直流電機調速系統(tǒng)設計.doc

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1、.嵌入式系統(tǒng)原理與應用綜合設計直流電機調速系統(tǒng)設計系 部：電子與信息工程系專業(yè)班級：姓 名：學 號：小組成員：指導教師：完 成 日 期 2012年 月目錄1 緒論11.1 課題設計背景11.2 課題研究的目的和意義12 課程設計要求及實驗設備與器材22.1 課程設計題目22.2 課程設計目的22.3 設計任務22.4 直流電機調速系統(tǒng)工作流程22.5 實驗設備與器材33 硬件系統(tǒng)設計43.1 設計系統(tǒng)原理框圖及介紹43.2 LM3S2110微控制器43.2.1 簡介43.2.2 特性53.3 1602液晶顯示63.3.1 簡介63.3.2 管腳功能63.3.3 操作控制73.3.4 基本操作時

2、序73.4 脈寬調制器83.4.1 結構圖83.4.2 PWM定時器93.4.3 輸出控制模塊93.4.4 初始化和配置93.5 原理電路圖114 軟件設計方案124.1 程序流程圖124.2 調試過程124.3 遇到的問題及解決134.4 示波器波形135 運行結果145.1 結果分析146 體會與收獲15參考文獻16附錄1、管腳圖17附錄2、程序清單172012.6 上海師范大學天華學院電子信息工程系ARM綜合設計 191 緒論1.1 課題設計背景在現代電子產品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設備，家用電器，電子玩具等方面，直流電機都得到了廣泛的應用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄音機、電子計算機

3、等。都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術。直流電機，大體上可分為四類：幾項繞組的步進電機、永磁式迅速換流器直流電機、伺服電機、兩相低電壓交流電機。直流電機具有良好的啟動性能和調速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經濟的轉速，轉速控制容易，調速后效率很高。適用范圍：數控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械。、物流輸送設備、機車車輛、醫(yī)療設備、通訊設備、雷達設備、衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應用。1.2 課題研究的目的和意義直流電機是計算機、通訊設備、

4、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的儀器。隨著人們文化生活水平的提高，人民在不斷的追求高質量生活的同時大都在密切的關注著我們的民族產業(yè)的發(fā)展前景。而直流電機的發(fā)展雖是一個極小部分但也可以反映出我國民族產業(yè)發(fā)展的現狀。我國在很多的方面都已不在是過去那個很貧窮落后的國家，但是關系著我們國計民生的民族產業(yè)的發(fā)展卻是不盡人意，不能不成為今天令人注目的焦點。通過本次課程設計，運用已學的課程知識，根據題目要求進行軟硬件系統(tǒng)的設計和調試，對嵌入式系統(tǒng)原理與應用課程中涉及的芯片結構、控制原理、硬件和編程方面有一定的感性認識和實踐操作能力，從而加深對本課程知識點的理解，使自身應用只是能力、設計能力、調試能力以及報告

5、撰寫能力等方面有顯著的提高。2 課程設計要求及實驗設備與器材2.1 課程設計題目 直流電機調速系統(tǒng)設計2.2 課程設計目的課程設計是完成教學計劃達到本科生培養(yǎng)目標的重要環(huán)節(jié)，是教學計劃中進行綜合訓練的重要實踐環(huán)節(jié)，是有助于培養(yǎng)應用性人才的一種教學形式，它將使學生在綜合運用所學知識，解決本專業(yè)方向的實際問題方面得到系統(tǒng)性的訓練。 2.3 設計任務本設計選用LM3S2110作為微控制器，并通過對硬件和軟件兩方面的設計，結合LCD液晶顯示屏、按鍵、LED燈以及直流電機，來實現直流電機調速系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)上的應用與開發(fā)。本設計利用脈寬調制器，通過改變PWM脈寬的占空比來進行直流電機的調速，并通過LCD

6、液晶顯示屏顯示測量結果。論文中闡述了相關的硬件原理與應用方案，并在其基礎上敘述了軟件設計和調試的過程，最終結合硬件和軟件完成了本次設計。 2.4 直流電機調速系統(tǒng)工作流程利用實驗系統(tǒng)的資源來設計一個“直流電機調速系統(tǒng)”?？刂泼姘灏ǎ核奈粩荡a顯示、十個數字按鍵鍵盤、電源按鍵、電源指示燈、兩個速度增減鍵和一個運行鍵。工作流程如下：(1) 按下電源鍵，電源指示燈亮；(2) 按運行鍵，電機運轉。按速度增鍵，電機速度加快；按速度減鍵，電機速度減慢；(3) LED實時顯示當前的電機的速度；(4) 運行過程中，若再按下電源鍵，則系統(tǒng)停止工作，電源指示燈滅。(5)停止工作后，若再按下電源鍵，則系統(tǒng)重新開始工

7、作2.5 實驗設備與器材 （1）ARM開發(fā)板LM3S2110 （2）1602液晶顯示 （3）Magic ARM2200 實驗開發(fā)平臺 圖1 ARM開發(fā)板圖2 Magic ARM2200 實驗開發(fā)平臺3 硬件系統(tǒng)設計3.1 設計系統(tǒng)原理框圖及介紹圖3 系統(tǒng)框圖3.2 LM3S2110微控制器3.2.1 簡介本次設計任務所使用到的是LM3S2110微控制器，這款微控制器是基于ARM Cortex-M3 內核的微控制器，它為對成本尤其敏感的嵌入式微控制器應用方案帶來了高性能的32位運算能力。該系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照定位的選擇，適用于各種明確要求具有的過程控制以及連接能力的

8、應用方案。Cortex-M3內核主要是應用于小管腳數、低成本和低功耗的場合，并且具有極高的運算能力和極強的中斷能力。Cortex-M3采用了新型的單線調試技術，專門拿出一個引腳來做調試，節(jié)約了大筆的調試工具費用。同時，Cortex-M3可以直接在MCU外連接Flash，降低了設計難度和應用障礙，因此其發(fā)展趨勢亦不容小覷。3.2.2 特性 LM3S2110微控制器包含了下列特性：32位RISC性能、內部存儲器、通用定時器。3個 通用定時器模塊（GPTM），每個模塊都能提供2個16位的定時器/計數器。 每個通用定時器模塊都能夠被設置為獨立運作的定時器或事件計數器（總共有8個）可用作單個32位的定時

9、器（最多4個）或者用作單個32位的實時時鐘（RTC）以捕獲事件，或者用作脈寬調制輸出（PWM） 16位定時器模式 通用定時器功能，并帶一個8位的預分頻器 可編程單次觸發(fā)定時器 可編程周期定時器 在調試的時候，當控制器發(fā)出CPU暫停標志時，用戶可設定暫停周期或者單次模式下的計數16位輸入捕獲模式 提供輸入邊沿計數捕獲功能 提供輸入邊沿時間捕獲功能16位PWM模式 簡單的PWM模式，對PWM信號輸出的取反可由軟件編程決定1個 PWM信號發(fā)生模塊，每個模塊都帶有1個16位的計數器、2個比較器, 1個PWM信號發(fā)生器、以及一個死區(qū)發(fā)生器 1個16位的計數器 運行在遞減或遞增/遞減模式 輸出頻率由一個1

10、6位的裝載值控制 可同步更新裝載值 當計數器的值到達零或者裝載值的時候生成輸出信號 2個 PWM比較器3.3 1602液晶顯示3.3.1 簡介 所謂1602是指顯示的內容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符。目前市面上字符液晶絕大多數是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。 圖4 液晶屏3.3.2 管腳功能 字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，引腳定義如下表所示： 圖5

11、引腳3.3.3 操作控制 HD44780內置了DDRAM、CGROM和CGRAM。 DDRAM就是顯示數據RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。共80個字節(jié)，其地址和屏幕的對應關系如下表： 圖6 對應關系表圖7 關系對照表3.3.4 基本操作時序 讀狀態(tài) 輸入：RS=L，RW=H，E=H 輸出：DB0DB7=狀態(tài)字 寫指令 輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=指令碼 輸出：無 讀數據 輸入：RS=H，RW=H，E=H 輸出：DB0DB7=數據 寫數據 輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=數據 輸出：無 3.4 脈寬調制器脈寬調制（PWM）是一項功能強大的技術

12、，它是一種對模擬信號電平進行數字化編碼的方法。在脈寬調制中使用高分辨率計數器來產生方波，并且可以通過調整方波的占空比來對模擬信號電平進行編碼。PWM通常使用在開關電源（switching power）和電機控制中。Stellaris PWM模塊由 1個 PWM發(fā)生器模塊 1個控制模塊組成。 PWM發(fā)生器模塊包含1個定時器（16位遞減或先遞增后遞減計數器），2個PWM比較器，PWM信號發(fā)生器，死區(qū)發(fā)生器和中斷選擇器。而控制模塊決定了PWM信號的極性，以及將哪個信號傳遞到管腳。PWM發(fā)生器模塊產生兩個PWM信號，這兩個PWM信號可以是獨立的信號（基于同一定時器因而頻率相同的獨立信號除外），也可以是

13、一對插入了死區(qū)延遲的互補（complementary）信號。PWM發(fā)生模塊的輸出信號在傳遞到器件管腳之前由輸出控制模塊管理。Stellaris PWM模塊具有極大的靈活性。它可以產生簡單的PWM信號，如簡易充電泵需要的信號；也可以產生帶死區(qū)延遲的成對PWM信號，如供半-H橋（half-H bridge）驅動電路使用的信號。3.4.1 結構圖圖8 PWM模塊的結構圖3.4.2 PWM定時器定時器都有兩種工作模式：遞減計數模式或先遞增后遞減計數模式。在遞減計數模式中，定時器從裝載值開始計數，計數到零時又返回到裝載值并繼續(xù)遞減計數。在先遞增后遞減計數模式中，定時器從0開始往上計數，一直計數到裝載值，

14、然后從裝載值遞減到零，接著再遞增到裝載值，依此類推。通常，遞減計數模式是用來產生左對齊或右對齊的PWM信號，而先遞增后遞減計數模式是用來產生中心對齊的PWM信號。PWM定時器輸出3個信號，這些信號在生成PWM信號的過程中使用：方向信號（在遞減計數模式中，該信號始終為低電平，在先遞增后遞減計數模式中，則是在低高電平之間切換）；當計數器計數值為0時，一個寬度等于時鐘周期的高電平脈沖；當計數器計數值等于裝載值時，一個寬度等于時鐘周期的高電平脈沖。注：在遞減計數模式中，零脈沖之后緊跟著一個裝載脈沖。3.4.3 輸出控制模塊PWM發(fā)生器模塊產生的是兩個原始PWM信號，輸出控制模塊在PWM信號進入管腳之前

15、要對其最后的狀態(tài)進行控制。通過一個寄存器就能夠對實際傳遞到管腳的PWM信號進行修改。例如，通過對寄存器執(zhí)行寫操作來修改PWM信號（而無需通過修改反饋控制回路來修改各個PWM發(fā)生器），以實現無電刷直流電機通信。同樣地，故障控制也能夠禁能所有的PWM信號。能夠對任一PWM信號執(zhí)行最終的反相操作，使得默認高電平有效的信號變?yōu)榈碗娖接行А?.4.4 初始化和配置以下是對PWM發(fā)生器0進行初始化的示例。要求頻率為25KHz，PWM0管腳上的占空比為25，PWM1管腳上的占空比為75，假定系統(tǒng)時鐘為20MHz。這個實例假定系統(tǒng)時鐘為20 MHz。1. 使能PWM時鐘，通過寫0 x0010.0000到系統(tǒng)控

16、制模塊中的 RCGC0 寄存器來實現。2. 使能對應GPIO模塊的時鐘，通過系統(tǒng)控制模塊中的RCGC2寄存器來實現。3. 在GPIO模塊中，根據管腳的具體功能，使用GPIOAFSEL寄存器來使能相應的管腳。4. 將系統(tǒng)控制模塊中的 運行-模式時鐘配置 (RCC) 寄存器配置為使用PWM分頻 (USEPWMDIV) ，并將分頻器 (PWMDIV) 設置為2分頻 2(000)。5. 將PWM發(fā)生器配置為遞減計數模式，并立即更新參數。向PWM0CTL寄存器寫入 0 x0000.0000。向PWM0GENA寄存器寫入0 x0000.008C。向PWM0GENB寄存器寫入0 x0000.080C。6.

17、設置周期。若要得到25KHz頻率，即周期為1/25,000（40s）。PWM時鐘源為10MHz；由系統(tǒng)時鐘2分頻得到。這意味著一個定時器周期要等于400個PWM時鐘周期。然后用這個值來設置PWM0LOAD寄存器。在遞減計數模式中，將PWM0LOAD寄存器的Load位域設置為請求的周期減1。向PWM0LOAD寄存器寫入0 x0000.018F。7. 將PWM0管腳的脈沖寬度設置為25占空比。向PWM0CMPA寄存器寫入0 x0000.012B。8. 將PWM1 管腳的脈沖寬度設置為75占空比。向PWM0CMPB寄存器寫入0 x0000.0063。9. 啟動PWM發(fā)生器0中的定時器。向PWM0CT

18、L寄存器寫入0 x0000.0001。10. 使能PWM輸出。向PWMENABLE寄存器寫入0 x0000.0003。3.5 原理電路圖圖9 原理電路圖4 軟件設計方案4.1 程序流程圖圖10 程序流程圖4.2 調試過程我們的程序分為兩個部分，第一部分是嵌入式LM3S2110芯片上安裝芯片驅動的調試；第二部分是LED燈和液晶屏的調試。第一部分：1.先安裝IAR軟件5.11版本，安裝到默認的C盤路徑下，不要更改，即“C:Program FilesIAR SystemsEmbedded Workbench 5.0 Kickstart”2.將文件夾“ARM”復制到上述默認的IAR安裝路徑下。若彈出“

19、確認文件夾替換”的對話框，請選擇“全部”。3.將文件夾“PDL-LM3S-3223”復制到C:盤根目錄下，完成。 第二部分（1） 先把嵌入式 LM3S2110芯片與PC機連接，在PC機上安裝芯片的驅動。將程序燒入實驗板，調試運行。4.3 遇到的問題及解決圖11 錯誤報告如上兩圖，在調試過程中遇到種種錯誤，如ARM文件沒有覆蓋，編程過程中沒有完善，還有未定義的管腳，但都經過一次又一次的調試把錯誤一一改正了。4.4 示波器波形改變PWM的占空比來對電機進行調速，并通過示波器來觀察它的波形。 圖12 示波器波形5 運行結果5.1 結果分析把嵌入式 LM3S2110芯片與PC機連接后，把程序燒入芯片內

20、，燒入成功后。按下電機開啟鍵（運行鍵），電機開始轉動。再按加速鍵，電機加速，等加到600時再按下減速鍵，電機減速，減速至450，在電機轉的過程中，可按下電機停止鍵（即開啟鍵）電機停止轉動，LCD液晶顯示為零。再按下運行鍵，電機重新開始轉動。 圖13 電機加速及液晶顯示 圖14 電機減速及液晶顯示6 體會與收獲這次的課程設計完全依靠我們自己動手去完成直流電機調速的基本功能，這樣我們就必須弄懂每一個程序的原理，并且能夠舉一反三。我們兩個人為一個小組 ，一個課題的完成也同時考驗著我們的團隊合作。 首先，我們在接到課程設計的任務后對這次設計充滿激情和想象，當老師說這個設計可以實現很多功能，我們完全可以

21、在基本功能的基礎上加上自己的創(chuàng)新后，我們就有了很多想法。老師安排完任務后我們小組認真思考后，合理分配各自任務。查閱相關書籍資料和網絡資源以及老師提供的各項幫助和精神鼓勵，在我們的不懈努力下，實驗有條不紊地進行著。再次，我們在設計過程中遇到很多困難，比方說，在設計加速減速過程中，我們對原理了解不透徹，在老師的引導下，我們成功探討出進位的程序，并調試成功；在程序編譯報錯后，我們不氣餒，一次次重新嘗試修改，在調試的時間里，我們體會集體的力量和成功的喜悅；在接線時時候，由于我們的大意，導致顯示出現問題，在虛心請教同學后，我們檢查出自己的問題，使液晶顯示正常。 最后，通過這次課程實驗。我們收獲很多，過程

22、中，我們有爭論，有歡笑，有汗水，有淚水。但我們相互鼓勵相互扶持，從不懂到了解，以致最后的成功。這次的直流電機調速設計，我們明白平常最常見的電機原理，并深入了解其加速減速的奧妙。不僅如此，更可貴的是，我們之間形成的團隊合作，堅持不懈，不屈不撓，迎難而上的精神。這些是我們大學生活中的財富。歌德曾經說過：我不應把我的作品全歸功于自己的智慧，還應歸功于我以外向我提供素材的成千成萬的事情和人物。 我們誠摯的感謝老師的耐心指導，在一籌莫展的時候，他們無私的給予我們幫助和支持，我們的成功離不開他們。同時也感謝其他小組提供的幫助。在互幫互助的氛圍中，我們愉快的結束本次的課程設計。參考文獻1 范圣一 著. AR

23、M原理與嵌入式系統(tǒng)實戰(zhàn)M. 機械工業(yè)出版社,2007年：P1512202 陳連坤 著. 嵌入式系統(tǒng)的設計與開發(fā)M. 清華大學出版社、北京交通大學出版社,2005年：P63P903 劉南平 孫蕙芹 童一帆 蘇梅 著. 單片機實訓與開發(fā)教程M. 科學出版社,2008年：P1551974 艾永樂 付子義 著. 數字電子技術基礎M. 中國電子出版社,2008年：P1011245 張偉 著. Protel 99SE 實用教程M. 人民郵電出版社,2008年:P26716 周立功 著. ARM嵌入式系統(tǒng)基本教程M. 北京航空航天大學出版社，2005年：P35P527 張曉偉 劉盼盼 著. ARM嵌入式系統(tǒng)

24、設計原理與開發(fā)實例M. 電子工業(yè)出版社，2008年：P114P1338 姚燕南 著. 微機原理與接口技術M. 高等教育出版社,2001年：P79P929 吳明暉 著. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用M. 人民郵電出版社，2004年：P28P3310 馮濤 秦永左 著. 單片機原理及應用M. 國防工業(yè)出版社，2009年：P99P109附錄1 管腳圖圖15 管腳圖附錄2 程序清單按下KEY4，電機開始轉動：if (GPIOPinRead(KEY4_PORT, KEY4_PIN) = 0 x00) / 如果按下KEY TimerControlLevel(TIMER0_BASE, TIMER_BOT

25、H, true); / 控制PWM輸出反相TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH, 6000); / 設置TimerBoth初值TimerMatchSet(TIMER0_BASE, TIMER_A,4800); / 設置TimerA的PWM匹配值TimerMatchSet(TIMER0_BASE, TIMER_B,1200); TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH); / 使能Timer計數，PWM開始輸出 if (GPIOPinRead(KEY2_PORT, KEY2_PIN) = 0 x00) / 如果按下KEY Time

26、rControlLevel(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH, true); / 控制PWM輸出反相TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH, 6000); /設置TimerBoth初值TimerMatchSet(TIMER0_BASE, TIMER_A,1000); /設置TimerA的PWM匹TimerMatchSet(TIMER0_BASE, TIMER_B,5000);TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH); /使能Timer計數，PWM開始輸出for (int m=450;m400;m-) SysCtlD

27、elay(1 * (TheSysClock / 4000); sec0 = m/100; /取百位sec1 = m%100/10; /取十位sec2 = m%10; /取個位 write_com(0 x01);write_com(0 x85);write_data(sec0+48); write_com(0 x86); write_data(sec1+48);write_com(0 x87); write_data(sec2+48);按下KEY4，電機停止轉動，液晶屏清零：if (GPIOPinRead(KEY4_PORT, KEY4_PIN) = 0 x00) / 如果按下KEY Timer

28、ControlLevel(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH, true); / 控制PWM輸出反相TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH, 6000); / 設置TimerBoth初值TimerMatchSet(TIMER0_BASE, TIMER_A,5500); / 設置TimerA的PWM匹配值TimerMatchSet(TIMER0_BASE, TIMER_B,500);TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_BOTH); / 使能Timer計數，PWM開始輸出write_com(0 x85);write_data(0+48); write_com(0 x86); write_data(0+48);write_com(0 x87); write_data(0+48);SysCtlDelay(5000 * (TheSysClock / 4000); / 主函數（程序入口）int main(void)clockInit(); / 時鐘初始化：晶振，6MHzinit(); for (;) timerInitPWM();