（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812的信号检测与处理综合实验平台研制.pdf

d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m o fs i g n a lm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n gb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a bs t r a c t t h e r ea r es o m ec o u r s e sf o ru n d e r g r a d u a t ea n dg r a d u a t es t u d e n t sm a jo r i n gi nt h e e l e c t r i c a la n di n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g i n c l u d i n g t e c h n o l o g y o fe l e c t r i c a l m e a s u r e m e n t s e n s o r sa n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m a n di n s t r u m e n t a t i o n a n d t e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n so fd s p t h e s ec o u r s e s m a k e u pi n t e g r a t e dk n o w l e d g es y s t e m ofs i g n a l i n c l u d i n ge l e c t r i c i t ya n d n o n e l e c t r i c i t y d e t e c t i n g t r a n s f o r m i n g p r o c e s s i n ga n da c h i e v i n gw i t hd s p f o r s t u d e n t s t h e r e a r e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t s f o re a c h a b o v e m e n t i o n e dc o u r s e b u tt h e r ei s n tak i n do fc o m p h e n s i v ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mt oi n t e g r a t et h ek n o w l e d g eo ft h e s ec o u s e s a ni n t e g r a t e de x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo fs i g n a lm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n gi sd e v e l o p e dt oh e l ps u p p o r t t e a c h i n go ft h e s ec o u r s e s w h i c hc a nh e l ps t u d e n t st od i g e s tk n o w l e d g ei nc o u r s e s a n dc u l t i v a t et h e i rs e n s eo fi n n o v a t i o na n dp r a c t i c ea b i l i t y t h em o d u l a t i o nd e s i g ni sa p p l i e dt ot h ei n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f s i g n a lm e a s u r e m e n ta n dp r o c e s s i n g t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd i v i d e dt ot h r e e p a r t s d s pe x p e r i m e n t s f l o w i n s t r u m e n t a t i o n e x p e r i m e n t s a n d d y n a m i c e x p e r i m e n t so ff o r c es e n s o r s t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd s pe x p e r i m e n t a lp a r ta r ec o m p l e t e t h i sp a r tc a nc o n d u c t21e x p e r i m e n t s i n c l u d i n ge x p e r i m e n t so ft h ei n t e g r a t e d p e r i p h e r a l s e x p e r i m e n t so ft h ee x t e n d e dp e r i p h e r a l s e x p e r i m e n t s o ft h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g a n de x p e r i m e n t so fs y s t e ms y n t h e s i s t h er e s u l to fd e b u g g i n g s h o w st h a tt h ee x p e r i m e n t a le f f e c ti sg o o d ag u i d eb o o ko ft h ei n t e g r a t e d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi se d i t e d t h ef l o wi n s t r u m e n t a t i o ne x p e r i m e n t a lp a r tc o n s i s t so ft h ed e s i g no ff l o w m e a s u r e m e n ta n df a nc o n t r 0 1 i tc a nb ec o n n e c t e dw i t hd s pe x p e r i m e n t a lp a r tb y i n p u ta n do u t p u ti n t e r f a c e si nd s pe x p e r i m e n t a lb o x t h e nd a t aa c q u i s i t i o n c o n t r o l d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12c a nb ea c h i e v e d t h e h a r d w a r e p r i n c i p l ed e s i g ni sc o m p l e t e d t h ef o r c es e n s o r sd y n a m i ce x p e r i m e n t sa r eu s e dt oc o n d u c tt h ed y n a m i c r e s p o n s e so ft h es t r a i ns e n s o ra n dt h ep i e z o e l e c t r i cs e n s o r s u c ha ss t e pr e s p o n s e f r e q u e n c yr e s p o n s ea n di m p u l s er e s p o n s e s t u d yt h e i rd y n a m i cp e r f o r m e n a c e i n d e x e s t h i sp a r ti sc o n n e c t e dt oa di n t e r f a c ei nds pe x p e r i m e n t a lb o xt o a c h i e v ed a t a a c q u i s i t i o n c o n t r o l d i s p l a y a n dc o m m u n i c a t i o nb a s e do n 4 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t h eh a r d w a r ep r i n c i p l ed e s i g ni sc o m p l e t e d k e yw o r d s d s p e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m s i g n a lm e a s u r e m e n t d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g f l o wm e t e r f o r c es e n s o r 5 插图清单 图卜l 信号检测与处理综合实验平台 3 图1 2 平台的硬件系统框图 3 图2 1a d 2 a d 6 的接口电路 5 图2 2 温度测量硬件原理图 6 图2 3 温度测量单元软件流程图 7 图2 4 交流采样电路硬件原理图 7 图2 5 交流采样电路软件流程图 8 图2 6图形窗口中显示的a d 采样结果 8 图2 7键盘硬件原理图 9 图2 8 键盘输入流程图 9 图2 9 等精度频率测量基本方法原理图 1 0 图2 1 0 等精度频率测量时序示意图 j l o 图2 1 1 频率测量硬件结构框图 1 1 图2 12频率测量原理 l l 图2 1 3 频率测量输入电路 1 2 图2 1 4 主程序流程图图2 一1 5 定时器t 2 溢出中断流程图 1 3 图2 16 字模排列方式 1 4 图2 1 7d s p 与液晶显示模块的接口电路 1 5 图2 1 8 译码电路 1 5 图2 1 9l c d 初始化流程图 1 6 图2 2 0d a c 7 5 1 2 的1 6 位数据输入寄存器 1 7 图2 2 1d a 转换电路硬件原理图 1 8 图2 2 2 锯齿波产生流程图 l8 图2 2 3s c i 串行通讯电路硬件原理图 1 9 图2 2 4串口调试助手 2 0 图2 2 5s c i 通信实验的软件流程 2 0 图2 2 6e e p r o m 与s p i 接口电路硬件原理图 2 1 图2 2 7s p i 读写e e p r o m 的软件流程 2 2 图2 2 8c a n 外部的引脚连接 2 3 图2 2 9c a n 自检测实验软件流程 2 3 图2 3 0 直流电动机机械特性 2 4 图2 3 1 直流电动机脉宽调制原理 2 5 图2 3 2 直流电动机h 桥功率电路 2 5 图2 3 3 直流电机驱动电路的硬件原理 2 6 图2 3 4 直流电机驱动实验的软件流程 2 6 9 图2 3 5 三相反应式步进电动机的工作原理图 2 7 图2 3 6 步进电机控制电路 2 8 图2 3 7 步进电机驱动电路的硬件连接图 2 9 图2 3 8 步进电机控制实验的软件流程图 3 0 图2 3 9 控制 采样接口 3 l 图2 4 0 基于t p s 7 6 7 d 3 0 1 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 电源电路 3 2 图3 1 流量测量原理框图 3 6 图3 2 流量测量调理电路原理图 3 6 图3 3 整流 逆变电路原理图 3 8 图3 4 光电隔离和驱动电路 3 9 图4 1 传感器动态特性实验仪 4 0 图4 2 压电传感器实验原理框图 4 l 图4 3 压电传感器的频率响应特性曲线 4 2 图4 4 压电传感器频率响应实验幅频特性曲线 4 2 图4 5 电阻应变片实验原理框图 4 3 图4 6 力应变片传感器的频率响应特性曲线 4 3 图4 7 力应片传感器频率响应实验幅频特性曲线 4 3 图5 1d s p 实验箱实物 4 4 l o 表格清单 表2 1d a c 7 5 1 2 的操作模式 1 8 表2 2a t 2 5 0 4 0 e e p r 涮 控制指令格式 2 2 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 金起王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 亟竭雨定签字日期 印年9 月 7日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授 权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 乏己移雨戈导师签名 签字日期 p y 年7 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 2 签字日期 o q 年 月7 日 电话 邮编 致谢 首先感谢我的导师徐科军教授 本论文在选题及研究和实验过程中 无不倾注着 徐老师的心血 徐老师一直关注着课题的进程 经常组织大家进行汇报和讨论 在讨 论中开拓了大家的思路 同时也为我们指点了迷津 在整个研究生学习期间 徐老师 不仅教授了我知识 同时也用他勤奋的工作 严谨的作风 务实的态度和创新的理念 时时影响和督促着我 在此 谨向恩师致以诚挚的谢意和崇高的敬意 感谢黄云志老师 感谢她一直以来对我的鼓励和帮助 感谢电气与自动化工程学 院d s p 实验室的研究生们 有了他们 我的课题才得以顺利进行 他们是 刘三山 杨双龙 姜鹏 陈佳臻 单开 周全 张然 方敏 李苗 侯其立 李叶 朱永强等 感谢我的家人 感谢他们对我的关心 帮助和鼓励 感谢一直激励我上进的人们 6 作者 王海欣 2 0 0 9 年5 月 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 研制信号检测与处理综合实验平台的目的和意义 大部分工科类院校为本科生和研究生开设了 电气测量技术 传感器与 检测技术 过程控制系统与仪表 数字信号处理 和 d s p 原理与应 用 等课程 这些课程构建了完整的信号检测 转换 处理以及实现的知识体 系 对应于每门课程学校配备了独立的实验设备以满足实验教学 但这些实验 装置功能单一 使得课程间的联系不够紧密 为了配合这些课程的教学 为了 让学生对课程体系能更好的把握 需要一个基于d s p 的信号检测与处理的综合 实验平台 基于这一个实验平台学生可以做多门课程的相关实验 但是 目前 国产教学仪器市场尚无此类综合性实验平台 研制此装置 可给学生提供一个良好的实验平台 通过做实验 学生能更 深刻地理解课程之间的紧密联系 能更深入地掌握应用实践类课程 例如 d s p 原理及应用 的知识要点 进一步提高学生的创新能力和实践能力 另外 此设备也给广大老师提供一个信号检测和处理的科研平台 1 1 2 信号检测与处理类实验装置国内外研究现状 数字信号处理器 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 简称为d s p 是针对数字信 号处理需要而设计的一种可编程的处理器 采用d s p 器件来实现数字信号处理系 统是当前的发展趋势 大多数的工科院校都配备了的d s p 教学仪器 但是 这些 d s p 实验装置偏重于数字信号的处理 而缺少信号转换 检测部分的实验项目 更缺少大功率电机 如鼓风机 的控制 随着微电子技术 通信技术 计算机技术的发展 对自动检测技术提出了 越来越高的要求 高等学校也把传感器与检测技术实验作为电气信息类专业必 要的一个实践环节 例如 合肥工业大学外购了杭州塞特传感技术有限公司生 产的c s y 9 9 8 b 型传感器系统实验仪 作为检测专业高年级本科生的必修实验 但是 该实验装置偏重于传感器原理性的验证性实验 而关于传感器的动态标 定 信号处理等学生无从感受 目前国产教学仪器市场上述两类实验设备很多 但把二者综合在一起的实 验平台尚还没有 国外 如德国 有此类实验装置 但价格昂贵 1 1 3d s p 简介 超大规模集成电路技术的飞速发展以及各种先进的数字信号处理方法的 提出 极大地推动了d s p 技术的发展 使其在极短的时间里在工业领域中得到 广泛的应用 并以其高性能和低成本赢得普遍的好评 同时 随着应用的不断 深入 d s p 的应用领域越来越广阔 对于未来毕业的电气信息类的大学生 d s p 将成为他们不可或缺的一门知识和工具 目前 在d s p 芯片的各大厂商中 t i 公司的芯片所占的市场份额最大 t i 的主流d s p 有三个系列 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 其中c 2 0 0 0 系列主要针 对控制领域 如电机的数字化控制 数字电源管理等 数据采集和处理 如电 力系统监控 生物医疗诊断等 此外还包括汽车电子 绿色家电等场合 因此 这个系列的d s p 应用技术非常适合于自动化 电机 电力系统 汽车 机械电 子等专业的学生学习 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 以下简称f 2 8 1 2 是t i 公司c 2 0 0 0 系列d s p 中的一款3 2 位定点 d s p 芯片n 4 1 最高主频1 5 0m h z 有强大的操作能力和快速的中断响应处理能力 片内有1 8 k 字高速r a m 1 2 8 k 字的可加密f l a s hr o m 片上还集成了丰富的片内外 设 有s p i s c i e c a n 和m c b s p 等多个串口外围设备 1 6 通道的1 2 位模数转换器 a d c 2 个事件管理器 e v a e v b 5 6 个独立的可编程 多用途通用i o 口 g p i o 该d s p 芯片集成了大量工业控制领域应用的外设接口 能大大简化电路设计 同 时它也具有足够的处理能力 是应用于控制领域的一款高性能d s p 处理器 1 2 系统概述 信号检测与处理综合实验平台由三部分组成 1 d s p 信号采集 处理 控制 显示和通信实验部分 选用t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为主处理芯片 实现信号的检测 处理 显示和控制 并与上位机进行通信 2 流量仪表实验部分 由鼓风机 管道 涡街流量计 温度传感器等组成 通过鼓风机吹风产生 气流 涡街流量计队气流进行计量 由d s p 系统进行控制 数据采集和处理 3 力传感器动态实验部分 由悬臂梁 应变片和压电传感器及调理电路组成 通过剪断悬挂在梁上的 砝码或者用电磁激振器驱动悬臂梁来使力和加速度传感器产生动态响应 再由 d s p 系统采集和校正 这三部分组合起来形成完整的信号检测和处理综合实验平台 弥补了实验 室现有实验装置功能单一 课程间联系不够紧密的缺陷 若将d s p 部分单独拿 出来 就形成独立的基于t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 原理与应用的实验装置 实 验平台的结构原理框图如图卜1 所示 2 图卜i信号检测与处理综合实验平台 系统以d s pf 2 8 1 2 为核心 通过译码器7 4 h c t l 3 8 来产生各外设的片选信号 板上外扩了6 4 k 的s r a m 作为数据存储器使用 采用f 2 8 1 2 片内a d 转换器实现模拟 量 流量计 传感器 交直流等信号 采集 通过f 2 8 1 2 的时间管理器 e v 实 现p w m 产生 直流电机和鼓风机控制及脉冲捕获 f 2 8 l2 的通用i o 接口用于键盘 输入 数码管显示 步进电机控制等 外扩1 2 位串行模数转换芯片d a c 7 5 1 2 至 f 2 8 1 2 的多通道缓冲串口 m c b s p e e p r o m 选用4 k b i t a t 2 5 0 4 0 接f 2 8 1 2 的串 行外设接口 s p i 串行通信接口 s c i 实现与上位机的r s 2 3 2 通讯 采用t i 的s n 6 5 h v d 2 3 2 转换器实现高速c a n 总线网络 另外 还外扩了高速通用串行总线 u s b2 0 接口器件i s p l 5 8 1 实现u s b 通讯 d g l 2 8 6 4 图形液晶模块使显示更加直 观 平台的硬件系统框图如图卜2 所示 图1 2平台的硬件系统框图 本实验平台可面向高年级本科生 研究生开放 可做相关的课程实验 综 合实验 面向的专业包括 自动化 电气工程及自动化 生物医学工程 控制 科学与工程等 可针对各种教学任务 事先完成主程序设计 由实验者完成对 应实验的程序块设计 完成各类实验 3 1 3 课题来源和主要研究内容 本论文研究内容来源于合肥工业大学实验室自制仪器设备项目 一 信号 检测与处理综合实验平台的研制 本人是合肥工业大学电气与自动化工程 学院的一名实验室老师 从事d s p 技术 传感器与检测技术等的实验教学工作 攻读在职硕士 选择 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的信号检测与处理综合实验平台研制 作为攻读在职硕士学位的研究课题 既能提高自己的工作能力 又能设计出满 足实践教学要求的国内领先的实验仪器 本实验平台的最终开发成本较低 可为 学校节约设备经费 也为学校的实践性教学改革及实验设备开发开辟一条新路 主要研究内容为 1 针对目前国产教学仪器的欠缺和实验教学的需求 设计了信号检测与 处理综合实验平台 满足了模块化 开放性的实验要求 2 研制了内容丰富 功能强大的d s p 实验箱 软硬件调试成功 设计了 2 1 个实验项目 并编写了实验指导书 3 完成了流量仪表实验的硬件原理设计 4 设计力传感器动态实验 用于研究应变传感器 压电加速度传感器的 阶跃响应 正弦振动响应和冲击响应等动态特性指标 完成了硬件原理设计 4 第二章d s p 实验箱研制 实验箱的设计一方面要满足d s p 原理及应用课程实验和综合实验的要求 充分体现t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 以下简称f 2 8 1 2 的功能 另外还要实现对鼓风机的控制 和流量计 力传感器输出信号的采集 d s p 实验箱有以下部分组成 输入单元 a d 采样 键盘与拨码开关输入 频率测量 输出单元 液晶显示 数码管显示 p w m 输出 d a 转换 通信单 元 r s 2 3 2 通信 s p i 通信 c a n 接口 u s b 接口 电机控制单元 直流电机和 步进电机 信号处理实验 扩展预留接口 电源设计等 2 1 输入单元 2 1 1a d 采样 f 2 8 1 2 的a d c 模块是一个1 2 位的模 数转换器 对于1 6 路的a d 输入单元 本实验平台为其中的8 路a d 输入通道确定了功能 配置了相关的单元电路 包括 两路温度信号采集 交流信号采集 温度给定 鼓风机调速给定 力应 变片电桥输出信号采集 压电传感器输出信号采集以及流量计输出信号采集 如图2 一l 所示 温度给定和鼓风机调速给定是对电位器上直流电压的采样 图a 比较简单不作过多介绍 力应变片电桥输出信号采集 压电传感器输 出信号采集 图c 以及流量计输出信号采集 图b 是接口部分 分别与传感 器动态试验部分 第四章 和流量仪表部分 第三章 连接 这里着重介绍温 度信号采集和交流信号采集 图2 1a d 2 a d 6 的接口电路 5 2 1 1 l 温度信号采集 两路温度信号分别通过f 2 8 1 2 的a d o a d l 通道来采集 由于两个通道完全 一样 这里只介绍一路温度信号 a d o 的采集 1 硬件原理 温度传感器采用的是n s 公司 美国国家半导体公司 生产的l m 3 5 晦1 它具 有很高的工作精度和较宽的线性工作范围 它的输出电压与摄氏温度线性成比 例 且无需外部校准或微调 可以提供 1 4 c 的常用的室温精度 l m 3 5 的输 出电压与摄氏温度的线形关系可用下面公式 2 r1 表示 0 时输出为0v 每升高1 输出电压增加1 0m v v o w t 1 0 x t 2 1 式中 输出电压 厅单位为m v 温度r 单位为 其电源供应模式有单电源与正负双电源两种 正负双电源的供电模式可提 供负温度的测量 单电源模式在2 5 下电流约为5 0 m a 非常省电 本系统采用 的是单电源模式 可测温度范围o 1 5 0 温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电 路 与温度值对应的电压信号经放大后输出至a d 转换电路 电压信号转换成 数字量后d s p 根据显示需要对数字量进行处理 再送数码管进行显示 关于数 码管显示部分的设计在后面 2 2 输出单元 中介绍 由于温度传感器l m 3 5 输出的电压范围为0 1 5 v 虽然该电压范围在a d 转换器的输入允许电压范围内 但该电压信号较弱 如果不进行放大直接进行 a d 转换则会导致转换成的数字量太小 精度低 系统中选用低漂移放大器 0 p a 2 3 3 5 对l m 3 5 输出的电压信号进行幅度放大 电压放大倍数为2 倍 电路图 如图2 2 所示 c 7 9 a j 3 5 v 亨 图2 2 温度测量硬件原理图 2 软件设计 通过定时器在中断中实现a d 采样 采用多次采样求平均值的方法使得最 后计算出的温度值更准确 主程序实现d s p a d c 定时器的初始化 并在数码 管上显示温度值 软件流程图如图2 3 所示 6 蝴务啾口 上 a d 采样 将采样结果送 入循环采样散组 否令 l 计算平均值i 转化为对应温度值 i 1 采样计数值清零 上 清除a d 中断标志井开总中断 图2 3温度测量单元软件流程图 3 实验结果 在实际的使用过程中 我们发现 a d c 的转换结果误差较大 如果直接将 此转换结果用于控制回路 必然会降低控制精度 最大的转换误差可以达到1 0 为减小误差 除了采用上面所述的多次采样取平均值算法 还采用了软件 校正算法 通过多次计算 对比 对f 2 8 1 2 的a d c 存在的偏置误差 o f f s e te r r o r 作了补偿 多次测试表明该测温系统工作稳定可靠 响应时间短 抗干扰能力强 2 1 1 2 交流信号采集 1 硬件原理 由于f 2 8 1 2 自带的a d 转换器是单极性的 即输入电压只能为o 3 3 v 因 此对于采样交流信号 首先需要将该电压值的中点 0 电平点 提升至a d 输入 量程的中点 然后再进行a d 采样哺1 将3 3 v 电压经r 2 3 1 r 3 8 分压得到1 6 v 中点电压 双二极管b a t 5 4 s 保证输入a d 7 通道的电压在o 3 3 v 之间 硬件原 理图如图2 4 所示 r 2 3 21 0 k 图2 4交流采样电路硬件原理图 7 诂 硒 v m b 2 软件设计 a d 采样在中断中实现 由定时器l 来软件触发中断 定时器周期设为 0 1 m s 每0 1 m s 采样一次 在a d 中断服务程序中 把采样结果保存到内存中 去 软件流程如图2 5 所示 d 韶韧持化1 0 i 定时量l 韧始化1 0 d c 模块韧始化 开启定时嚣l 卜一 无穷循环 耋零雯 i 保存 d 采样结果 0 m l 队1 中断标枣 i开总中听 图2 5交流采样电路软件流程图 3 实验结果 用信号发生器产生幅度小于3 v 频率为1 0 0 0 h z 的正弦波作为a d 7 的输 入 运行程序 利用d s p 的开发软件c c s 自带的图形绘制功能可得到a d 的采样结果如图2 6 所示 图2 6 图形窗口中显示的a d 采样结果 2 1 2 键盘与拨码开关输入 大多数控制系统除了需要采样模拟量以外 也需要输入数字量 这些数字 量既有恒定给出的 如系统之间的通讯 又有人机对话时给出的 如键盘的输 入 由于前者信号本身是稳定的 所以大多数可以直接利用高速数据总线进行 读取 但是 对于后者 由于键盘输入信号存在一个抖动因素 需要加入消抖 动过程 可以利用通用i o 口来进行读取 读取的控制由软件来实现 设置了 键盘和拨码开关两个数字量输入单元 接到通用i o 接口 学生可以通过实验 即能够了解通用i o 口的应用 又能够掌握键盘的软件消抖和键盘识别的过程 这里着重介绍键盘输入 一 硬件原理 8 个键s 1 s 8 通过8 个g p l 0 口接至d s p 通过读g p i o 口状态判读是否有 键按下 键盘未按下 输入口是高电平 键盘按下 输入口变为低电平 经过 8 软件消抖后 得到正确的按键状态 键盘接线如图2 7 所示 图2 7键盘硬件原理图 二 软件设计 先对系统进行初始化 然后判断是否有键按下 若有 进行去抖判断以确 定是否是有效的按键 键盘读入程序流程如图2 8 所示 图2 8键盘输入流程图 机械式按键在按下或释放时 由于机械弹性作用的影响 通常伴随有一定 时间的触点机械抖动 然后其触点才稳定下来 抖动时间的长短与开关的机械 特性有关 一般为5 l o m s 在触点抖动期间检测按键的通 断状态 可能导 致判断出错 即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作 这种情况是不 允许出现的 为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判 必须采取去抖动措 施 可从硬件 软件两方面予以考虑 在键数较少时 可采用硬件去抖 而当 键数较多时 采用软件去抖 软件上采取的措施是 在检测到有按键按下时 执行一个l o m s 左右 具体时间应视所使用的按键进行调整 的延时程序后 再 确认该键电平是否仍保持闭合状态电平 若仍保持闭合状态电平 则确认该键 处于闭合状态 同理 在检测到该键释放后 也应采用相同的步骤进行确认 从而可消除抖动的影响 本设计的去抖时间取l o m s 三 实验结果 实验结果表明这是一个完善的键盘控制系统 采用软件措施 消除键盘按 9 鬈薹 键机械触点抖动的影响 有可靠的逻辑处理办法 每次只处理一个按键 其间 对任何按键的操作对系统不产生影响 准确输出按键值 或键号 以满足跳 转指令要求 2 1 3 频率测量 2 1 3 1 传统的等精度测频法 传统的等精度测频法使用门控器件产生门控信号 从而实现实际门闸信号 与被测信号同步 消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差 其原理图如图 2 9 所示 图2 9等精度频率测量基本方法原理图 计数器1 和计数器2 分别对基准时钟信号和被测信号进行计数 n s 和n x 分别为其在门限时间内的计数结果 在计数器之前通过一个d 触发器实现计数 器与被测信号上升沿的同步 当预置门限信号为高电平时 基准信号计数器1 和被测信号计数器2 并不启动 而是等第一个被测信号上升沿到来时 d 触发 器的输出s t a r t 变为1 两个计数器才开始计数 当门限定时器中的时间到达 预置门限时 此时两个计数器均尚未停止计数 直到下一个被测信号的上升沿 到来时 s t a r t 信号才发生翻转 使两个计数器同时停止计数 于是 实际门 限时间就是被测信号周期的整数倍 从而实现了与被测信号的同步 时序图如 图2 一1 0 所示 但是 实际的门限时间并不固定 与被测信号的频率有关 此外 无论是采用计数器还是单片机 在实现等精度测量时总是离不开门控器件 预置门限信号f 二二 二二 i 二习 实际门眼信号f 二二二二 爿 被测须率信号广 广 厂 厂 广 基准频率信号u ul j u i l l u i l i i u i l i l l l l i u i il j l i i l u u 图2 1 0等精度频率测量时序示意图 2 1 3 2 无门控器件的测频法 一 测量原理 本设计基于d s p 丰富的软件资源 经过判断和处理 完成对被测信号频率 的等精度测量 硬件上无需任何门控器件 简化了电路 信号处理部分以 l o t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为控制和测量的核心 信号调理部分主要是完成对信 号的放大 整形和限幅 标准频率信号由3 0 m h z 有源晶振产生 作为高频标准 填充脉冲阻1 系统框图如图2 1 1 所示 d s p 2 8 1 2 c a n t l p w m t a i n a c a p 4 c a p 5 图2 1 1频率测量硬件结构框图 在对被测信号频率和周期的测量中 等精度测量是基于d s p 比较匹配时 t i p w m 引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关闭 由于比较匹配发生在 被测信号的上升沿 从而实现了门闸时间与被测信号的同步 原理图如图2 1 2 r r 一 一 所不 图2 1 2频翠测量原理 通用定时器t 1 时钟输入选择外部定时器时钟 此处用调理后的被测信号作 为定时器t l 的时钟输入 定时器t 2 时钟输入选择内部c p u 时钟 用来产生高 频标准填充脉冲 f 2 8 1 2 片上e v a 中通用定时器t 1 在发生比较匹配事件时 其 比较输出引脚t i c m p 输出信号会自动改变电平状态 产生p w m 波 捕获单元c a p l 设置为上升沿捕获 t i p w m 输出的p w m 波上升沿被c a p l 捕获到 读取此时定时 器t 2 的计数值 同理在下一次比较匹配时再次读取定时器t 2 的计数值 通过 两次t 2 c n t 值的相减 即可获得该门闸时间内标准填充脉冲的个数 然后求出 被测信号频率 基于d s p 比较匹配时t i p w m 引脚输出电平的跳变作为门闸信号的开启和关 闭 由于比较匹配发生在被测信号的上升沿 从而实现了门闸时间与被测信号 的同步 两个相邻的比较匹配产生的p w m 波的上升沿分别作为门闸信号的开启 和关闭信号 其中被测信号的个数为整数 并且是由我们自己任意设定的 定 时器t 2 时钟输入选择内部c p u 时钟 用来产生标准填充脉冲 设定捕获单元 c a p i 为上升沿捕获 当其捕获到上升沿时读取堆栈c a p f i f o 内的值 在下一次 捕获到时再读堆栈内的值 计算出标准填充脉冲的个数 保证 的个数不 小于一定的值 即可保证门闸时间大于一定的值 假设现在希望一个门闸时间 内高频填充脉冲的总数不小于跆 当n 刀时 就增大定时器t l 的定时周期 即增大定时器t l 周期寄存器t i p r 的值 存在公式r 1 朋 1 甩 n 一由于 不 一定为整数 假设口 形 u 2 u 3 u 4 u 5 在电流连续区 它们实际上是一组相互平行而向下倾斜的直 线 但当电流减小到一定程度时 电流断续时 直流电动机的机械特性会发生 很大变化 如虚线所示 由图可以看出 在负载电流连续区 直流电动机具有 优良的调速特性 只要改变电枢绕组端电压即可方便的实现调速 对励磁磁通 进行控制也可进行直流电动机的调速 但励磁控制法在低速时受磁极饱和的限 制 在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制 并且励磁线圈电感较大 动态响应较差 所以这种控制方法用得很少 随着计算机进入控制领域 以及 新型的电力电子功率元器件的不断出现 采用全控型的开关功率元件进行脉宽 调制 控制直流电动机电枢绕组端电压已成为绝对主流的调速方式 脉宽调制调速又称斩波调速 是在直流电源电压基本不变的情况下通过电 子开关的通断 改变施加到电机电枢端的直流电压脉冲宽度 以调节输出电机 的电枢电压平均值的调速方式 其原理如图2 3 l 所示 图2 3 i直流电动机脉宽调制原理 图中 为电枢绕组电感量 肭电枢绕组电阻 历为电枢反电势 则当电枢绕 组电流连续时 电枢绕组端电压平均电压以与电源电压 的关系如式2 6 所示 u o i t o i n u 寺u a u 2 6 式中 乙 为功率管v 通的时间 如 为功率管v 断的时间 口为导通占空比 当电源电压劝定值时 只要改变功率管v 的导通占空比 即可改变电枢绕 组端电压平均电压以 进而改变直流电动机的转速 直流斩波电路只能实现直流电动机的单方向旋转 若要求直流电动机工作 在电动 制动 正转和反转的四象限运行模式 则应采用图2 3 2 所示的h 桥功率 电路 通过控制功率管v v t 的通断 可以控制直流电动机的电枢电流方向 进而控制直流电动机在四象限运行 如图2 3 2 所示 悻 吾k d 型 厂鼍f 图2 3 2直流电动机h 桥功率电路 2 4 1 2 硬件设计 通过f 2 8 1 2 的p w m 口 可以控制三极管q 3 的通断来控制m o s f e t 驱动芯片 t l p 2 5 0 进而控制m o s f e t 管q 2 的通断 改变永磁直流电动机的电枢绕组平均 电压 进行转速控制 速度给定采用按键和电位器两种可选模式 默认为电位 2 5 器给定 通过按压切换键可切换成按键输入模式 通过速度增减按键输入加 减速指令 达到速度控制的效果 如图2 3 3 所示 图2 3 3直流电机驱动电路的硬件原理 懂 2 4 1 2 软件设计 利用事件管理器 e v b 中的比较单元6 的p w m l 2 来实现p w m 输出 时钟 基准由通用定时器3 提供 具体来说t 3 周期寄存器用来设定载波频率 e v b 的 比较单元c m p r 6 寄存器用来控制p w m 信号输出的占空比 改变寄存器c m p r 6 的 值可调节电机转速 其软件流程图如图2 3 4 所示 图2 3 4直流电机驱动实验的软件流程 2 4 2 步进电机调速 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进驱动器接收到 一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为 步 距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 这种电机的运动形式与普 通匀速旋转的电动机有一定的差别 它是步进式运动的 所以称为步进电机 又因其绕组上所加的电源是脉冲电压 有时也称它为脉冲电机 步进电机可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目 的 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调 速的目的 在非超载的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的 频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 即给电机加一个脉冲信号 电机则转 过一个步距角 这一线性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累 2 6 积误差等特点 使得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简 单 2 4 2 1 步进电机的分类 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 v r 永磁式步进电机 p m 混合式步进电机 h b 等 1 反应式步进电机是利用磁阻转矩使转子转动的 是我国目前使用最广 泛的步进电机型式 它结构简单 成本低 步距角可以做得很小 但动态性能 较差 反应式步进电机一般为三相 可实现大转矩输出 但噪声和振动都很大 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 转子中没有绕组 定子上有多相 励磁绕组 利用磁导的变化产生转矩 2 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的 转子的极数和定子的极 数相同 一般步距角比较大 其输出转矩大 动态性能好 消耗功率小 永磁 式步进电机一般为两相 转矩和体积较小 3 混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点 与传统的反应式相比 步进电机 结构上转子加有永磁体 而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提 供磁材料工作点的耗能 因此该电机效率高 电流小 发热低 运转过程较平稳 噪音低且低频振动小 但混合式步进电机结构复杂 成本较高 2 4 2 2 步进电机的基本原理 下面以三相反应式步进电机为例 叙述步迸电机原理n 们 1 结构 电机转子均匀分布着很多小齿 定子齿有三个励磁绕阻 其几何轴线依次 分别与转子齿轴线错开 0 1 1 3r 2 3r 相邻两转子齿轴线间的距离为齿 距以f 表示 即a 与齿l 相对齐 b 与齿2 向右错开i 3r e 与齿3 向右错 开2 3r a 与齿5 相对齐 a 就是a 齿5 就是齿1 如图2 3 5 所示 力西 三相反应式步进电动机的工作原理图 2 旋转 如a 相通电 b c 相不通电时 由于磁场作用 齿1 与a 对齐 转子不 受任何力以下均同 如b 相通电 a c 相不通电时 齿2 应与b 对齐 此时 转子向右移过1 3r 此时齿3 与c 偏移为i 3r 齿4 与a 偏移2 1 3r 2 7 如c 相通电 a b 相不通电 齿3 应与c 对齐 此时转子又向右移过i 3r 此时齿4 与a 偏移为1 3r 对齐 如a 相通电 b c 相不通电 齿4 与a 对齐 转子又向右移过i 3r 这样经过a b c a 分别通电状态 齿4 即齿1 前一 齿 移到a 相 电机转子向右转过一个齿距 如果不断地按a b c a 通 电 电机就每步 每脉冲 i 3r 向右旋转 如按a c b a 通电 电机 就反转 由此可见 电机的位置和速度由导电次数 脉冲数 和频率成一一对 应关系 而方向由导电顺序决定 定子控制绕组每改变一次通电方式 称为一拍 上述的通电方式称为三相 单三拍 单 是指每次只有一相控制绕组通电 三拍 是指经过三次切换 控制绕组的通电状态为一个循环 三相步进电机除了单三拍通电方式外 出于 对力矩 平稳 噪音及减少角度等方面考虑 还经常工作在三相单 双六拍通 电方式 这时通电顺序为a a b b b c c c a a 或是a a c c c b b b a a 这样 将原来每步1 3r 改变为1 6r 甚至于通过二相电流不同的组合 使其i 3r 变为1 1 2r 1 2 4r 这就是电机细分驱动的基本理论依据 2 4 2 3 步进电机驱动器 步进电机不能直接接到交直流电源上工作 而必须使用专用设备 一步进 电机驱动器 驱动器的作用是让电机的绕组按照特定的顺序通电 即受输入的电 脉冲控制而动作 步进电机驱动器系统的性能 除与电动机本身的性能有关外 也在很大程度上取决于驱动器的优劣 因此 步进电机及其驱动器是一个互相 联系的整体 步进电机的运行性能是由电机和驱动器两者配合所形成的综合效 果 步进电机的驱动器由脉冲发生器 脉冲分配器 功率放大器等组成 其方 框图如图2 3 6 所示 图2 3 6步迸电机控制电路 脉冲发生器根据指令可发出频率从数十赫兹到几万赫兹左右的连续脉冲电 压 是一个