直流電機監(jiān)控閉環(huán)轉速系統(tǒng)的實現(xiàn)，直流電機，PIC，RS232／SPI總線，脈寬調制1引言直流電機監(jiān)控系統(tǒng)是機電產品中的重要環(huán)節(jié)，其控制性能反映了機電設備的控制質量。靈活、方便、準確、實時的監(jiān)控需要對電機的轉速信號進行測量和處理，以達到精確控制轉速的目的。 2系統(tǒng)總體設計ARMDSPFPGA雖精度高、速度快，但設計復雜，價格也一直居高不下。本系統(tǒng)采用一種適用于小容量存儲器單片機（如PIC系列）系統(tǒng)且功能強大的RTO—Salvo。無需擴展大量的RAM和ROM并且實時性好。大大節(jié)省了成本。系統(tǒng)選用 PC機作為上位引言直流電機監(jiān)控系統(tǒng)是機電產品中的重要環(huán)節(jié)，其控制性能反映了機電設備的控制質量。靈活、方便、準確、實時的監(jiān)控需要對電機的轉速信號進行測量和處理，以達到精確控制轉速的目的。系統(tǒng)總體設計ARPDSPFPGAS精度高、速度快，但設計復雜，價格也一直居高不下。本系統(tǒng)采用一種適用于小容量存儲器單片機（如PIC系列）系統(tǒng)且功能強大的RTO—Salvo。無需擴展大量的RAM和ROM并且實時性好。大大節(jié)省了成本。系統(tǒng)選用PC機作為上位機，運用API函數(shù)及MSCOM控件實現(xiàn)計算機通信。PIC16F877A單片機及外圍電路組成一個單片機系統(tǒng)。作為下位機。電路設計包括PWMg動、CCP甫捉、A/D模數(shù)轉換、LCD液晶顯示、RS232和SPI串行通訊以及下位機雙機通信模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。Salvo系統(tǒng)簡介嵌入式實時操作系統(tǒng)Salvo具有占用系統(tǒng)資源少和功能強大兩大特點Salvo占用的系統(tǒng)資源Salvo最大的特點是占用系統(tǒng)資源少，特別是占用存儲器資源極少。它不但適用于51系列單片機，也適用于存儲器資源更少的 PIC系列單片機。Salvo占用ROM資源取決于用戶調用的系統(tǒng)函數(shù)，占用RAM取決于用戶定義的變量、任務和事件的數(shù)量。以PIC16系列單片機為例，每個全局變量占10B，任務占5B，事件占3B。Salvo功能和性能Salvo是一個基于優(yōu)先級任務切換、支持事件驅動的多任務嵌入式實時操作系統(tǒng)。Salvo共支持16個任務優(yōu)先級，且多個任務可共用一個優(yōu)先級，任務按優(yōu)先級高低切換，對于多個同一優(yōu)先級的任務則以時間片循環(huán)方式（round-robin）切換。Salvo支持任務和事件的數(shù)量取決于RAM勺大小（Salvo默認支持255個任務、255個事件和255個消息隊列）。Salvo內核主要提供以下幾類函數(shù)供用戶應用程序引用：任務管理：提供任務建立、任務撤消功能；時間管理：提供任務延時函數(shù)功能；信號管理：提供信號量建立、刪除、等待、發(fā)出等功能；消息管理：提供消息建立、刪除、等待、發(fā)出等功能。系統(tǒng)硬件總述通訊部分主要由兩部分組成：單片機與PC機以及PIC單片機之間的通訊。PC機與下位單片機間互傳數(shù)據(jù)采用RS232串行異步通信方式。而PIC單片機之間的通訊則采用SPI總線，它是主要用于處理器和外設同步串行通信的4線接口。采用同步時鐘把串行數(shù)據(jù)以8位碼的形式移入和移出微控制器。SPI總線是一種主／從接口，主接口驅動串行時鐘。在使用SPI時，會同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使其成為一種全雙工協(xié)議，通訊效率高，而且電路連線及軟件編程結構簡單。硬件電路如圖2、圖3所示，其單元電路包括CCP甫捉電路、PWM驅動電路、RS232/SPI通訊模塊、A/D轉換算法及LCD顯示等。CCP甫捉電路光電采集模塊中，采用光電器件具有高轉換精度、良好的靜態(tài)工作點、完整的模擬前端以及片內校正，特別適用于測量低頻小信號。該電路將光信號轉換成電壓信號，再經過整形濾波就可直接送至單片機。送往單片機的轉速信號可通過CCPI捕捉模塊測量出轉速。在該模式下，若要采用捕捉功能應將相應的 TRIS置為1,將單片機CCP）引腳設置為輸入。例如，輸入頻率穩(wěn)定時，將單片機預分頻值設置為1:16，則這16個周期的總誤差為1個TCY其有效分辨率為TCY/16,即在40MHz時有效分辨率為6.25ns。只有在輸入頻率在16個采樣周期內均穩(wěn)定的情況下，這一方法才有效。不使用預分頻器（1：1）時，每個采樣分辨率為TCY而且當改變捕捉模式時，產生一個捕捉中斷。用戶應保持CCPxIE位清零以禁止這種中斷，還應在運行模式改變后將 CCPxIF位清零。整個捕捉過程快捷、簡單。PWM驅動模塊PIC16F877A單片機產生的PWM信號經過光電耦合器連接到L298N的使能控制端?？紤]到TLP521-4電路具有反相器作用，PW信號中的高電平持續(xù)時間對應直流電機的斷電時間。從單片機其他引腳輸出的信號送入 L298N的方向控制端，控制直流電機的轉動方向和制動狀態(tài)。L298N驅動負載的電源電壓最大為46V，單橋的驅動電源接近2A，最大開關頻率不小于40kHz。與由分立元件構成的橋式驅動電路相比，該電路結構簡單，性能可靠。通過改寫程序，可以控制小型直流電機的多種變速。使用光電編碼器實現(xiàn)電機速度檢測，構成了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。RS232串行通訊模塊PIC16F877A串行口僅占用了單片機的RC6和RC7引腳，用于接收端RXD和發(fā)送端TXD因此在上位機計算機與下位機單片機通信時，只需將收發(fā)信號 （TX、RX）及地（GND3根線相連即可。單片機的串行接口電平為 TTL電平，這與計算機的串行接口電平不一致，因此需要電平轉換。系統(tǒng)選用了 Maxim公司的MAX232!用串行接收/發(fā)送驅動器，其外圍電路簡單，只需外接 4只0.1卩F的電容即可。LCD顯示模塊模塊SMC1602由一塊點陣液晶屏和控制器HD44780及其輔助電路組成。本系統(tǒng)設計采用OCM中文模塊系統(tǒng)LCD液晶作為下位機的顯示模塊。該模塊內含GB231216X16點陣國標一級簡體漢字和ASCII8X8（半高）及8X16（全高）點陣形英文字庫，用戶輸入?yún)^(qū)位碼或ASCII碼可實現(xiàn)文本顯示。OCM中文液晶顯示模塊采用ASQANSWE握手方式。系統(tǒng)軟件總述下位機軟件設計智能電機監(jiān)控系統(tǒng)的下位機軟件設計主要完成CCPB捉、A/D采集、PWMI制、SPI通訊、LCD顯示、RS232通訊等多個功能?？傮w流程框圖如圖4所示，控制算法是利用PIC16F877A直接控制PID參數(shù)，實現(xiàn)精確控制。上位機系統(tǒng)設計上位機系統(tǒng)軟件是在Windows平臺上利用Vi-sualBasic6.0開發(fā)的，設計包括了操作提示部分（自動發(fā)送、手動發(fā)送、串口選擇、奇偶校驗、波特率、數(shù)據(jù)位等）、接收回顯部分（接收數(shù)據(jù)位、電機轉速、電機正反轉等）以及發(fā)送內容部分（電機轉速設定、過壓、過流保護值等）。監(jiān)控電機工作時上、下位機實時通訊，顯示的參數(shù)值實時性好，此時電機正處在反轉狀態(tài)（正轉“1”、反轉“0”），這一方面可以從上位機界面中的正反轉設定標志看出，另一方面下位機回饋的參數(shù)中也有電機正反轉標志，下位機的液晶面板也同樣有轉速、電壓、電流及正反轉顯示（正轉“Right”、反轉“Left”），并且上、下位機的數(shù)據(jù)顯示是同步的。與此同時，可通過上位機對下位機設定的過流過壓保護值，一旦電路檢測到任一過流或者過壓時（超過設定值），下位機控制單元就會發(fā)出報警信號（紅燈亮、蜂鳴器響、上位機出現(xiàn)錯誤標志、下位機的液晶上也會出現(xiàn)錯誤提示等）