基于ARM9的直流電機控制系統(tǒng)的設計

1、基于ARM9的直流電機控制系統(tǒng)的設計沈陽航空航天大學2010年6月摘 要隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術、計算機技術和自動控制技術也得到了迅速發(fā)展，直流電機調速技術已經(jīng)進入一個嶄新的時代，其應用越來越廣。而作為控制核心的各種單片機芯片也在不斷的更新發(fā)展，其功能越來越強大。隨著人們對其要求的提高，直流電機控制系統(tǒng)的調速方法也相應的產(chǎn)生了PWM(脈寬調制技術），其控制芯片也由原來常用的51單片機系列升華為ARM系列的控制實驗板。本設計基于ARM9開發(fā)板的直流電機控制系統(tǒng)的調速,以顯示ARM開發(fā)板的獨特功能，利用脈寬調制技術，調節(jié)占空比以達到調節(jié)轉速的目的，將測得的數(shù)據(jù)傳給上位機后進行觀測.設計大

2、體上分為硬件設計和軟件設計兩部分，硬件部分包括驅動模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)檢測模塊以及通信模塊，軟件部分包括程序設計，兩大部分實現(xiàn)了對電機轉速的監(jiān)測和控制,更好的確保了設計的準確性。通過合理的選擇和設計提高了直流電機控制系統(tǒng)調速的技術，學習和研究新型控制芯片，使設計達到了較為理想的控制效果是本設計的宗旨.關鍵詞：ARM9開發(fā)板；PWM技術；PID調節(jié)功能AbstractAlong with the rapid development of Chinese economy， microelectronics technology， computer technology and automatic

3、control technology is rapidly developing， dc motor control technology has entered a new era, the more and more wide application。 As the core of MCU control chip are constantly updated development， its function and more powerful。As for the people， the control system of dc motor control method and the

4、 corresponding produce the pulse width modulation （PWM) and its control chip technology is used by the original sublimated 51-series microcomputer series of control board ARM series。 The design is based on ARM9 development board of the control system of dc motor speed， in order to show the ARM devel

5、opment board， using the unique function of PWM technology， SHCH adjustment in order to achieve the goal, will adjust speed measurement data to PC and software it. General design of hardware design and software design is divided into two parts, hardware part includes driver module, control module， da

6、ta communication module, and the software module includes programming module， two most of the monitoring and control motor speed， better ensure the accuracy of the design。Through the reasonable selection and design of dc motor control system to improve the speed of technology, learning and research，

7、 new control chip design to the ideal control effect is the design purpose。Keywords: ARM9 Board; PWM;PID Adjustment Function目 錄1緒 論11.1畢業(yè)設計立題意義11.2研究內容及目標31.3 畢業(yè)設計內容分析32總體方案設計42。1直流電機控制系統(tǒng)的總體設計思想42。2硬件部分設計52。3軟件部分設計53硬件設計方案63。1 ARM9開發(fā)板簡介63。2 驅動模塊設計73.2。1 S3C2440芯片簡介73.2.2 SPGT62C19B電機控制模組簡介83。3數(shù)據(jù)檢測模塊

8、設計103。3.1 PWM技術簡介103。3.2直流電機電樞PWM調壓調速原理103.3。3直流電機調速系統(tǒng)的整體結構113.3。4 ARM的脈寬調制PWM描述113.4控制模塊設計133.5 通信模塊設計143.5。1 RS232的串口通信接線143.5。2 串口通信154軟件方案設計174。1 系統(tǒng)軟件設計步驟174。2 編程環(huán)境設置194。3 程序設計204。3.1系統(tǒng)初始化204。3.2中斷子程序設計214.3。3 PWM調速程序設計224。3。4 串口通信程序設計235直流電機控制系統(tǒng)綜合調試與分析255。1 硬件電路調試255.2 利用HJTAG調試程序265。3系統(tǒng)聯(lián)調結果與分析

9、27結論29社會經(jīng)濟效益分析30參考文獻31致 謝32附錄S3C2440A芯片原理圖33附錄 程序清單34441緒 論隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術、計算機技術和自動控制技術也得到了迅速發(fā)展，直流電機調速技術已經(jīng)進入一個嶄新的時代。然而，電機調速的方法有很多,比如說變極對數(shù)調速法，變頻調速法，串級調速法，繞線式電動機轉子串電阻調速法,定子調壓調速法，電磁調速法等。但是在某些條件下，直流電機調速具有其特有的優(yōu)勢。為了提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質量,大量的生產(chǎn)機械要求直流電機以不同的速度工作.這就要求人們采用一定的方法來改變機組的轉速，即對直流電機進行調速.對電機的轉速不僅要能調節(jié)，而且要求調節(jié)的范

10、圍寬廣，過程平滑，調節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟.直流電機在上述方面都具有獨到的優(yōu)點，使它得到廣泛的應用.本文針對直流電機具有起動轉距大、體積小、重量輕、轉矩和轉速容易控制以及效率高等十分優(yōu)良的特點， 根據(jù)自動控制原理， 采用PWM控制方式， 設計了一個直流電機控制系統(tǒng)，以更好地對直流電機進行精確而又迅速的控制.1.1畢業(yè)設計立題意義直流電機是常用的動力提供原件,在日常生活中占據(jù)著十分重要的地位，研究直流電機的速度控制,有十分重要的意義。驅動電機選用直流電機，這是因為直流電機具有優(yōu)越的速度調節(jié)控制性能，具有較大的轉矩,用以克服裝置的摩擦阻力和負載轉矩，調速范圍寬而且速度平穩(wěn),具有快速響應能力，可以適應

11、復雜的速度變化,直流電機的負載特性硬，有較大的過載能力,可以確保運行速度不受負載沖擊的影響。ARM是近年來發(fā)展非常迅速的處理器，有很好的應用前景。ARM,既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。ARM處理器是現(xiàn)代非常流行及重要的一款芯片,其擁有良好的發(fā)展性，有廣泛的應用領域。ARM公司自1990年正式成立以來， 在32位RISC （Reduced Instruction Set Computer CPU開發(fā)領域不斷取得突破，其結構已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來,一直以IP（Intelligence Property）提供者的身份

12、向各大半導體制造商出售知識產(chǎn)權，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點，因此獲得眾多的半導體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應用領域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75以上的32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場。在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位。現(xiàn)在設計、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家,國內中興通訊和華為通訊等公司也已經(jīng)購買ARM公司的芯核用于通訊專用芯片的設計。將其應用在直流電機的調速控制中，有極大的實用價值.以脈寬調制技術為代表的電機數(shù)字驅動技術也在迅猛發(fā)展，將計算機應用于這一領域正好可以發(fā)揮其在數(shù)字方面控制的優(yōu)勢。微電子技術

13、和計算機技術的發(fā)展，為計算機控制技術的發(fā)展和應用奠定了堅實的基礎.可以這樣說，沒有微處理器的儀器不能稱為儀器,沒有微型機的控制系統(tǒng),更談不上現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著微型計算機，超大規(guī)模集成電路，新型電力電子開關器件和傳感器的出現(xiàn),以及自動控制理論和電力電子技術以及計算機控制技術的深入發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)也在不斷發(fā)展。直流電機是常用的動力提供元件，在日常生活中占據(jù)著重要的地位。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的速度控制，有著非常重要的意義。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義.本方案以ARM9為控制核心,實現(xiàn)普通直流電機的轉

14、速測量和轉速調節(jié)功能，為進一步研究和優(yōu)化直流電機控制方法提供基礎。直流電機控制系統(tǒng)的轉速控制方法可分為兩類，即勵磁控制法和電樞電壓控制法。通常的方法是改變輸入端電壓對電樞電壓的控制，繼而實現(xiàn)對轉速的改變，本次畢業(yè)設計實驗將使用ARM9來實現(xiàn)對輸入端電壓的控制,從而對ARM的直流電機控制系統(tǒng)的設計與調速作深入研究，并對其監(jiān)檢測方面進行研究。PWM（Pulcsi Wdht Mdoluatino）脈寬調制技術是直流電機調速中最為有效的方法,即給直流電機輸入高速的開關脈沖信號，通過改變脈沖信號開關的比例，達到速度控制的效果。簡單的解釋是，由于在ON的時間內施加電壓，OFF的時間內切斷電壓，電機的轉動將

15、是斷續(xù)的.不過在脈沖波段的OFF區(qū)段，電機線圈內部儲存的能量能夠產(chǎn)生續(xù)流二極管流動的電流，因此得以繼續(xù)維持轉動。PWM調速的基本思想是:以通過電機的平均電壓和電流作比較，40%的時間接通電源的電機比20%的時間接通電源的電機要大.當電機沒有接通電源時，它完全不消耗能量，這一點正是其高效率的原因.PWM 技術是降低直流電機功耗的一種好方法，它使驅動芯片和電機的發(fā)熱減少,從而電機也可以用得更久.在工業(yè)控制中，按偏差的比例P、積分I和微分D進行控制的PID調節(jié)器現(xiàn)在得到廣泛的應用。在小型微型計算機用于生產(chǎn)過程以前，連續(xù)過程系統(tǒng)中采用的氣動、液動和電動的PID調節(jié)器幾乎占壟斷地位。由最優(yōu)控制理論可以證

16、明，它能適應不少工業(yè)控制對象的要求。單片機控制技術不斷發(fā)展，特別是軟件PID算法控制器的使用,代替了原來很多的硬件PID調節(jié)器，在工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應用.1。2研究內容及目標利用ARM9實驗板及直流電機實驗板實現(xiàn)直流電機轉速測量和調節(jié)。使系統(tǒng)實現(xiàn)下列功能：（1）可通過ARM實驗板上的按鍵設定電機的轉動方向、轉速; (2）可對電機進行轉速調節(jié)，實時測量電機的實際轉速，并通過RS232總線把轉速傳給上位機；本次畢設要達到的指標是電機驅動電路采用集成電路SPGT62C19B電機模組,可以驅動電壓46V,電流2A以下的電機；電機轉速調節(jié)范圍3060轉/秒，轉速誤差值不大于1轉/秒。1

17、.3 畢業(yè)設計內容分析本設計的主要目的是對直流電機控制系統(tǒng)的轉速測量和監(jiān)控做一個系統(tǒng)的設計，由上位機,也就是電腦，和下位機進行通訊，控制整個系統(tǒng)的運行。其次下位機包括ARM9開發(fā)板，它作為控制核心發(fā)布指令，由驅動模組帶動直流電機旋轉，再由串口將所得數(shù)據(jù)傳輸給上位機.大體需要以下幾個準備步驟：首先，了解整個設計所涉及到的知識點，搜集資料加以學習。其次,根據(jù)設計的要求和需要選擇硬件，包括直流電機和電阻等。再次，設計SPGT直流電機驅動模塊和速度檢測模塊電路,并完成硬件搭建.最后，制定上下位機通信協(xié)議，將采用RS232C來實現(xiàn)串口通信.2總體方案設計直流電機控制系統(tǒng)的設計，重點在于上位機和下位機功能

18、的串聯(lián)，硬件和軟件的相互聯(lián)調.本設計的主要目的是測量監(jiān)控電機的轉速,那么選用何種方法調節(jié)轉速就是關鍵問題。與此同時，測得的數(shù)據(jù)或多或少存在誤差,在此設計的基礎上，如何有的加進一些措施來調節(jié)誤差,誤差控制在一定范圍也是值得討論的.2。1直流電機控制系統(tǒng)的總體設計思想本設計的思想將分為兩大部分進行，一是由上位機組成的軟件部分的設計，這一部分包括程序的編寫。二是由ARM9開發(fā)板和驅動電路板等組成的下位機，稱之為硬件部分，包括驅動模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)檢測模塊以及通信模塊。本設計的主要工作是基于ARM9的直流電機調速系統(tǒng)的設計，從內容上也分為軟件和硬件的兩大部分來設計.最后還要在硬件軟件相應完成的基礎上

19、進行調試，所以本次課題設計內容安排可分為三個步驟.第一步驟是硬件設計，包括方案主要模塊的電路設計、元器件的選擇等。具體的硬件電路是SPGT驅動模塊和速度檢測模塊兩大電路。先對每一個模塊的各個芯片測試成功后,再焊接其對應的整個模塊電路,且每一部分都要進行單獨調試,各個部分調試成功后,聯(lián)接調試整個硬件電路，對在途中出現(xiàn)的錯誤進行分析和改正,最后得出結論。第二步驟是軟件設計，軟件采用C語言編寫，軟件設計的思想主要是自頂向下，模塊化設計，逐一設計各個子模塊，分別進行調試，最后的連調整個程序，判斷是否達到預期的要求，做出結論。第三步驟硬件模塊調試都成功的前提下，進行硬、軟件連調.2.2硬件部分設計這一部

20、分是由驅動模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)檢測模塊以及通信模塊組成的.用到的硬件有ARM9開發(fā)板，直流電機,SPGT62C19B電機模組以及一些檢測設備.以ARM9開發(fā)板為控制核心SPGT62C19B模組驅動電機，由光電開關接收的信號通斷頻率來測算電機轉速將直流電機的轉動信息，反饋給 ARM9實驗板.系統(tǒng)的結構框圖如圖2.1所示。轉速控制串口通信SPGT62C19BARM9(S3c2440)GPB1/PWM5直流電機上位機(PC)GPG5GPG6轉向控制圖2。1控制系統(tǒng)結構框圖ARM9作為主控芯片,通過I/O端口來控制SPGT電機模組，實現(xiàn)對直流電機的控制。速度檢測設備將直流電機的轉速信息反饋給ARM9開

21、發(fā)板，ARM9針對實際測得的轉速來調節(jié)SPGT模組的狀態(tài)，讓其達到預設值大小。同時，上位機在對其進行調節(jié).2。3軟件部分設計軟件部分涉及到編程。本系統(tǒng)使ARM9平臺,運用ARM9編程語言，在CodeWarrior for ARM Developer Suite軟件平臺進行開發(fā).編寫程序的主導思想是自頂向下,模塊化設計，主要分為測速程序，PWM調解程序，中斷程序，PID算法程序，其中，定義端口也尤為主要.3硬件設計方案3.1 ARM9開發(fā)板簡介根據(jù)本課題設計的任務要求,須采用ARM9作為開發(fā)平臺，因此本課題設計的控制電路由以ARM9開發(fā)板及其外圍電路構成，其布局結構如圖3。1所示。圖3。1 AR

22、M9開發(fā)板實物圖ARM9開發(fā)板硬件資源特性介紹如下:(1) CPU處理器：Samsung S3C2440A，主頻400MHz，最高533Mhz；(2) SDRAM內存：64M SDRAM，32bit數(shù)據(jù)總線，SDRAM時鐘頻率高達100MHz；(3) FLASH存儲：64M Nand Flash，2M Nor Flash,已安裝BIOS;(4) LCD顯示：標配NEC 256K色240x320/3.5英寸TFT真彩液晶觸摸屏；(5) 接口和資源：3個串行口，1個USB Host，1個2。0mm間距10針JTAG接口，4 USER Leds,電源接口（5V），帶電源開關和指示燈等等；(6) 系統(tǒng)

23、時鐘源：12M無源晶振；(7) 實時時鐘：內部實時時鐘（帶后備鋰電池）；(8) 擴展接口：1個34 pin 2。0mmGPIO接口，1個40 pin 2。0mm 系統(tǒng)總線接口。ARM9開發(fā)版是具有很高性價比一款16/32位單片機，支持標準C語言,可以實現(xiàn)C語言與匯編語言的互相調用,ARM9開發(fā)板是以Samsung公司32位處理器為核心的開發(fā)板，開發(fā)板除了具備最小系統(tǒng)電路外，還包括電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分)、復位電路等,在掌握軟件設計的同時，熟悉其硬件的設計制作，鍛煉動手能力.而且它的體積小，采用外部電源供電,方便攜帶.開發(fā)板上有CMOS攝像頭、USB、雙聲道音頻

24、輸、LCD、音頻輸入等接口,此開發(fā)板還可以通過RJ45網(wǎng)絡座實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程控制,配合Code Warrior for ARM Developer Suite、AXD Debugger、HFlasher和HJTAG軟件可方便地在板上實現(xiàn)程序的下載及調試等工作。3。2 驅動模塊設計3。2。1 S3C2440芯片簡介S3C2440是一款低價實用的ARM9開發(fā)板，是目前國內性價比最高的一款學習板；它采用SamsungS3C2440為微處理器,并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內和電源芯片和復位芯片來保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性.S3C2440的PCB采用沉浸工藝的四層板設計，專業(yè)等長布線,保證關鍵信號線的信號完整性，生產(chǎn)

25、采用機器貼片，批量生產(chǎn);出廠時都經(jīng)過嚴格的質量控制。本設計主要是了解嵌入式設計芯片S3C2440，這款芯片有著強大的功能,了解這款芯片的引腳功能是最關鍵也是最重要的一個環(huán)節(jié).這款芯片集成了51系列單片機所有的功能，且具備了普通51單片機所沒有的功能，是普通單片機所不能比擬,具體引腳功能如圖3.2：圖3。2 S3C2440芯片內部結構圖3。2.2 SPGT62C19B電機控制模組簡介SPGT62C18B電機控制模組是為學生以及單片機愛好者學習步進電機和直流電機控制而設計的學習套件。模組采用凌陽SPGT62C19B電機驅動芯片，配置兩相步進電機和直流電機各一臺，并提供4位LED數(shù)碼管用來顯示電機轉

26、速等信息。模組針對SPCE061A單片機設計，可以方便的用排線與SPCE061A精簡開發(fā)板(即“61板”）連接，可作為單片機教學,產(chǎn)品開發(fā)前期驗證等輔助工具使用。模組的平面如圖3。3.圖3.3電機控制模組結構圖上述結構圖中各部分說明如下：電機控制接口：模組與單片機的接口，為10PIN排針,可以直接與“61板"連接，實現(xiàn)電機控制。數(shù)碼管控制接口：模組與單片機的接口，為兩組10PIN排針,可以直接與“61板”連接,實現(xiàn)對4位LED數(shù)碼管的控制。SPGT62C19B:電機驅動芯片，可驅動一臺雙極性兩相步進電機，或者兩臺直流電機.外接電源指示燈:SPGT62C19B電機驅動芯片的邏輯控制電源

27、與電機驅動電源是各自獨立供電的，可以外接5V12V的電機驅動電源。當接通了電機驅動電源時，外接電源指示燈會亮.外接電源插座:為SPGT62C19B提供電機驅動電源的插座。共有兩組電源插座，分別為2PIN針座（可接61板電池盒或其他直流電源）和DC穩(wěn)壓電源插座（可接直流穩(wěn)壓電源）.使用時可選擇其中一組插座作為電機驅動電源輸入端。3。3數(shù)據(jù)檢測模塊設計數(shù)據(jù)檢測主要是測速,將測得的速度傳給上位機.光電開關通過接收的信號通斷頻率來測算電機轉速將直流電機的轉動信息,反饋給 ARM9實驗板。3.3。1 PWM技術簡介PWM（Pulcsi Widht Mdoluatino）脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈

28、沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。根據(jù) PWM控制技術的特點，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、直接轉矩控制PWM、非線性控制PWM、諧振軟開關PWM。3。3。2直流電機電樞PWM調壓調速原理隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制的PWM控制方式已成為主流。這種控制方式很容易在單片機控制中實現(xiàn),從而為直流電動機控制數(shù)字化提供了契機.直流電機轉速n的表達式為：（3。1)式（3.1）中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電

29、路總電阻,為每極磁通量,K為電動機結構參數(shù)。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值Uo為:（3。2）其中，稱為占空比,。占空比表示了在一個周期T里開關管導通的時間與周期的比值。的變化范圍為。由式（3.2)可知，當電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比的大小,改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的,這就是PWM調速原理。在PWM調速中,占空比是一個重要參數(shù).在直流電機控制中，改變來實現(xiàn)調速主要方法是定頻調寬法:使周期T(或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。PWM控制信號的產(chǎn)生方法:新一代的單片機增加了許多功能，其中包PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動地

30、發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比時CPU才進行干預.這種方法是目前獲得PWM信號的主流方法，本控制系統(tǒng)采用此方法產(chǎn)生PWM信號。3。3.3直流電機調速系統(tǒng)的整體結構整個直流電機調速系統(tǒng)采用一種上位機、下位機二級分布式結構。上位機負責整個系統(tǒng)管理和計算等,下位機ARM輸出PWM信號控制電機轉速.下位機采用Samsung公司的S3C2440A芯片，通過串口與上位機通信，ARM接收上位機的控制指令以實現(xiàn)所要求的功能.上位機控制電機運行,ARM不能自主控制電機轉速，上位機和ARM之間通過串口進行實時通信。上位機接收用戶輸入，并轉換為PWM占空比和轉向信息，并按照通信協(xié)議發(fā)送給下位機。下位機ARM接收

31、到上位機正確的數(shù)據(jù)指令后，根據(jù)指令決定PWM5占空比輸出和引腳(PO。16和PO.17）的輸出，并向上位機返回應答信息。下位機子系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，下位機系統(tǒng)決定整個系統(tǒng)的性能。ARM 上運行實時嵌入式系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的實時性和高效性.3。3。4 ARM的脈寬調制PWM描述ARM處理器有7個PWM匹配寄存器，可實現(xiàn)6個單邊沿控制或3個雙邊沿控制PWM輸出，或者這兩種類型的混合輸出：（1) 連續(xù)操作，可選擇在匹配時產(chǎn)生中斷；（2） 匹配時停止定時器,可選擇產(chǎn)生中斷；(3） 匹配時復位定時器，可選擇產(chǎn)生中斷。單邊沿控制PWM輸出在每個周期開始時總是高電平,除非輸出保持恒定低電平。雙邊沿控制P

32、WM輸出可在一個周期內的任何位置產(chǎn)生邊沿,這樣可同時產(chǎn)生正脈沖和負脈沖。脈沖周期和寬度可以是任何的定時器計數(shù)值，這樣可實現(xiàn)靈活的分辨率和重復速率的設定.所有PWM輸出都以相同的重復速率發(fā)生。PWM脈沖頻率由TCNTBn(timern計數(shù)緩沖器）決定.PWM脈沖寬度值TCMPBn（timern比較緩存寄存器）的值來決定.要得到一個較低的PWM脈寬輸出值，就可以減少TCMPBn的值，反之亦然。如果輸出反轉器使能，增加和減少的結果也將是反轉的.基于雙緩沖器的特性，下一個PWM周期的TCMPBn的值可以通過ISR或其它手段，在當前PWM周期中的任何一點寫入.即在程序中可以通過中斷重新設定TCMPBn的

33、值來改變電機的轉速。緩沖區(qū)TCMPBn，TCNTBn的值不一定等于這個周期的TCMPn，TCNTn的值，但一定是TCMPn，TCNTn的下一個周期的值。在S3C2440中,每個定時器具有一個倒計時器，通過定時器時鐘源驅動16位倒計時寄存器TCNTn.定時器啟動前,要向TCNTBn（定時計數(shù)緩沖區(qū)寄存器）寫入一個初始值，這個值在定時器啟動時載入到TCNTn（倒計時器)中。在定時器的TCMPBn（比較緩沖器寄存器)中同樣也要寫入一初始值,運行時用來載入到TCMPn(比較寄存器）中與TCNTn（倒計時器）的值相比較.系統(tǒng)啟動時，需要通過置手動刷新位的方式，將TCMPBn和TCNTBn這兩個緩沖區(qū)的值

34、載入到TCMPn和TCNTn中。TCMPBn和TCNTBn這兩個緩沖區(qū)的應用（即雙緩沖器)使定時器能夠在頻率和占空比同時變化時，仍然產(chǎn)生一個穩(wěn)定的輸出。一般啟動定時器的步驟如下：1)將初始值寫入到TCNTBn和TCMPBn中；2）設置對應定時器的自動重載位;3）設置對應定時器的手動更新位，反向器置為off狀態(tài)；3）設置對應定時器的啟動位來啟動定時器,同時清除手動更新位.系統(tǒng)使用 PWM5輸出控制一個電機的轉速,改變對應的PWM輸出，就可以實現(xiàn)電機速度的控制。3。4控制模塊設計控制模塊的作用主要是控制直流電機的轉向和轉速.變換電機的轉向是靠在上位機的編程語言里設定中斷功能，而控制電機轉速，接近于

35、設定值是靠PID調節(jié)來控制的。直流電機的轉速框圖如下:圖3。4 直流電機控制系統(tǒng)閉環(huán)結構框圖此系統(tǒng)屬于單閉環(huán)調速系統(tǒng),測得的速度與上位機設定的速度存在誤差N,需要控制器進行調節(jié)，其中控制器采用的控制方式是PID控制，消除穩(wěn)定偏差,PID控制器由比例單元(P）、積分單元(I）和微分單元(D）組成。其輸入e (t)與輸出u (t）的關系為:u（t）=kp(e(t）+1/TIe(t)dt+TD*de（t）/dt) 式中積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數(shù)為:G（s）=U(s）/E（s)=kp（1+1/（TI*s)+TD*s），其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù); TD為微分時間常數(shù)。在直

36、流電機調速系統(tǒng)中，數(shù)字PID是一種比較成熟的算法.數(shù)字PID算法的大致原理是，將設定速度與實際速度之間的偏差記為e,利用e的比例、積分和微分通過線性組合構成的控制量U去控制對象。數(shù)字PID算法的表達式如下：(3。3）其中為第k個采樣時刻的速度偏差值，可演化為增量式數(shù)字PID算法表達式：（3。4）式中，、分別為比例、積分、微分系數(shù).這樣，只需確定、和的值即可實現(xiàn)對的控制。在本系統(tǒng)中,作為控制電機轉速的PWM信號的占空比。簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:（1） 比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差.(2） 積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差

37、，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱,反之則越強.(3) 微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率）,并能在偏差信號變化得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調節(jié)時間.PID控制因其所具有的算法簡單、易于實現(xiàn)等特點，至今仍然是工業(yè)控制領域應用最廣泛的控制方法之一。3.5 通信模塊設計系統(tǒng)上位機與下位機之間的距離只有數(shù)米，干擾相對較少，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆⒉粯嫵蓡栴}，每次要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大,所以系統(tǒng)采用串口進行通信.上位機與AEM9之間的串口通信，包括上位機的串口操作和自定義通信協(xié)議的實現(xiàn).上位機部分檢驗用戶輸入，并轉

38、換用戶輸入為PWM占空比和電機轉向信息,根據(jù)通信協(xié)議要求的格式打包發(fā)送，并檢驗收到的應答包,提示通信是否成功。3。5.1 RS232的串口通信接線在上位機(PC機)進行串口通信時，使用了十幾條線進行信號傳輸.要開發(fā)串口通信程序，至少要了解其中五條線的名稱及其作用:DTR線：用于傳輸上位機發(fā)往串口設備的信號，該信號表示上位機是否已經(jīng)準備好;RTS線:用于傳輸上位機發(fā)往串口設備的信號，該信號表示上位機是否允許設備發(fā)數(shù)據(jù)；DSR線：用于傳輸上位機發(fā)往串口設備的信號，該信號表示設備是否已經(jīng)做好操作準備;CTS線：用于傳輸上位機發(fā)往串口設備的信號,該信號表示設備是否允許發(fā)送數(shù)據(jù);CD線：用于傳輸上位機發(fā)

39、往串口設備的信號，該信號表示設備已經(jīng)和遠方的設備建立了聯(lián)系。3。5。2 串口通信串口是計算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議。大多數(shù)計算機包含兩個基于RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協(xié)議；很多GPIB兼容的設備也帶有RS232口。同時,串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設備的數(shù)據(jù)。RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBMPC及其兼容機上的串行連接標準.可用于許多用途，比如連接鼠標、打印機或者Modem，同時也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅動和連線的改進，實際應用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值.RS-232只限于PC串口和設備間點對點的通信.RS232串

40、口通信最遠距離是50英尺.系統(tǒng)采用串口通信接口來實現(xiàn)上位機與ARM9開發(fā)板相連，串行口是計算機的一種標準接口.現(xiàn)在的上位機一般至少有兩個串行口COM1和COM2.串口通信接口標準是在RS232標準的基礎上經(jīng)過改進而形成的.上位機中的每一個COM口都是由UART（通用異步接收發(fā)送器)控制的異步串行端口.上位機為每一個串口都保留一系列的端口資源,大多數(shù)都有一個指定中斷的請求(IRQ）或者中斷請求級別.CPU對串口的控制方式是中斷處理方式.串行接口包括4個主要的寄存器，即控制寄存器，狀態(tài)寄存器，數(shù)據(jù)輸入寄存器及數(shù)據(jù)輸出寄存器?？刂萍拇嫫魇怯脕斫邮蹸PU送給此接口的各種控制信息，而控制信息決定接口的工

41、作方式。狀態(tài)寄存器的各位為狀態(tài)位,每一個狀態(tài)位都可以用來指示傳輸過程中的某一個錯誤或者當前傳輸狀態(tài).數(shù)據(jù)輸入存儲器總是和串行輸入并行輸出移位寄存器配對使用。在輸入過程中,數(shù)據(jù)一位一位從外部設備進入接口的移位寄存器,當接收完1個字符以后,數(shù)據(jù)就從移位寄存器送到數(shù)據(jù)輸入寄存器，在等待CPU來取走.輸出的情況和輸入過程類似,在輸出過程中，數(shù)據(jù)輸出1個數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)便傳輸?shù)揭莆患拇嫫?然后一位一位地通過輸出線送到外設。3。6 硬件電路由于ARM9開發(fā)板沒有直流電機的驅動模塊與測速模塊，需要用戶額外進行開發(fā),所以本設計的硬件電路由ARM9開發(fā)板的串行通信模塊與外部測控模塊構成.其整體電路圖見附錄，具體實物

42、如圖3。5所示。圖3。5 硬件電路實物圖4軟件方案設計4。1 系統(tǒng)軟件設計步驟直流電機控制系統(tǒng)的軟件部分設計包括程序的編寫。程序的編寫關系到系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性與否，所以,本設計采取了順序性的編寫模式.硬件功能的實現(xiàn)離不開軟件的設計與完成。軟件設計是直流電機控制系統(tǒng)設計中最重要、最關鍵的部分，也是本次畢業(yè)設計的難點之處.由于本系統(tǒng)使用ARM9平臺,運用ARM9編程語言，在CodeWarrior For ARM Developer Suite軟件平臺進行。本課題軟件設計的思想主要是自頂向下,模塊化設計，逐一設計各個子模塊，分別進行調試,最后的連調整個程序，判斷是否達到預期的要求,做出結論。主要分為

43、轉速測量子程序、PID算法子程序、PWM信號產(chǎn)生子程序、通訊子程序等幾部分。各個部分函數(shù)都可相互調用又相對獨立可調,保證調試的便利與程序的可讀性.上位機通信開始初始化，首先設定一些電機的信息，當做要實現(xiàn)的控制效果，作為一個標準。然后讀取輸入的轉速和轉向,經(jīng)過判斷轉換為PWM值，并與轉向信息打包，發(fā)送出去，傳給下位機等待回應,若有新的數(shù)據(jù)傳給上位機，說明控制成功.系統(tǒng)軟件設計框圖如圖4。1所示：圖4。1軟件流程圖4。2 編程環(huán)境設置ARM9的編寫語言選擇的是C語言,但和以往常用到的51單片機不同的是，同樣作為控制核心的ARM9，其編寫環(huán)境及語言都是特定的，其定義的功能引腳如下所示：1 端口A（G

44、PIO)端口A 作為地址引腳共有25個,大大增加了地址量，一般情況下不用外擴；2端口B(GPIO）端口B 11個輸出引腳，可作為定時器/DMA引腳；3 端口C(GPIO）16個輸入/輸出引腳通常作為LCD屏引腳;4端口D（GPIO)16個輸入/輸出引腳通常作為LCD屏數(shù)據(jù)引腳/SPI總線引腳；5端口E(GPIO)16個輸入/輸出引腳作為I方C，I方S及SD卡的總線引腳;6端口F、G（GPIO）總計24個輸入輸出引腳，作為中斷控制引腳，中斷控制多，普通51單片機的中斷引腳遠遠不及，控制更加靈活；7端口H（GPIO）11個輸入/輸出引腳,3個串口；7端口J（GPIO）13個輸入/輸出引腳用于CAM

45、；本設計主要用的是S3C2440中斷功能、PWM調節(jié)功能、串口功能,涉及到的端口為端口B(PWM調節(jié)）、端口F/G（中斷功能)、端口H(串口功能)；端口C(驅動SPGT模組）。編寫程序所用的編寫軟件是ARM ADS,稱為ARM Developer Suite 是ARM公司推出的新一代ARM集成開發(fā)工具，是業(yè)界公認最好的ARM編譯器之一,現(xiàn)在ADS的最新版本是1.2，它取代了早期的ADS1。0和ADS1.1。ADS由命令行工具開發(fā)，ARM實時庫，GUI開發(fā)環(huán)境(Code Warrior和AXD)，實用程序和支持軟件組成。有了這些部件，用戶就可以為ARM系列的RISC處理器編寫和調試自己的開發(fā)應用

46、程序。它由RealView編譯器（RVCT）,以及RealView調試器(RV Debugger），CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境和ARMulator指令集仿真器組成.可以支持所有標準ARM架構和內核,針對特定處理器進行代碼優(yōu)化，有多種可以靈活配置的優(yōu)化選項以取得最小的代碼尺寸和最好的性能.4。3 程序設計4。3。1系統(tǒng)初始化系統(tǒng)的初始化可作為主程序，實現(xiàn)電機旋轉的功能,包括一些調用語句,以便調用以下的子程序.首先定義一個時鐘PCLK，作為時鐘源，將其中的所有串口初始化.在選擇其中的串口0,作為超級終端顯示輸入。其次設置B口為PWM技術和控制電機轉向環(huán)節(jié),設置G口為中斷環(huán)節(jié)，在超級終端輸入

47、字符a，b,c表示不同的指令(鍵盤輸入)，如果輸出的結果是1，代表電機正傳；輸出結果是0，代表電機反轉.系統(tǒng)的初始化主要是對程序中用到的信號傳輸端口、相關變量進行設定；同時通過設定初值,確定CPU的內部定時時間，控制命令時序速度，并完成對定時、中斷的和其他初值信息設置功能.本設計的系統(tǒng)初始化流程圖如圖4。2所示。圖4。2 系統(tǒng)初始化4.3.2中斷子程序設計中斷是計算機的一種基本工作方式，幾乎所有的CPU都支持中斷，中斷功能可以解決CPU內部運行速度遠遠快于外部總線速度而產(chǎn)生的等待延時問題。S3C2440A支持多32個中斷源，中斷請求可由內部功能模塊和外部引腳信號產(chǎn)生。ARM9核可以識別兩種類型

48、的中斷：正常中斷請求（Normal Interruptuest，IRQ）和快速中斷請求（Fast Interrupt Request，F(xiàn)IQ），都是用于外部設備向CPU請求中斷服務，一般情況下都是采用IRQ中斷,因此,S3C2440A所有中斷都可以歸類為 IRQ 或 FIQ.本設計采用外部中斷0，即INT0來采集電機的轉速。首先設置中斷方式實現(xiàn)鍵盤掃描，讓外部中斷處理函數(shù)，將寄存器EINTPEND清零,定時器1中斷處理函數(shù),每600ms顯示一次速度。中斷初始化,設定0表示停止,1表示正轉，2表示反轉，往超級終端發(fā)送字符。如果是換行符，則回車。如果出現(xiàn)延時的現(xiàn)象,則表示超級終端顯示速度慢。外部中

49、斷子程序流程圖如圖4.3所示圖4。3 外部中斷4。3。3 PWM調速程序設計在直流電機調速系統(tǒng)中，數(shù)字PID是一種比較成熟的算法。數(shù)字PID算法的大致原理是，將設定速度與實際速度之間的偏差記為e，利用e的比例、積分和微分通過線性組合構成的控制量U去控制對象.數(shù)字PID算法的表達式如下：（4。1）其中為第k個采樣時刻的速度偏差值，可演化為增量式數(shù)字PID算法表達式：（4。2)式中,、分別為比例、積分、微分系數(shù)。這樣,只需確定、和的值即可實現(xiàn)對的控制。在本系統(tǒng)中,作為控制電機轉速的PWM信號的占空比。簡單來說,PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1) 比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差

50、一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2) 積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度.積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大,積分作用越弱,反之則越強。（3) 微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變化得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間.PID控制因其所具有的算法簡單、魯棒性好、易于實現(xiàn)等特點,至今仍然是工業(yè)控制領域應用最廣泛的控制方法之一。試湊法確定PID參數(shù)增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性破壞。增大積分時間有利于

51、減小超調，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。增大微分時間有利于加快系統(tǒng)響應，使超調量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對系統(tǒng)有較敏感的響應。在湊試的時候,可參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢,對參數(shù)實行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。4。3。4 串口通信程序設計1.S3C2440A的UART介紹S3C2440A的UART（通用異步串行接口）單元提供了三個獨立的異步串行I/O端口，每個都可以在中斷和DMA兩種模式下進行，他們支持的最高波特率是115.2Kbps。每個UART通道包含2個16位FIFO分別提供接收和發(fā)送。S3C2440A的UART可以進行一下參數(shù)

52、的設置：可編程的波特率，紅外收/發(fā)模式，1或2個停止位,5位、6位、7位或8位數(shù)據(jù)寬度和奇偶校驗。每個UART包含波特率發(fā)生器、接收器、發(fā)送器和控制單元。波特率發(fā)生器以MCLK為時鐘源.發(fā)送器和接收器包含16字節(jié)FIFO寄存器和移位寄存器，當發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)先寫到FIFO,然后拷貝到發(fā)送移位寄存器，然后從數(shù)據(jù)輸出端口（TxDn）依次被移位輸出。被接收的數(shù)據(jù)也同樣從接收端口（RxDn）移位輸入到移位寄存器，然后拷貝到FIFO中。2。數(shù)據(jù)發(fā)送操作數(shù)據(jù)發(fā)送幀的格式是可編程的,它包含一個開始位。5到8個數(shù)據(jù)位，一個可選的奇偶位和一個或兩個停止位,這些可以通過線性控制器（UCONn）來設置.發(fā)送器也

53、能夠產(chǎn)生發(fā)送終止條件。終止條件迫使串口輸出保持在邏輯0狀態(tài)，這種狀態(tài)保持一個傳輸幀的時間長度。通常在一幀傳輸數(shù)據(jù)完整地傳輸完之后，在通過這個全0的狀態(tài)將終止信號發(fā)送給對方.中止信號發(fā)送之后，傳送數(shù)據(jù)連續(xù)放到FIFO中。3。數(shù)據(jù)接收操作與數(shù)據(jù)發(fā)送一樣，數(shù)據(jù)接收的幀也是可以編程的,他包含一個開始位,5到8個數(shù)據(jù)，一個可選的奇偶位和一位到兩位停止位,他們是通過線性控制器（ULCONn)來設置的。接收器能夠檢測溢出錯誤，奇偶檢驗錯誤，幀錯誤和中止狀況,每種情況下都將會產(chǎn)生一個錯誤標志置位.每個UART的波特率發(fā)生器為傳輸提供了串行移位時鐘。波特率發(fā)生器的時鐘源可以從S3C2440A的內部系統(tǒng)時鐘或UC

54、LK中來選擇。波特率由時鐘源(PCLK或UCLK）16分頻和UART波特率除數(shù)寄存器（UBRDIn）制定的16位除數(shù)決定UBRDIn的值可以按照下式確定:（4。3)根據(jù)式（4.3）設定本系統(tǒng)的傳輸速率為115200bps.其中，控制寄存器用來接收CPU送給此接口的各種控制信息,而控制信息決定接口的工作方式。狀態(tài)寄存器的各位為狀態(tài)位,每一個狀態(tài)位都可以用來指示傳輸過程中的某一種錯誤或者當前傳輸狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸入寄存器總是和串行輸入并行輸出移位寄存器配對使用。在輸入過程中,數(shù)據(jù)一位一位從外部設備進入接口的移位寄存器，當接收完1個字符以后，數(shù)據(jù)就從移位寄存器送到數(shù)據(jù)輸入寄存器,再等待CPU來取走.輸出的

55、情況和輸入過程類似，在輸出過程中,數(shù)據(jù)輸出寄存器和并行輸入串行輸出移位寄存器配對使用。當CPU向數(shù)據(jù)輸出寄存器中輸出1個數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)便傳輸?shù)揭莆患拇嫫?，然后一位一位地通過輸出線送到外設.串口中斷接受子程序如圖4。4所示圖4。4 串口接收中斷子程序5直流電機控制系統(tǒng)綜合調試與分析調試包括硬件調試、軟件調試和整體聯(lián)調.由于硬件和軟件的研制是相對獨立進行的，因此軟件調試是在硬件完成之前，而硬件也是在無完整軟件情況下進行調試的。在調試中找出缺陷，判斷故障源，對硬、軟件做出修改,反復進行這一過程,直至確信沒有錯誤之后接入單片機進行整機聯(lián)調.直流電機控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，只有硬件和軟件密

56、切配合、協(xié)調一致，才能構成一個功能完善、性能可靠的控制系統(tǒng)。當系統(tǒng)的軟硬件設計完成之后，首先要進行硬件的組裝工作,然后便可以進入軟件調試階段,軟件程序的調試是軟件系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)。軟件系統(tǒng)的調試任務是要查出程序設計當中的語法及邏輯錯誤，并加以糾正。由于本課題設計軟件程序的編寫是按功能模塊的劃分來完成的,所以軟件調試可以采用“先分塊獨立測試后組合聯(lián)機”、“先單步調試后聯(lián)合調試”的方法。所謂的“先分塊獨立后組合聯(lián)機”就是首先將軟件程序進行模塊分類，把與硬件無關的模塊進行獨立調試,把與硬件相關的程序模塊進行軟、硬聯(lián)合仿真調試。當各模塊都獨立調試完成后，可將各程序模塊連接起來進行聯(lián)調,以解決在程序模

57、塊連接中可能出現(xiàn)的邏輯錯誤。5.1 硬件電路調試系統(tǒng)的調試過程是整個系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中,最困難也是最麻煩的一個環(huán)節(jié)。如何能夠有效而且在最短的時間內完成整個系統(tǒng)的調試過程，需要一定的經(jīng)驗和技巧。在硬件和軟件都設計成功的情況下,對硬件的調試仍然是比較重要的一部分。在調試軟件程序模塊之前，為了確保電路中各個元件之間線路連接良好確保各個元件都能正常工作，我們需要首先檢測一下硬件電路的導線連接情況。在檢查硬件電路連線時用到最多的檢查工具就是萬用表，它能方便快捷地測量出電路中各節(jié)點間電壓、各節(jié)點對地電壓和電路中兩點連線是否牢固地連接上.通過檢查發(fā)現(xiàn),在電路連接中有幾個地方連接錯誤。5。2 利用H-JTAG調試程序當前ARM的學習與開發(fā)非常流行，由于ARM的軟件開發(fā)相對以前單片機而言更加復雜，硬件上的考慮也比較多，因此選擇一個好的調試方法將可以使得開發(fā)的除錯過程變得更加直接和簡單?，F(xiàn)在市面上有很多可用于ARM調試的仿真器出售,然而其價格往往都比較貴.這些仿真器一般都有其專用的軟件和硬件，在速度和flash編程等方面有各自的優(yōu)勢。然而對初學者而言，這些仿真器的成本都太高。而簡易仿真器的出現(xiàn),使得