嵌入式控制系統(tǒng)工程設(shè)計課程設(shè)計--基于lpc2131的步進(jìn)電機(jī)控制器的開發(fā)

1、<p><b>　　1.引言</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種控制電機(jī)，由于不使用反饋電路就能進(jìn)行速度控制及定位控制，既所謂的電機(jī)開環(huán)控制，故越來越多的被應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中。其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的OA（Office Automation，辦公自動化）機(jī)器和FA（Factory Automation，工廠自動化）機(jī)器為核心，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、計量儀器、

2、汽車、游戲機(jī)等[1]。</p><p>　　傳統(tǒng)工業(yè)中的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)大多數(shù)采用的是8位單片機(jī)如89C51系列作為控制內(nèi)核，其設(shè)計簡單、價格低廉且能滿足一般的控制要求，但是由于單片機(jī)本身存儲空間小，外設(shè)資源較少，往往需要與PC機(jī)聯(lián)機(jī)控制才能實現(xiàn)更高級的功能，這就帶來了實時性能較差，人際交互較為復(fù)雜，操作麻煩等問題[2]。如果采用功能強(qiáng)大的32位ARM處理器作為核心，集成電源、電機(jī)控制板、步進(jìn)電機(jī)和人機(jī)界面于一體

3、，形成一個完整的嵌入式一體化工業(yè)控制機(jī)，可以使得控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)的控制具有更高的實時性和可靠性、更友好的人機(jī)界面、更高的可操作性、更低的總成本和更高的控制精度。本文基于這樣一種設(shè)想，采用ARM7內(nèi)核的LPC2131處理器為核心，設(shè)計了一個具有實時操作性和人機(jī)界面的步進(jìn)電機(jī)控制器。</p><p><b>　　2.基本原理</b></p><p>　　2.1步進(jìn)電機(jī)概

4、況[1]</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)屬于DC驅(qū)動的同步電機(jī)，但無法直接用DC或AC電源來驅(qū)動，需配備驅(qū)動器才能使用，所以步進(jìn)電機(jī)的運行需要驅(qū)動電路。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的任務(wù)，是按順序指令切換DC電源的電流流入步進(jìn)電機(jī)的各相線圈。圖2.1為三相VR型步進(jìn)電機(jī)的繞組外加電源示意圖，其中驅(qū)動電路用開關(guān)來表示。</p><p>　　圖2.1中，開關(guān)S1

5、為ON時，第1相的繞組導(dǎo)通，如切換第2相繞組電流的指令，S1將打開變?yōu)镺FF狀態(tài)，S2變成ON狀態(tài)。如此，電機(jī)轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個固定角度，此只由定子極數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系來決定的旋轉(zhuǎn)角度，即為電機(jī)轉(zhuǎn)動固有的步距角。同樣，S3順序打開為ON狀態(tài)，S2轉(zhuǎn)為OFF狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過一個步距角。依次進(jìn)行，電路每切換一次，電機(jī)就以固有的角度轉(zhuǎn)動一步。</p><p>　　圖2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路原理圖</p>

6、<p>　　若切換n次，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)步距角的n倍角度；如果沒有發(fā)出指令，轉(zhuǎn)子則停止轉(zhuǎn)動。電機(jī)以步距角為一步，此旋轉(zhuǎn)角度的大小由電機(jī)結(jié)構(gòu)來決定，如果將負(fù)載連接在電機(jī)軸上，就可以對負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度的位置控制；改變開關(guān)切換速度（即脈沖頻率）就可改變旋轉(zhuǎn)速度，故改變速度，就是要改變圖2.1中的開關(guān)S1、S2、S3的切換頻率，即開關(guān)S1、S2、S3的切換頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。</p><p>　　開關(guān)的切換頻率向來

7、是由驅(qū)動電路的指令脈沖頻率來決定的。此種脈沖頻率以pps（pulse per second）為單位。pps為每秒脈沖數(shù)。圖2.2為步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路的功能框圖。</p><p>　　圖2.2 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路的功能框圖</p><p>　　2.2步進(jìn)電機(jī)工作原理</p><p>　　以兩相步進(jìn)電機(jī)為例對步進(jìn)電機(jī)的工作原理進(jìn)行闡述。</p><p

8、>　?。?）兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序</p><p>　　在圖2.3中我們很清晰的展示了在單相通電時一個兩相步進(jìn)電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當(dāng)A相關(guān)閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順

9、序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.3　兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序</p><p>　?。?）兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序</p><p>　　圖2.3中顯示的步進(jìn)順序稱為“單相激勵”步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相激勵”，其中電機(jī)的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖2.4所示。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時通

10、電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中，兩相定子的A相關(guān)閉，而B和a相（此時的a相通電極性與第1步A相反）同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中，兩相定子的b相和A相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場

11、將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機(jī)就轉(zhuǎn)過了一周。</p><p>　　兩相步進(jìn)時，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進(jìn)多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。</p><p>　　圖2.4　兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式</p><p&g

12、t;　　電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進(jìn)電機(jī)的整個步距角一分為二。例如，一個90°的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動45°，見圖2.5。但是，與“兩相通電”相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%～30%的力矩?fù)p失（取決于步進(jìn)速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。</p><p>　　從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實就

13、是將兩相電機(jī)的單相通電工作方式和兩相電機(jī)的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來。</p><p>　　兩相步進(jìn)電機(jī)的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種，其中我們在圖2.3和圖2.4中展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的2.5圖展示的就是兩相八拍工作模式。</p><p>　　圖2.5　兩相電機(jī)的半步步進(jìn)順序</p><p><b>　　2.3步進(jìn)電機(jī)分類<

14、/b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)[3]。</p><p>　　(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，簡稱VR)的轉(zhuǎn)子

15、是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。</p><p>　　(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(Permanent Magnet，簡稱PM)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。</p><p>　

16、　(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid，簡稱HB)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，混合式結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。</p><p>　　本文采用的是兩相混合

17、式步進(jìn)電機(jī)。</p><p><b>　　3.硬件系統(tǒng)選擇</b></p><p>　　3.1核心處理器選擇</p><p>　　基于系統(tǒng)的實際需要和成本考慮，本系統(tǒng)采用了NXP公司生產(chǎn)的LPC2131芯片如圖3.1所示，它的CPU是ARM7TDMI，是一種高性能、低功耗、價格便宜的RISC處理器， 具有豐富的片上外設(shè)資源，可在3.3V的電壓下

18、工作，非常適合于嵌入式產(chǎn)品的開發(fā) 。</p><p>　　圖3.1 LPC2131的64管腳封裝圖</p><p><b>　　其主要特點如下：</b></p><p>　　（1）32位144引腳的ARM7TDMI內(nèi)核； </p><p>　?。?）I/O電壓時3.3V，CPU工作電壓時1.8V；</p>

19、<p>　?。?）有16K字節(jié)的SRAM，8K的片內(nèi)Flash；</p><p>　?。?）通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)60MHz的主頻；</p><p>　　（5）對片內(nèi)Flash支持三種編程方式：ISP，IAP，JTAG在線仿真調(diào)試；</p><p>　?。?）具有兩個低功耗模式：空閑和掉電模式；</p><p>　?。?）2路32位

20、定時器，6路PWM，實時時鐘和看門狗；</p><p>　　（8）具有2路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串口（UART）、高速I2C和2個SPI接口；</p><p>　?。?）8路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時間可低至2.44ms；</p><p>　　（10）多達(dá)47個可承受5V的GPIO。</p><p>　　3.2元器件選擇及接口設(shè)置</p>

21、;<p>　?。?）主要元器件選擇</p><p>　　考慮要硬件設(shè)計驅(qū)動電路的方法會電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驅(qū)動芯片時電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計是直接采用電機(jī)驅(qū)動芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動部分的核心部件[4]。其管腳圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 L298N管腳圖</p><

22、p>　　L298N為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時序信號。</p&

23、gt;<p>　　同時考慮到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路可能會對主芯片造成一定的影響，所以在主芯片與電機(jī)驅(qū)動電路之間通過光耦6N137連接。6N137管腳圖如圖3.3所示。由于內(nèi)部通過光耦電路相連，6N137可以有效的避免步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中的突發(fā)高電流和干擾電流對主芯片的影響。</p><p>　　圖3.3 6N137管腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　對于系統(tǒng)的人機(jī)界面模塊，采用64鍵鍵盤

24、作為輸入模塊，帶字庫的12864LCD顯示屏（如圖3.4所示）作為輸出模塊，其中對64鍵鍵盤采用芯片BC7281B（如圖3.5a所示）作為控制芯片。BC7281B是16位LED數(shù)碼管顯示及64鍵鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，如圖3.5b所示），BC7281B最多可以連接64鍵（8×8）的鍵盤矩陣，內(nèi)部具有去抖動功能，并有2中工作模式可以選擇。BC7281B采用高速二線接口與MCU進(jìn)行通訊，

25、只占用很少的I/O口資源和主機(jī)時間。帶字庫的12864LCD顯示屏常用的有4線連接和8線連接兩種方式，通過4個或8個I/O口輸入需要顯示的信息，通過幾個控制端口控制LCD的讀、寫等。</p><p>　　圖3.4 12864LCD顯示屏</p><p>　　a. BC7281B管腳圖 b. 74HC164管腳圖</p><p>　　圖3.5 BC7281

26、B及74HC164管腳圖</p><p>　　由于電機(jī)需要直流12V電壓驅(qū)動，故控制器采用12V直流變壓器供電，而主芯片需要3.3V供電，L298N需要5V供電，故需要進(jìn)行電壓變換。本控制器采用SPX1117M3-5.0將12V直流電轉(zhuǎn)化為5V直流電，采用AMS1117-3.3將5V直流電轉(zhuǎn)化為3.3V直流電，二者的管腳圖分別如圖3.6a和3.6b所示。</p><p>　　a. SPX1

27、117M3-5.0管腳圖 b. AMS1117-3.3管腳圖</p><p>　　圖3.6 SPX1117M3-5.0和AMS1117-3.3管腳圖</p><p>　　（2）I/O口及通訊接口設(shè)置</p><p>　　控制系統(tǒng)主芯片擁有47個GPIO管腳，需要對電機(jī)驅(qū)動芯片L298N、鍵盤控制芯片BC7281B、顯示模塊12864進(jìn)行控制。L2

28、98N對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時，需要給步進(jìn)電機(jī)輸入一定頻率和脈寬的方波，故需要在輸入端分配兩個個PWM接口進(jìn)行脈沖的控制，同時需要分配一個普通I/O口進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制；對于BC7281B，需要分配一個定時器管腳進(jìn)行時鐘控制，一個普通I/O管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以及一個中斷管腳向主芯片輸入鍵盤狀態(tài)；由于主芯片具有充足的I/O管腳，所以對于12864的驅(qū)動，采用傳統(tǒng)的8線驅(qū)動，另外加上12864的3個控制端口，即給12864分配11個GPIO

29、管腳。</p><p>　　控制系統(tǒng)采用JTAG在線調(diào)試接口給控制板下載程序，JTAG接口有14針接口和20針接口兩種標(biāo)準(zhǔn)，如圖3.7所示。</p><p>　　a. 20針JTAG接口 b. 14針JTAG接口</p><p>　　圖3.7 JTAG接口兩種標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　JTAG接口的引腳定義如下：&

30、lt;/p><p>　　I. TCK—測試時鐘輸入；</p><p>　　II. TDI—測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；</p><p>　　III. TDO—測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出；</p><p>　　IV. TMS—測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG口處于某種特定的測試模式；</p>&l

31、t;p>　　V. 可選引腳TRST—測試復(fù)位，低電平有效。</p><p>　　同時為了與其他外設(shè)相連，控制器留出一個UART接口和一個SPI接口。UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信，該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收，在嵌入式設(shè)計中，UART用來主機(jī)與輔助設(shè)備通信，如汽車音響與外設(shè)AP之間的通信，與PC機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其他器件，如EEPROM通信；SPI（串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)使一

32、種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，外圍設(shè)備如FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的各種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘（SCLK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇先NSS。</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的并行處理和實時響

33、應(yīng)性能，本設(shè)計中為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)移入了UCOS—II操作系統(tǒng)[5]。UCOS—II操作系統(tǒng)擁有可固化、可裁剪、可剝奪的實時內(nèi)核，可同時管理64個系統(tǒng)任務(wù)。根據(jù)需要可對內(nèi)核進(jìn)行配置裁剪。移植了操作系統(tǒng)后，整個控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序被分成多個并行任務(wù)，這些任務(wù)處于并行運行的工作狀態(tài)，通過UCOS—II操作系統(tǒng)來對各個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和切換。移植系統(tǒng)之后，可以更好更及時的響應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)，大大提高CPU的利用率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時簡化程序開發(fā)

34、流程。</p><p>　　4.硬件原理結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本控制器是以LPC2131為控制器，用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片做驅(qū)動器設(shè)計的驅(qū)動電路?？刂破鞯恼w硬件設(shè)計框圖如圖4.1所示[2]。由電源給整個系統(tǒng)供電，由主芯片發(fā)出控制脈沖給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路根據(jù)芯片的控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)等，同時通過人機(jī)界面向主芯片輸入控制命令，經(jīng)主芯片處理后控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)變

35、換，并通過人機(jī)界面輸出顯示。</p><p>　　圖4.1 硬件整體設(shè)計框圖</p><p>　　由于電機(jī)需要12V供電而主芯片需要3.3V供電、L298N需要5V供電，故需要兩個不同的變壓電路，一個是12V轉(zhuǎn)5V變壓電路，另一個是5V轉(zhuǎn)3.3V變壓電路，框圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 變壓電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　

36、　為了保護(hù)主芯片，在主芯片和L298N之間添加了6N137光耦隔離電路，故驅(qū)動電路包含了6N137隔離電路和L298N驅(qū)動電路兩部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　人機(jī)界面包括了鍵盤輸入模塊輸入控制信息以及顯示模塊顯示實時的電機(jī)運行狀態(tài)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 人機(jī)界面模

37、塊</p><p>　　5.任務(wù)劃分及程序大框圖</p><p>　　本控制器的主要任務(wù)有三個方面：一是等待并接收鍵盤輸入的控制命令；二是根據(jù)鍵盤輸入的控制命令控制步進(jìn)電機(jī)的加減速和正反轉(zhuǎn)；三是將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、參數(shù)和運行時間等信息顯示出來。程序框圖如圖5.1所示[5]。</p><p>　　程序的第一部分為系統(tǒng)初始化模塊，主要實現(xiàn)LPC2131的起動設(shè)置，包括初始

38、化中斷向量表、初始化堆棧、系統(tǒng)向量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化、外圍設(shè)備初始化、存儲器初始化和地址重映射初始化等操作。鍵盤掃描程序采用的是中斷控制，系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)處于無限循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時產(chǎn)生一個中斷，使系統(tǒng)從循環(huán)狀態(tài)轉(zhuǎn)入鍵盤識別程序，鍵盤識別程序?qū)⒆R別的輸入數(shù)據(jù)傳入步進(jìn)電機(jī)控制程序中，根據(jù)給定值調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，同時通過顯示程序?qū)㈦姍C(jī)狀態(tài)等信息顯示在12864顯示屏上。</p><p>

39、<b>　　圖5.1 程序框圖</b></p><p>　　電機(jī)控制程序主要功能是控制步進(jìn)電機(jī)的加減速。步進(jìn)電機(jī)有四種工作狀態(tài)：停止、加速、運行和減速。各狀態(tài)之間的切換通過判斷臨界條件來實現(xiàn)。在相同狀態(tài)下，根據(jù)加減速算法分別計算每步脈沖時間間隔，通過Timer中斷來控制輸出脈沖，實現(xiàn)電機(jī)的加減速控制。加減速狀態(tài)控制流程圖如圖5.2所示[6]。</p><p>　　圖5

40、.2 加減速狀態(tài)控制流程圖</p><p>　　根據(jù)以上描述，獲得加減速控制程序的流程圖分別如圖5.3a和5.3b所示[7]。</p><p>　　a. 加速控制程序流程圖 b. 減速控制程序流程圖</p><p>　　圖5.3 加減速控制程序流程圖</p><p>　　6.PCB設(shè)計及成本估算</p

41、><p>　　根據(jù)硬件設(shè)計框圖，將電源電路、主芯片電路、復(fù)位電路、通訊接口電路、光耦隔離電路和電機(jī)控制電路集成在一塊控制板上，而鍵盤輸入電路和LCD顯示模塊則作為外接板，通過GPIO管腳與主控制板相連。</p><p>　　電源電路包括5.0V變壓電路和3.3V變壓電路，主芯片電路包括LPC2131的最小系統(tǒng)電路以及預(yù)留的連接鍵盤模塊、LCD顯示模塊和通訊接口的I/O管腳，復(fù)位電路只需要連接復(fù)

42、位開關(guān)及保護(hù)電阻，光耦隔離電路需要設(shè)置三路6N137及其相關(guān)電路，電機(jī)控制電路需要L298N及其相關(guān)電路，根據(jù)所有元器件的大小以及大概數(shù)量，設(shè)置核心控制板為8mm×13mm的雙層PCB板。</p><p>　　鍵盤輸入模塊初步設(shè)置的按鍵有啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、0到9、小數(shù)點、調(diào)速、確定、運行時間等約20個按鍵，加上BC7281B、74HC164及其周邊電路，設(shè)置鍵盤模塊大小為6mm×6mm的

43、雙層PCB板。</p><p>　　12864LCD顯示模塊是已經(jīng)集成好的模塊，只需要在使用時與核心控制板的相關(guān)管腳連接即可。</p><p>　　經(jīng)查詢，控制器的主要元器件價格如表6.1所示。</p><p>　　另外，電路中的貼片電阻電容和其他元器件每張的價格粗略估計的20元以內(nèi)，以20元為標(biāo)準(zhǔn)，則每套控制器的元器件費用大約為108.3元。</p>

44、<p>　　而PCB打樣，將主控制板和鍵盤模塊拼接在一起制版，初期工程費約為200元，制板每塊板價格約為8mm×19mm×0.05=7.6元。以100套控制器為標(biāo)準(zhǔn)，PCB制板總價約為200+7.6×100=276元，元器件價格總約為108.3×100=10830元。</p><p>　　綜上可知，100套控制器的成本約為276+10830≈11100元。<

45、;/p><p><b>　　7.總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計為以ARM7系列的LPC2131芯片為核心的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計，控制器主要用于對步進(jìn)電機(jī)的加減速進(jìn)行控制，設(shè)計一共包括了兩個部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要分為電源模塊、主芯片模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、電機(jī)控制模塊五大部分，論文中對每個電路的作用、采用的主要芯片、電路之間的關(guān)系都進(jìn)行了詳細(xì)的論

46、述。軟件設(shè)計主要包括鍵盤掃描和識別程序、顯示程序、步進(jìn)電機(jī)加減速程序三大部分，論文中對整個程序的流程和各主要程序的作用都進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。另外，文中也對每套控制器的大致價格進(jìn)行了調(diào)研，對生產(chǎn)100套控制器的成本進(jìn)行估算。本控制器可以用于一般的工業(yè)控制中的步進(jìn)電動機(jī)控制，由于具有人機(jī)界面，可以減少上位機(jī)的投入，具有更好的可操作性。</p><p>　　通過本次設(shè)計，我學(xué)到了不少東西：首先，由于本次設(shè)計為步進(jìn)電機(jī)的控

47、制器設(shè)計，必須對步進(jìn)電機(jī)的工作原理、加減速控制方法等有一個比較深入的了解，這就讓我對步進(jìn)電機(jī)的認(rèn)識從書面提升到了顯示應(yīng)用的高度，對步進(jìn)電機(jī)有了更深層次的理解；其次，本次設(shè)計涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計從確定應(yīng)用需求到元器件選擇、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和硬軟件整合的全部內(nèi)容，讓我對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計有了一個更直觀的認(rèn)識，也通過親身的實踐了解了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，對以后的工作實踐有很大的實際意義；另外，本次設(shè)計也讓我對一些硬件芯片的應(yīng)用有了一個比較深刻

48、的認(rèn)識，如ARM7系列芯片LPC2131的一些特性和功能、L298N電機(jī)控制芯片的功能和外圍電路設(shè)置、光耦隔離芯片6N137的功能和外圍電路連接方式、鍵盤控制芯片BC7281B的使用方法和與主芯片的連接方式、LCD顯示模塊12864的驅(qū)動和使用方法等，是在硬件學(xué)習(xí)道路上很大的一個積累；最后，由于系統(tǒng)需要控制系統(tǒng)，所以在控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，讓我對UCOS—II操作系統(tǒng)也有了一定的認(rèn)識，嵌入式操作系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢等有了比較深刻的了解，同時也對

49、ARM系列編程軟件ADS有了一定的涉獵，了解了ARM系列</p><p>　　本次設(shè)計依然存在很大的不足，以下給出幾個需要改進(jìn)和努力的方向：</p><p>　　（1）文中的步進(jìn)電機(jī)采用的是開環(huán)控制，雖然步進(jìn)電機(jī)使用開環(huán)控制具有較高的精度，但是依然存在一定的誤差，可以將開環(huán)系統(tǒng)改為閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PID傳統(tǒng)控制方法或者模糊控制等智能控制方法進(jìn)行控制，以獲得更好的控制效果[8]；</

50、p><p>　?。?）本設(shè)計為兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)專用控制器，可以通過改進(jìn)控制器硬件和軟件，使得控制器對于大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)如一相、三相步進(jìn)電機(jī)都能進(jìn)行控制，使控制器具有更高的適用性；</p><p>　?。?）控制器不支持以太網(wǎng)，可以采用更高級的ARM系列芯片如基于ARM Cortex—M3的LM3S9B96芯片進(jìn)行控制，使得控制器可以支持以太網(wǎng)，實現(xiàn)上位機(jī)與控制器的遠(yuǎn)程連接和遠(yuǎn)程控制。<

51、;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 坂本正文著. 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2010: 1-4. </p><p>　　[2] 謝麗娟. 基于ARM的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 山西電子技術(shù), 2012, 5: 32-33. </p><p>　　[3] 王曉明, 王玲

52、著. 電動機(jī)的DSP控制: TI公司DSP應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.7:275-276.</p><p>　　[4] 孫祥國. 基于ARM單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 測控技術(shù), 2007, 6: 71-73.</p><p>　　[5] 黃杰, 黃秉錬, 羅曉曙等. 基于ARM的多功能步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息技術(shù), 2009, 9: 15

53、3-155, 159. </p><p>　　[6] 羅鑫, 張峰. 基于ARM Cortex—M3的步進(jìn)電機(jī)線性速度控制的實現(xiàn)[J]. 電氣自動化, 2009, 35(5): 42-44. </p><p>　　[7] 房明玉, 杭柏林. 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2006, 33(4): 61-64.</p><p>　　[8]