 的編程，可由用戶定義和管理的 flash 保護(hù)塊，16 KB 單周期訪問的 SRAM。提供系統(tǒng)時(shí)鐘、包括一個(gè)簡單的 24 位寫清零、遞減、自裝載計(jì)數(shù)器，同時(shí)具有靈活的控制機(jī)制僅采用與 Thumb174。指令集的 Thumb2 指令集來減少存儲容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。LM3S1138微控制器還具有一個(gè)電池備用的休眠模塊，從而有效的使 LM3S1138 芯片在未被激活的時(shí)候進(jìn)入低功耗狀態(tài)。在系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序的開發(fā)。 6)環(huán)境工程與自然：水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。 2)交通管理：在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌 GPS 模塊， GSM 模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Inter之外，但隨著Inter的發(fā)展以及Inter技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式技術(shù)與Inter 技術(shù)的結(jié)合正推動(dòng)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展。第2階段是以嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的 器件 。并且較好地實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)的速度控制，簡化了電路，并具有精度高、快速響應(yīng)性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。系統(tǒng)中使用的是前一種固定頻率下改變占空比的PWM方法，在整個(gè)過程中改變的僅僅是電壓信號的占空比，至于其它參數(shù)，尤其是脈沖頻率并沒有改變，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率。基本思想就是利用ARM開發(fā)板具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期(頻率)的前提下，通過軟件的方法調(diào)整PWM 的占空比，控制電機(jī)輸入電壓，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。ARM是近年來發(fā)展非常迅速的處理器，有很好的應(yīng)用前景。 LM3S1138引言嵌入式微控制器又稱單片機(jī)。微控制器把檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，通過閉環(huán)比例調(diào)節(jié)對方波脈寬進(jìn)行調(diào)制， 從而改變電機(jī)兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)對電