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DZ008单片机实现的步进电机控制系统_计,毕业设计
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浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文） 题 目： 单片机实现的步进电机控制系统设计 作 者： 韩安宝 系 （部）： 信电系 专业班级： 03 电气 指导教师： 黄云龙 职 称： 副教授 2006年 6 月 7 日 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 I 目 录 第 1章 绪论 . 1 第 2章 方案论证比较设计 . 错误 !未定义书签。 2.1单片机概述 . 5 2.2步进电机的工作原理 . 6 2.3单片机控制步进电机的设计思路 . 8 第 3章 控制系统的硬件电路设计 . 10 3.1 SPCE061A的介绍 . 10 3.1.1 性能 . 10 3.1.2 结构 . 11 3.1.3芯片的引脚排列和说明 . 12 3.1.4 SPCE061A 单片机硬件结构 . 13 3.1.5 Nsp TM的核心结构 . 15 3.2步进电机的选择 . 17 3.3 步进电机的驱动电路设计 . 17 3.4数码管显示电路的设计 . 19 3.5 4X4键盘电路的设计 . 20 第 4章 控制系统的软件设计 . 23 4.1 控制脉冲的产生 . 23 4.2 步进电机的旋转方向 和时序脉冲的关系 . 24 4.3 步数的确定 . 25 4.4 步进电机的变速控制 . 27 4.5 语音报数 . 30 第 5章 结论 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 附录 . 35 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 II 摘 要 单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、 I/O 接口电路、定时器 /计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机主要应用于控制领域， 由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得 广泛应用 1。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件 ,实质上是一种数字 /角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器 ,功率放大器及步进电机等组成 .步进控制器由缓冲寄存器 ,环形分配器 ,控制逻辑及正 ,反转控制门等组成 ,能把输入的脉冲转换成环形脉冲 ,以便控制步进电机 ,并能进行正反向控制 .但由于步进控制器线路复杂 .成本高 .采用 单片机 控制 ,用软件代替上述步进控制器 ,使得线路简单 ,成本 低 ,可靠性大大增加 ,灵活改变步进电机的控制方案 ,无需逻辑电路组成时序发生器 .软件编程可灵活产生 不同类型步进电机励磁 序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现 一台单片机 控制多台电机 .提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现 ,尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性 。 本设计采用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 对步进电机进行控制，通过 IO 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 L298N 驱动步进电机；同时，用 4X4 的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用 74LS164 作为 4 位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。 关键词 ： 单片机 步进电机 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 III ABSTRACT2 The single slice of microcomputers is abbreviated as the one-chip computer. It is every function part which makes up the microcomputer: Central processing unit, CPU, arbitrary access memory RAM , read-only memory ROM, I/O interface circuit , timer / counter and serial communication interface ,etc. make in the integrated chip together, form an intact microcomputer. One-chip computer apply controlled field to mainly, because it have dependability high , small , price low , easy commercialization ,etc. characteristic, therefore won extensive application in fields of automatic control such as intellectual instrument and apparatus , real-time industrial control , intelligent terminal , communication equipment , navigation system , household appliances ,etc. It is that one kind can change the electric pulse signal into a electromechanical component of angle displacement or line displacement to walk into the electrical machinery, it is a kind of figure / angle converter that is walked into the control system of the electrical machinery to mainly walk into the controller in fact, power amplifier and walking into the electrical machinery ,etc. make up . Walked into the controller to buffer the register , the annular distributor, control logic and, overturn , control door ,etc. make up , can change the pulse input into into an annular pulse , in order to control , walk into electrical machinery , can carry on positive and negative to control. But because walk into the controller circuit complicatedly. With high costs. Adopt one-chip computer control , replace with software described above to walk into the controller , make the circuit simple, with low costs, dependability increases greatly, change the control scheme of walking into the electrical machinery flexibly , do not need logical circuit to make up the time sequence generator . Software programming very flexible to produce , walk into electrical machinery excitation array come , control various operation way to walk into electrical machinery and can realize one machine control many sets of electrical machinery while being different kinds of. It is nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 IV easy to realize to offer the flexible control means and improving the precision of controlling to complicated and tedious control, demonstrate the superiority that the computer controls especially in this system even more. Design , adopt , insult male genital 16 one-chip computer SPCE061A to walk into electrical machinery control originally, square wave with time sequence as the control signal of walking into the electrical machinery through what IO mouth is outputted, the signal drives and walks into the electrical machinery through the chip L298N; Meanwhile , come state in electrical machinery go on , control with keyboard of 4X4 , in charge of rotational speed to reveal electrical machinery with number, adopt 74LS164 urge as 4 single number display that in charge of , from the input signal of the one-chip computer; Utilize the pronunciation function of insulting the open one-chip computer to report the rotational speed of the electrical machinery. Keyword: One-chip computer Walk into the electrical machinery nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 1 第 1 章 绪论 近十几年来，单片机在生产过程控制、 自动 检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了 CPU 和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入 /输出接口 (Intel)。在一个 大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机 MCS-51系列中的一片 8751芯片 3，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机， MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令 ;CPU时钟高达 12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要 4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。 近年来，在国际上出现了 Mechanics和 electronics复合成 Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段 4: 第一阶段 :19711974年， 4位微处理器工 intel 4004及 8位微处理器工intel 8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。 第二阶段 :19741978年，初级单片机阶段，以工 intel公司的 MCS-48为代nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 2 表， 8位单片机。 第三阶段 :19781983年，高性能单片机阶段。以工 Intel公司的 MCS-51, Motorola公司的 6801 和 Zilog公司的 Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、 16位定时器 /计数器，有的片内还带有 A/D转换器接口，片内 RAM, ROM容量加大，寻址范围 可达 64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。 第四阶段 :1983 年至今， 8位单片机巩固发展及 16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的 MK6800、 Intel公司的 MCS-96等。 MCS-96集成度为 12万只品体管 /片，寻址范围 64K 字节、 5个 8位并行口、一个全双工串行口、 4个 16位定时器、 8通道 10位 A/D转换器等，另外 MCS-96指令能处理位、字节、字，有 16位乘 16位乘法、 32 位除 16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己 经进入一个崭新的阶段。 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计 算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。 由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步 进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 3 的生产制造中，因为步进电机不需要 A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个 工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。 微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。 随着现代电子科学的不断发展与进步，电子计算机已深深介入机械制造的各个领域，诞 生了一系列机、电、计算机一体化的新产品 5。 同时微电子技术的不断发展，数控系统也在不断地更新换代，先后经历了电子管（ 1952 年）、晶体管（ 1959 年）、小规模集成电路（ 1965 年）、大规模集成电路及小型计算机（ 1970 年）和微处理机或微型计算机（ 1974 年）等五代数控系统。前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬线）数控系统，一般称为普通数控系统，简称 NC。 70 年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合 算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称 CNC。1974 年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统，简称MNC。 随着机电产品对负载精度要求的提高，原有的 PLC控制系统的步进电机已很难满足不断发展的机电产品的要求。 PLC控制系统的步进电机存在成本高，工作方式单一和人机交互不便等缺点。为解决此问题，我们研制了一种能代替 PLC控制系统的新的控制系统 -基于单片机的步进电机控制系统。本文论述了基于nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 4 单片机的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括 :硬件设计、软件设计、可靠性设计等方面。硬件电路用凌阳 16位 SPCE061A单片机、先进的接口技术和大规模集成电路设计而成。软件程序用 SPCE061A 汇编语言写成。利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。利用单片机输出的 CP 脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转，步距精度等工作状态，方便良好的人机界面是用 4x4 键盘 /数码管显示来实现的。 单片 机控制系统的步进电机，自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。单片机控制系统的研制成功，是步进电机发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多 PLC 控制系统完全可以由单片机控制系统所代替。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 5 第 2 章 方案论证和比较 2.1 单片机概述 6 电子计算机是 20 世界 纪 40 年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自 1971 年以来，随着大规模集成电路的发展，又出现了微型 计算机。它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的推动作用。作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。硬件是指微型计算机本身及其外围设备 ;软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。 2.1.1 硬件 硬件是由主机、接口电路及外部设备组成的。各个系统采用硬件的数量也不相同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。 1)主机。它是计算机空着系统的主要部分，通过接口它向外部发出各种命令，同时它还可以进行巡回检测、数据的处理及计算、报警处理、 逻辑判断等功能。 2)接口及输入输出通道。它是主机和被控对象信息交换的桥梁。一般根据功能及传送数据的方法可分为 :(1)并行接口，如 PIO; (2)串行接口，如 SIO; (3)直接数据传送，如 DMA; (4)实时时钟，如 CTC。 3)通用外部设备。包括显示器、打印机、存储器等，这些设备极大地扩充了主机的功能。 4)检测设备及操作台。检测设备的主要作用是将被检测参数的非电量变成电量，而通过操作台人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作指令等。 5)执行机 构。比如说，步进电机和马达等，常见的执行机构有电动、气动和液动等形式。 2.1.2 软件 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 6 软件是指能完成各功能的计算机程序的总合，如操作、监控、控制、计算和自诊断等。因此，软件的分类也很多，就语言来分，可分为机器语言、汇编语言和高级语 ;就功能来分，可以分为系统软件、应用软件及数据库。系统软件专门用来使用管理计算机本身的程序 ;应用软件是面向用户本身的程序 ;数据库及数据库管理系统主要用于大量的数据管理及资料检索系统。 2.2 步进电机的工作原理 7 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机 械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机 ;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。 本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。如图2-1 所示，电机的定子上有 6 个等分的磁极，相邻两个磁极间的 夹角为 60 度 。磁极上装有控制绕组并联成 A, B, C 三相。转子上均匀分布 40 个齿，每个齿的齿距为 9度 。定子每段极弧上也有 5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距为 60度 ，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当 A极下的定、转子齿对齐， B极和 C极 下 的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度 。这时若给 B相通电，电机中产生沿 B 极轴线力一向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距 (磁阻转距 )的作用而转动，直到转子齿和 B极上的齿对齐为止。此时， A极和 C 极下的齿又分别与转子齿相错三分 之一的转子齿距。由此可见 :错齿是促使步进电机旋转的根本原因 。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 7 图 2-1 步进电机的剖面图 若断开 B相控制绕组，而接通 C相控制绕组，这时电机中产生沿 C极轴线方向的磁场。同理，在反应转距 (磁阻转距 )的作用下，转子安顺时针方向转过 3度 ，使定于 C极下的齿与转子齿对齐。以此类推，当控制绕组按 A-B-C-A顺序循环通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动 3 度 的规律转动起来。若改变通电顺序，即按 A-C-B-A 顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动 3度 。这就是单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方 式运行，即A-AB-B-BC-C-CA-A 顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过 1.5度 。 2.2.1 步进电机工作方式的选择 常见的步进电机的工作方式有以下二种 ： 1）三相单三拍 :A-B-C-A; 2） 三相双三拍 :AB-BC-CA-AB ; 3） 三相六拍 :A-AB-B-BC-C-CA-A 按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。这三种方式的主要区别是 :电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和 放电时间最长。因此，nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 8 同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为 3 度 ，六拍的工作方式时，分辨率是 1.5 度 。 （ 1） 控制步进电机换向顺序 通电换 向 这一 过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的 三相三拍 工作方式，其各相通电顺序为 A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A， B，C， D相的通断。 （ 2） 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 （ 3） 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就 转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 2.3 单片机控制步进电机的设计思路 典型的步进电机控制系统如图 2-2 所示。 图 2-2 典型的步进电机控制系统图 8 变频信号源是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。如果采用单片机来作为变频信号源，来控制步进电机，则可以发出有规律的脉冲信号，经过脉冲放大器后，为步进电机提供了一种nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 9 可行的通电方式。为步进电机提供时序脉冲 是单片机的主要作用，每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定的方向进一步。 设计的要求： 本设计采用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 对步进电机进行控制，通过 IO 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 L298N 驱动步进电机；同时，用 4X4 的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用 74LS164 作为 4 位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。 根据设计要求 总体设计方案 如图 3 2 所示 ： L298N74LS1644 X 4 键 盘语音播报转 速数码管步进电机单片机图 2-3 总的设计图 9 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 10 第 3 章 控制系统的硬件电路设计 3.1 SPCE061A 的 介绍 10 SPCE061A 是继 SPTM 系列产品 SPCESOOA 等之后凌阳科技推出的又一款16 位结构的微控制器。与 SPCESOOA 不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能， SPCE061A 里只内嵌 32K 字的闪存(FLASH)。较高的处理速度使 SPTM 能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与 SPCESOOA 相比，以 SPTM 为核心的 SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择 。 3.1.1 性能 11 16 位 nSPTM 微处理器； 工作电压 (CPU) VDD 为 2.43.6V (I/O) VDDH 为 2.45.5V CPU 时钟： 0.32MHz49.152MHz ； 内置 2K 字 SRAM； 内置 32K FLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器 ; 系统处于备用状态下 (时钟处于停止状态 )，耗电仅为 2 A， 3.6V 2 个 16 位可编程定时器 /计数器 (可自动预置初始计数值 )； 2 个 10 位 DAC(数 -模转换 )输出通道； 32 位通用可编程输入 /输出端口； 14 个中断源可来自定时器 A / B 时基， 2 个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式 (2.4K 位 /秒 )， 能容纳 210 秒的语音数据 ； 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 11 32768Hz 实时时钟； 7 通道 10 位电压模 -数转换器 (ADC)和单通道声音模 -数转换器； 声音模 /数转 换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制 (AGC)功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位 (LVR)功能和低电压监测 (LVD)功能； 内置在线仿真电路 ICE（ In- Circuit Emulator）接口； 具有保密能力； 具有 WatchDog 功能。 3.1.2 结构 SPCE061A 的结构如图 1.2 所 示： 图 3-1 SPCE061A 的结构 图 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 12 3.1.3 芯片的引脚排列和说明 9 SPCE061A 有两种封装片，一种为 84 个引脚， PLCC84 封装形式 ;它的排列如图 3-2 所示；另一种 为 80 个引脚， LQFP80 封装。如图 3-3 所示。 图 3-2 PLCC84 结构图 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 13 图 3-3 LQFP80 结构图 3.1.4 SPCE061A 单片机硬件结构 SPCE061 A 芯片内部集成了 ICE(在线实时仿真 /除错器 )、 FLASH(闪存 )、SRAM(静态内存 )、通用 I/O 端口、定时器 /计数器、中断控制、 CPU 时钟锁相环(PLL), ADC(模拟数字转换器 ), DAC(数字模拟转换器 )输出、 U ART（通用异步串行输入输出接曰 )、 SIO 串行输入输出接口 )、低电压监测 /低电压复位等模块。在本章中我 们将详细介绍各个模块的结构及应用。 如图 3-4 所示： nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 14 图 3-4 SPCE061A 硬件结构图 用户寄存器 SP:堆栈指针 R1-R4 通用寄存器 BP 基指针 SR:段寄存器 NZSC 4 个标志位 DS:数据段选择控制位 PC：程序计数器 SHIFTER 移位器 ALU 算术逻辑单元 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 15 ADDRGEN地址编码器 MUD多路选择开关 3.1.5 NspTM的核心结构 nSPTM 的核心由总线、 ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、 中断系统及堆栈等部分组成。 ALU 算术逻辑运算单元 nSPTM 的 ALU非常有特色，除了一般基本的 16位算术逻辑运算，还提供了结合算术逻辑的 16 位移位运算。在数字信号处理方面，提供了高速的 16 位 16位乘法运算和内积 (乘加 )运算。 16 位算术逻辑运算 nSPTM 与大多数 CPU一样，提供了基本的算术运算与逻辑操作指令 ，加法、减法、比较、补码、异或、或、与、测试、写入、读出等 16 位算术逻辑运算及数据传送操作。 结合算术逻辑的 16 位移位运算 nSPTM 的移位运算包括：算术右移 ASR、 逻辑左移 LSL、逻辑右移 LSR、旋转左移 ROL 及旋转右移 ROR。 nSPTM 的移位器 shifter 就串接在 ALU 的前面，也就是说，操作数在经过移位处理后，马上会进入 ALU 进行算数逻辑运算。所以， nSPTM 的移位指令都是复合式指令，一个指令会同时完成移位和算术逻辑运算。程序设计者可利用这些复合式的指令，撰写更精简的程序代码，进而增加程序代码密集度 (Code Density)。在微控制器应用中，如何增加程序代码密集度是非常重要的问题；提高程序代码密集度可以减少程序代码的大小，进而减少 ROM或 FLASH 的需求， 以降低系统成本与增加执行效能。 16位 *16 位的乘法运算和内积 (乘加 )运算 除了普通的 16 位算数逻辑运算指令外， nSPTM 还提供了高速的 16 位 16 位乘法运算指 令 MUL， 和 16 位 内 积 运 算 指 令 MULS。 二 者 都 可 以 用 于 有 符 号 数 相 乘 (signed signed) 或无符号数与有符号数相乘 (unsigned signed)的运算。在 nSPTMISA1.1 指令集下， MUL 指令只需花费12 个时钟周期， MULS 指令花 费 10n+6个时钟周期，其中 n 为乘加的项数。例nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 16 如：“ MR=R2*R1 ， 4”表示求 4 项乘积的和， MULS指令只需花费 46（ 10 4+6=46）个时钟周期。这两条指令大大的提升了 nSPTM 的数字信号处理能力。 寄存器组 nSPTM CPU 的寄存器组一共有 8个 16 位寄存器，可分为通用寄存器和专用寄存器两大类别。通用寄存器包括： R1R4，作为算术逻辑运算的来源及目标寄存器。专用寄存器包括 SP、 BP、 SR、 PC，是与 CPU 特定用途相关的寄存器。 通用寄存器 R1-R4 (General-purpose registers) 可用于数据运算或传送的来源及目标寄存器。寄存器 R4、 R3 配对使用，还可组成一个 32 位的乘法结果寄存器 MR；其中 R4 为 MR 的高字符组， R3 为 MR 的低字符组，用于存放乘法运算或内积运算结果。 堆栈指针寄存器 SP (Stack Pointer) SP 是用来纪录堆栈地址的寄存器， SP 会指向堆栈的顶端。堆栈是一个先 进后出的内存结构， nSPTM 的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。CPU 执行 push、子程序调用 call、以 及进入中断服务子程序 (ISR， Interrupt Service Routine) 时，会在堆栈里储存寄存器内容，这时 SP 会递减以反映堆栈用量的增加。当 CPU 执行 pop 时、子程序返回 ret、以及从 ISR 返回 reti 时， SP 会递增以反映堆栈用量的减少。 nSPTM 堆栈的大小限制在 2K 字的 SRAM 内，即地址为 0x0000000x0007FF 的内存范围中。 基址指针寄存器 BP (Base Pointer) nSPTM 提供了一种方便的寻址方式，即基址寻址方式 BP+IM6；程序设计者可通过 BP 来存取 ROM 与 RAM 中的数据，包括：局部变量（ Local Variable）、函数参数（ FunctionParameter）、返回地址（ Return Address）等等。 BP 除了上述用途外，也可做为通用寄存器 R5，用于数据运算传送的来源及目标寄存器。因此，在本书或程序中， BP 与 R5 是共享的，均代表基址指针寄存器。 程序计数器 PC (Program Counter) 它的作用与一般微控制器中的 PC 相同，是 用来纪录程序目前执行位置的寄存器，以控制程序走向。 CPU 每执行完一个指令，就会改变 PC 的值，使其nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 17 指向下一条指令的地址。在 nSPTM 里， 16 位的 PC 寄存器与 SR 寄存器的 CS 字段，共同组成一个 22 位的程序代码地址。 状态寄存器 SR (Status Pointer) SR 内含许多字段，每个字段都有特别的用途，如图 2.1 所示。其中包含两个 6 位的区段选择字段 : CS (Code Segment)， DS (Data Segment)，它们可与其它 16 位的寄存器结合在一起形成一个 22 位的地址，用来寻址 4M 字容量的内存。 SPCE061A 只有 32K 字的闪存，只占用一页的存储空间，所以 CS 和 DS 字段在SPCE061A 中都是设为 0。 3.2 步进电机的选择 7 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动， 在 设计 要求 中 没有对步进电机提出特别的要求，因此为了设计的方便，选择 受控电机为 三 相 三 线制的步进电机（内阻 33 欧，步进 1.8 度，额定电压 12V） 3.3 步进电机的驱动电路设计 12 方案一：使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不 同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 方案二：使用 L298N 芯片驱动电机 L298N 芯片可以驱动两个二相电机（如图 3-5 所示 ），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便 。 通过比较， 根据设计提出的要求， 使用 L298N 芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱 动步进电机， 从经济考虑， 且价格不高，故选用 L298N 芯片 驱动电机。而使用 L298N 芯片 时，可以用 L297 芯片 来提供时序信号，可以节省单片机nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 18 IO 口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂， 电路也比较容易看懂， 故选用后者。 图 3-5 用 L298N 芯片驱动电机 图 通过 L298N 构成步进电机的驱动电路 ,电路图如图 3 6 所示。 通过单片机SPCE061A 的 IOB8 IOB13 对 L298N 的 IN1 IN4 口和 ENA、 ENB 口发送方波脉冲信号，起时序图如图 3 7 所示。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 19 V D DML 2 9 8 NV C CO U T 1E N A+VSS+ V SS E N S E BI N 1GNDS E N S E AE N BO U T 2O U T 3O U T 4I N 4I N 3I N 21246791012131411853图 3-6 进电机的驱动电路图 图 3-7 起时序图 3.4 数码管 显示电路 的 设计 13 方案一：串行接法 设计中要显示 4 位数字，用 74LS164 作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约 IO 口资源，但要使用 SIO，发送数据时容易控制。 方案二：并行接法 使用并行接法时要对每个数码管用 IO 口单独输入数据，占用资源较多。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业论文 20 由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限， 因此 选择了方案一。另外，使用锁存也 起到节约资源的作用 。 数码管的显示驱动使用 74LS164，通过 SPCE061A 的 IOB0 和 IOB1 口对DATA 和 CLK 发送数据。 如图 3-8 所示： 图 3 8 用 74LS164 驱动电路图 3.5 4X4 键盘电路的设计 14 行列式键盘的工作原理： 在键盘中按键数量较多是，为了减少 I/O 口的占用，通常将 按键排列成矩阵形式，如图 3-9 所示，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，本来一个端口最多只有 8 个按键，现在就可以构成 4x4=1
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