GP32在直流電機(jī)控制器測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)

1．系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用于測試直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)測試直流串勵(lì)電機(jī)控制器和直流他勵(lì)電機(jī) 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(dòng)電路等部分組成。該系統(tǒng)能 對(duì)多種模擬量進(jìn)行采集，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0-5V 的電壓信號(hào)，再將電壓信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換電路，實(shí)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(fù)責(zé)采集各傳感器的值，第II 片用于采集各開關(guān)的狀態(tài);本測試系 統(tǒng)經(jīng)常要讀取電機(jī)的當(dāng)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(jī)的 轉(zhuǎn)速;同時(shí)系統(tǒng)需要采集24V 開關(guān)的狀態(tài)，而負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)24V 到5V 的轉(zhuǎn)換。

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇了 Freescale Semiconductor 公司的MC68HC908GP32 處理器作為整個(gè)測試系 統(tǒng)的主控芯片，它是Motorola 的新型08 系列單片機(jī)中的一種通用芯片。具有一速度快、功 能強(qiáng)和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，并且向下兼容原有的M68HC05 系列單片機(jī)，極大地維護(hù)了用戶的利 益，而目‘新一代的M68HC08 系列機(jī)種按各種型號(hào)帶有小同大小的片內(nèi)閃速（FLASH）存儲(chǔ) 器，具有非常高的性價(jià)比。根據(jù)小同的應(yīng)用，08 系列單片機(jī)分出很多型號(hào)，而本設(shè)計(jì)采用 的MC68HC908GP32 單片機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)08 單片機(jī)核心的基礎(chǔ)上，增加了增強(qiáng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的通信機(jī)制之一，在MCU 中，若用RS-232C 總線進(jìn)行串行通信，則需外接電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。在發(fā)送端需要用驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。 MAX232 芯片簡單易用，單+5V 電源供電，僅需外接幾個(gè)電容即可完成從TTL 電平到RS-232 電平的轉(zhuǎn)換， PC 通過設(shè)置不同的協(xié)議同時(shí)與本系統(tǒng)和電機(jī)控制器進(jìn)行串行通信。PC 發(fā)出 的數(shù)據(jù)，通過 MAX232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)和電機(jī)控制器同時(shí)收到，然后根據(jù)幀頭決定 是否對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)和電機(jī)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(jìn)入外部232 電平經(jīng)過MAX232 的13 （R1IN）進(jìn)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(gè)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(fù)責(zé)采集各傳感器的值，第II 片用于采集各開關(guān)的狀態(tài)。圖3 給出了利用SPI 及MCU 的PTC 口的PTCO-PTC 1 擴(kuò)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(dāng)有更多路數(shù)模擬量 需要輸入時(shí)，可以按此方法繼續(xù)擴(kuò)展。該電路適用于模擬量路數(shù)較多、且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是 太高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

由于 TLC2543 對(duì)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(gè)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(gè)lOuF 的鈕電容，以減小噪聲對(duì)器件的影響，其電路設(shè) 計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 基于SPI 的A/D 轉(zhuǎn)換擴(kuò)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(shè)計(jì)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(guān)穩(wěn)壓集成電路，LM2575 是美國國家半導(dǎo)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(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能細(xì)分，一方面可提高軟件的移植性和升級(jí)性，另 一方面增強(qiáng)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(guān)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?yàn)橹?，通過函數(shù)調(diào)用和全局變量與子程序進(jìn) 行參數(shù)傳遞。主控MCU 方軟件主程序是一個(gè)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(shí)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(guān)驅(qū)動(dòng)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(shè)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(shí)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(shí)鐘頻率為 fbus=2.4576MHz。程序首先設(shè)置CONFIG2=Ob00000001，CONFIGI=Ob00111101 接下來進(jìn) 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(dòng)PLL 電路并激活VCO 時(shí)鐘CGMVCLK

⑦ 置 PBWC. AUTO=1 （即：自動(dòng)帶寬控制位），自動(dòng)方式

⑧ 置 PCTL.BCS=1，選擇PLL 為時(shí)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(gè)重要組成部分。系統(tǒng)要求底層軟件能夠?qū)δM量和開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也要求能夠?qū)Σ糠中盘?hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。每當(dāng)運(yùn)行A/D 轉(zhuǎn)換程序 ADC11P.c 時(shí)，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(hào)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(jìn)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(dāng)判斷接收標(biāo)志位為1 時(shí)，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(yù)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(fù)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(shè)置、通信格式設(shè)置、發(fā)送接收 數(shù)據(jù)方式的設(shè)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(jī)通過RS232 進(jìn)行串行通訊之前，需要對(duì)串口工作方式以及所采用的 波特率進(jìn)行設(shè)置：

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

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

結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文在MCU MC68HC908GP32 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)及外圍電路的 設(shè)計(jì)，并給出MCU 方軟件實(shí)現(xiàn)的總體原則，接著對(duì)各個(gè)子程序功能進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)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(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)，它僅用于電機(jī)的某特定試驗(yàn)，功能比較單一，本系統(tǒng)在 該領(lǐng)域有一定獨(dú)創(chuàng)性。