基于MCU的直流電機測試系統(tǒng)設計

　　本系統(tǒng)用于測試直流電機控制器的功能和性能。測試內(nèi)容主要包括測試控制器的電流 值、速度值和PWM 輸出的波形變化等。測試系統(tǒng)采集到這些值后，通過串口發(fā)送給PC 方顯示，能夠方便用戶監(jiān)看、分析。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)測試直流串勵電機控制器和直流他勵電機控制器的性能和功能。

　　本測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)部分由主控芯片 MC68HC908GP32 最小系統(tǒng)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、 SCI 通信電路、光電隔離控制電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路和繼電器驅(qū)動電路等部分組成。該系統(tǒng)能對多種模擬量進行采集，通過信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0-5V 的電壓信號，再將電壓信號送入A/D 轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。為了節(jié)約I/O 口，本系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換芯片采用2 片TLC2543 , 第I 片用于模擬量輸入，負責采集各傳感器的值，第II 片用于采集各開關的狀態(tài);本測試系統(tǒng)經(jīng)常要讀取電機的當前速度，且精度要求比較高，所以采用輸入捕捉的方式采集測功機的 轉(zhuǎn)速;同時系統(tǒng)需要采集24V 開關的狀態(tài)，而負責采集的MCU 子系統(tǒng)的工作電壓是SV，為 了保障MCU 的正常工作，所以需要采用光電隔離電路來實現(xiàn)24V 到5V 的轉(zhuǎn)換。

　　2.系統(tǒng)的硬件設計

　　本系統(tǒng)選擇了 Freescale Semiconductor 公司的MC68HC908GP32 處理器作為整個測試系統(tǒng)的主控芯片，它是Motorola 的新型08 系列單片機中的一種通用芯片。具有一速度快、功能強和價格低等優(yōu)點，并且向下兼容原有的M68HC05 系列單片機，極大地維護了用戶的利 益，而目‘新一代的M68HC08 系列機種按各種型號帶有小同大小的片內(nèi)閃速(FLASH)存儲器，具有非常高的性價比。根據(jù)小同的應用，08 系列單片機分出很多型號，而本設計采用 的MC68HC908GP32 單片機在標準08 單片機核心的基礎上，增加了增強型的串行通訊接口 SCI 和串行外圍接口SPI。

　　2.1 串行通信SCI 電路

　　串行通信是計算機系統(tǒng)中常用的通信機制之一，在MCU 中，若用RS-232C 總線進行串行通信，則需外接電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。在發(fā)送端需要用驅(qū)動電路將TTL 電平轉(zhuǎn)換成RS-232C 電平，在接收端需要用接收電路將RS-232C 電平轉(zhuǎn)換為TTL 電平。電平轉(zhuǎn)換器小僅可以由品體管分立元件構(gòu)成，也可以直接使用集成電路，本系統(tǒng)中使用MAX232 芯片來實現(xiàn)。 MAX232 芯片簡單易用，單+5V 電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從TTL 電平到RS-232 電平的轉(zhuǎn)換， PC 通過設置不同的協(xié)議同時與本系統(tǒng)和電機控制器進行串行通信。PC 發(fā)出 的數(shù)據(jù)，通過 MAX232 進行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)和電機控制器同時收到，然后根據(jù)幀頭決定是否對這些數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)和電機控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)由PC 接收。SCI 通信電路原理圖如圖2 所示。

　　數(shù)據(jù)發(fā)送過程:MCU 的TxD ( TTL 電平)經(jīng)過MAX232 的11 ( T1IN)送到MAX232 內(nèi)部，在內(nèi)部TTL 電平被“提升”為232 電平，通過14 CTIOUT)發(fā)送出去。接收過程:內(nèi)音下， 在內(nèi)部狗RxD，進入外部232 電平經(jīng)過MAX232 的13 (R1IN)進入到MAX232 的232 電平 被“降低”為TTL 電平，經(jīng)過12 CR10UT)送到MCUMCU 內(nèi)部。

　　2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路

　　模擬量采集是測控系統(tǒng)的一個重要組成部分，本系統(tǒng)采用2 片TLC2543，第I 片用于模擬量輸入，負責采集各傳感器的值，第II 片用于采集各開關的狀態(tài)。圖3 給出了利用SPI 及MCU 的PTC 口的PTCO-PTC 1 擴展兩片TLC2543 的電路原理圖。其中第I 片TLC2543 的片選接MCU 的PTCO、第II 片TLC2543 的片選接MCU 的PTC l。每片TLC2543 可接 11 路模擬量輸入，這樣本系統(tǒng)中的A/D 轉(zhuǎn)換電路可外接22 路模擬量。當有更多路數(shù)模擬量需要輸入時，可以按此方法繼續(xù)擴展。該電路適用于模擬量路數(shù)較多、且對實時性要求不是 太高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　由于 TLC2543 對采樣的模擬數(shù)據(jù)的分辨率為12 位，包括TLC2543 及其他IC 的電源端 必須用一個0.1 uF 的陶瓷電容連接到地，用作去耦電容。在噪聲影響較大的環(huán)境中，也可以在0.1 uF 的陶瓷電容端再并聯(lián)一個lOuF 的鈕電容，以減小噪聲對器件的影響，其電路設計圖如圖3 所示。

　　圖3 基于SPI 的A/D 轉(zhuǎn)換擴展電路

　　2.3 電源轉(zhuǎn)換電路

　　本系統(tǒng)是 24V 直流電壓供電，而MC68HC908GP32 是5V 供電，使用的光電編碼器需 12V 工作電壓，所以需要設計將24V 轉(zhuǎn)換為5V 和12V 的電壓轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)使用的是 LM2575 系列開關穩(wěn)壓集成電路，LM2575 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的1A 集成穩(wěn)壓電路， 其原理圖如圖4 所示。

　　3.電機控制系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計，實現(xiàn)功能細分，一方面可提高軟件的移植性和升級性，另一方面增強軟件的易測試性。軟件的總體架構(gòu)包括二部分:主程序、相關子程序和輔助文件， 全部采用08C 語言編程。軟件結(jié)構(gòu)是以主程序為主，通過函數(shù)調(diào)用和全局變量與子程序進行參數(shù)傳遞。主控MCU 方軟件主程序是一個死循環(huán)結(jié)構(gòu)，MCU 方軟件主程序的流程圖見前面章節(jié)中的圖5，每一次控制過程的銜接通過定時器中斷來完成。子程序包括了芯片初始 化程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、輸入捕捉程序、PWM 輸出程序、串行通信程序、開關驅(qū)動程序和中斷處理程序。

　　3.1 芯片初始化子程序

　　芯片初始化子程序_C08Setup.c 主要是完成內(nèi)部總線頻率Fbus 的設置、I/O 口初始化、 串行口初始化、A/D 轉(zhuǎn)換初始化、中斷控制和狀態(tài)寄存器初始化、定時器初始化的工作。由于MC68HC908GP32 外部晶振f=32.768kHz ，則系統(tǒng)產(chǎn)生內(nèi)部總線時鐘頻率為 fbus=2.4576MHz。程序首先設置CONFIG2=Ob00000001，CONFIGI=Ob00111101 接下來進行PLL 的編程，過程如下:

　　① 禁止 PLL:清零PLL 控制寄存器PCTL

　　② 將 P, E 寫入PCTL

　　③ 將 N 寫入PMSH, PMSL

　　④ 將 L 寫入PVRS

　　⑤ 將 R 寫入PRDS

　　⑥ 置 PCTL.PLLON=1,啟動PLL 電路并激活VCO 時鐘CGMVCLK

　　⑦ 置 PBWC. AUTO=1 (即:自動帶寬控制位)，自動方式

　　⑧ 置 PCTL.BCS=1，選擇PLL 為時鐘源，CGMOUT=CGMV CLK/2

　　3.2 A/D 轉(zhuǎn)換子程序

　　模擬量采集是測試系統(tǒng)的一個重要組成部分。系統(tǒng)要求底層軟件能夠?qū)δM量和開關量信號進行監(jiān)控，同時也要求能夠?qū)Σ糠中盘栠M行高速數(shù)據(jù)采集。每當運行A/D 轉(zhuǎn)換程序 ADC11P.c 時，MC68HC908GP32 通過SPI 模塊控制A/D 轉(zhuǎn)換器的工作。首先， MC68HC908GP32 將A/D 轉(zhuǎn)換通道號放入控制字的高字節(jié)，并定義輸出數(shù)據(jù)的格式為16 位， 以MSB 方式送出二進制數(shù)據(jù);接著將控制字寫到SPI 的數(shù)據(jù)寄存器，發(fā)送給TLC2543，在控 制字傳送過程中，MC68HC908GP32 保持等待狀態(tài)，直到其發(fā)送完畢，至此發(fā)送過程結(jié)束。 隨后等待接收TLC2543 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當判斷接收標志位為1 時，從SPI 的數(shù)據(jù)寄存器 接收數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)存放到預先分配好的內(nèi)存空間。由十每次從TLC2543 取出的數(shù)據(jù)是上一周期的數(shù)據(jù)，所以上述過程中NE64 所取得的數(shù)據(jù)僅僅是上次轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)。接下 來，MC68HC908GP32 只要通過向SPI 的數(shù)據(jù)寄存器中寫入任意的字節(jié)，并重復上述發(fā)送等待和接收等待的過程，即可取得上次轉(zhuǎn)換結(jié)果的低字節(jié)，將其存入緊接高字節(jié)之后的地址空間，其流程如圖5 所示。

　　3.3 串行通信子程序

　　串行通信子程序 SCL.c 主要完成SCI 初始化，波特率設置、通信格式設置、發(fā)送接收數(shù)據(jù)方式的設置等，由SCI 初始化、接收1 字節(jié)、發(fā)送1 字節(jié)、接收n 字節(jié)和發(fā)送n 字節(jié)函數(shù)組成。在上下位機通過RS232 進行串行通訊之前，需要對串口工作方式以及所采用的波特率進行設置:

　　(1)串行口工作方式設定:將串行口設置為工作方式即10 位為一幀的異步串行方式。共包 括1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位和1 個停止位，允許SCI、正常碼輸出、8 位數(shù)據(jù)、無校驗，即 設SCC1=Ob01000000; 同時設置允許發(fā)送、允許接收，查詢方式收發(fā)， 即設 SCC2=0b00001100。

　　(2)波特率設定:本控制器采用的波特率為9600，經(jīng)過計算有SCBR=0b00000010。

　　4.結(jié)論

　　本文創(chuàng)新點：本文在MCU MC68HC908GP32 的基礎上設計并實現(xiàn)了平臺及外圍電路的設計，并給出MCU 方軟件實現(xiàn)的總體原則，接著對各個子程序功能進行了分析與設計，最后給出數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳送過程中的串行通信協(xié)議設計的思想。鑒于目前國內(nèi)外各科研單位所研制的主要是電機自動測試系統(tǒng)，它僅用于電機的某特定試驗，功能比較單一，本系統(tǒng)在該領域有一定獨創(chuàng)性。