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1、8411.概述概述一般测控系统的基本组成部分一般测控系统的基本组成部分第1页/共84页8422.2.主控处理器选型主控处理器选型目前可采用的主控处理器主要有:l 单片机(80C51，C8051F，PIC，）l DSP（TI公司的TMS320C2000系列）l 嵌入式处理器（ARM7：S3C44B0X，）l FPGA（Xilinx公司的Spartan II系列,Spartan III系列，）可用于扩展处理器外围逻辑的器件：l CPLD（Xilinx公司的XC9500系列，CoolRunner系列，）第2页/共84页8432.1 2.1 单片机主控处理器单片机主控处理器优点：使用简单价格便宜，外围
2、电路简单缺点：功能相对简单大多数情况下需要仿真器和编程器可选型号：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列第3页/共84页8442.2 DSP2.2 DSP主控处理器主控处理器TI公司用于电机控制等领域的DSP有如下优点：专为电机控制设计，具有许多电机控制所需要的片上外设，如PWM发生器，正交编码器外围电路简单（片上集成Flash和SRAM）开发较容易价格适中DSP的缺点：需要仿真器可选型号：TMS320LF2407TMS320LF2812第4页/共84页8452.3 2.3 嵌入式主控处理器嵌入式主控处理器嵌入式处理器目前应用很广，其优点有：性能较强，有丰富的片上外设，大多数处理器
3、带有PWM模块可以移植操作系统（uClinux，Linux等），为使用USB摄像头等提供了可行方案有丰富的开发资料可以参考不需要仿真器嵌入式处理器的缺点：外围电路复杂，多数情况下需要扩展Flash和SDRAM如果采用现成的开发板成本较高基于操作系统环境，移植USB摄像头等难度较大第5页/共84页846可选型号：ARM7 ARM7 系列：三星公司的S3C44B0X S3C44B0X（片上外设丰富，有PWMPWM发生器，需要外扩FlashFlash和SDRAMSDRAM，有移植好的uClinuxuClinux，不需要仿真器）飞利浦公司的LPC213XLPC213X系列（更像一块高性能的单片机，片上
4、外设丰富，有PWMPWM发生器，片上集成FlashFlash和SRAMSRAM，外围电路简单，不需要仿真器。）ARM9 ARM9 系列：三星公司的S3C2410 S3C2410（功能相当强大，系统复杂，有移植好的LinuxLinux，为使用USBUSB摄像头等提供了可能）第6页/共84页8472.4 FPGA2.4 FPGA主控处理器主控处理器FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程器件，其优点有：器件可编程，可以根据自己需要添加各种外设，使得开发具有极大灵活性在XilinxXilinx公司的FPGAFPGA的一些系列FPGAFPGA上可以使用PicoblazePicoblaze、Micobl
5、azeMicoblaze等处理器软核，使得FPGAFPGA变成一片3232位的嵌入式处理器，极大的方便了开发使用处理器软核可在线调试，不需要仿真器外围电路极其简单价格适中FPGA的缺点：不同于一般的MCUMCU，开发过程中会使用到硬件描述语言，对没有基础的同学来说起步相对较难可选型号：XilinxXilinx公司的SpartanIISpartanII系列FPGAFPGA，如XC2S500XC2S500等第7页/共84页8482.5 CPLD2.5 CPLD用于外扩逻辑用于外扩逻辑CPLD也是一种硬件可编程器件，其工作原理和FPGA基本一样，但CPLD门数较小，价格便宜，其用途有：扩展主控处理器
6、没有的外设功能，如正交编码单元，PWMPWM发生器等实现主控处理器与外设的时序转换实现各种数字逻辑，简化外围电路设计可选型号：XilinxXilinx公司的XC9500XC9500系列（XC9572XC9572）第8页/共84页8493.3.常用传感器介绍常用传感器介绍在测控题目中，传感器占有重要位置。在设计中，传感器通常可以完成寻线，视觉，测距，辨识目标等功能。常用的传感器有：红外传感器超声波传感器光敏传感器CCD第9页/共84页84103.1 3.1 红外传感器红外传感器红外传感器由红外发射二极管和红外接收三极管构成。通常使用的红外光波长是940nm。红外发射二极管 红外接收三极管第10页
7、/共84页8411为了提高抗干扰能力，发射管发射的红外光通常被调制到38KHz的频率。为了提高红外灵敏度和作用范围，通常调制波的占空比较小但幅值很大。第11页/共84页8412红外接收管通常分为分离式红外三极管和一体化红外接收管。红外三极管集、射级加一电压，当接收到红外光时集射级电流较大，当没有红外光时集射级电流较小。使用较为麻烦，需要自己用锁相环对38KHz红外光进行锁相检测。一体化红外接收管如图所示。当接收管接受到38KHz红外光时输出高电平或脉冲，否则输出低电平。使用简单，但体积略大。第12页/共84页8413红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收
8、管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离。可用于探测目标物和电机测速。反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物或反光物质时，接收管收到反射回来的红外线才工作。可用于寻线，探测目标物等。常用型号HS0038A,HS0038B。第13页/共84页84143.2 3.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器由超声波发生器和超声波接收器组成。超声波发生器 超声波接收器第14页/共84页8415实际应用中，采用的超声波频率通常为40KHz，即加在超声波发生器两端的方波电压频率为40KHz。第15页/共84页8416超声波接收器是一种无源器件，它能将接
9、收到的超声波能量转化成电压信号输出。此输出电压幅值较小，需要经过放大并通过锁相环识别才能成为MCU能处理的逻辑信号。第16页/共84页8417超声波传感器主要用于探测前方物体和测距。超声波发生器发出的超声波碰到前方障碍物后被反射回来并被超声波接收器接收。通过计算发出超声波与接受到超声波的时间差可以计算出前方障碍物的距离。和红外传感器相比，超声波传感器在测距和探测障碍物方面精准度和作用范围都好很多。通常超声波测距距离可达510米，精度可达0.1米。超声波在空气中的传播速度与声速相同，与温度有关。第17页/共84页84183.3 3.3 光敏传感器光敏传感器常用的光敏传感器包括：光敏电阻光敏二极管
10、光敏三极管光敏传感器可以用在可见光反射寻物，电机测速等方面。第18页/共84页8419光敏电阻是一种阻值随光照强度变化而变化的电阻。其优点包括灵敏度高，光谱特性好，体积小，重量轻和成本低等。第19页/共84页8420 光敏二极管和一般的二极管相似。但光敏二极管一般工作在反偏状态下。无光照时光敏二极管的反向电流很小，当有光照时反向电流增加。第20页/共84页8421 光敏三极管和红外接收管相似。它除了把光信号转换成电流信号外，同时又将电流信号加以放大。因此光敏三极管的光电流比相同管型的二极管光电流大很多。第21页/共84页84223.4 CCD/CMOS3.4 CCD/CMOS摄像头摄像头典型的
11、USB摄像头组成框图左：CMOS 传感器右：CCD 传感器第22页/共84页8423l 方案一：在uClinux/Linux下移植USB摄像头驱动l 方案二：采用现成的USB摄像头，不用其接口芯片，而直接用MCU控制感光传感器，得到需要的视频信号。（例如采用CMOS传感为HY7131R/镁光 MI360的摄像头）l 方案三：采用手机摄像头。（例如采用OV9650的摄像头）注意：如果采用方案二、三，最重要的是能否找到对应芯片的datasheet第23页/共84页84244.4.电机及驱动电机及驱动测控中可能用到的电机包括：直流电机有刷直流电机无刷直流电机步进电机第24页/共84页84254.1
12、4.1 直流电机直流电机 直流电机主要包括有刷直流电机和无刷直流电机。这里主要讨论有刷直流电机（下简称直流电机）。直流电机的参数主要有：l 功率Wl 输出力矩 Nl 最高转速rpml 电压Vl 电流I第25页/共84页8426直流电机的工作特性:转速 n=n0 keI (n0是空载转速，ke是转速常数，I是电流）输出转矩 T=kmI (km 是转矩常数，I是电流）电机电动势 Eken电流 I（UE）/r0(U 是加在电机两端的电压，r0是电机绕组的内阻）直流电机的工作特性曲线第26页/共84页8427 直流电机多采用PWM（脉宽调制）方式进行控制。其加在电机两端的电压为PWM波：占空比:电机两
13、端电压的直流分量:由此可见,电机电压的平均值与PWM波的占空比成正比，可以通过调节占空比实现直流电机的调速。通常情况下，PWM波的频率为几十KHz。第27页/共84页8428直流电机的PWM调速通常由H桥实现。第28页/共84页8429常用H桥芯片：L298N（电流2A）第29页/共84页8430电机通常采用码盘反馈速度和转向：光学式码盘：l 码盘l 发射端：红外发射器或可见光源l 接收端：红外接收器或光敏器件第30页/共84页8431直流电机控制系统：第31页/共84页84324.2 步进电机步进电机 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。其特
14、点有：l 可以根据控制转过精确的角度l 无需反馈，是一个半闭环系统l 步距误差不会积累l 停止时有自锁功能l 多数情况下需要使用步进电机专用驱动器第32页/共84页8433步进电动机种类步进电动机种类第33页/共84页8434(1)(1)结构分析结构分析定子定子步进电动机的工作原理第34页/共84页8435转子转子转子第35页/共84页8436(2)(2)工作原理工作原理步进电动机结构原理图步进电动机结构原理图齿距：齿距：齿距：齿距：步步进进电电机机的的转转子子上上均均匀匀地地分分布布着着4040个个齿齿，齿齿间间（齿齿距距）夹夹角角为为99（360/40360/40）,定定子子上上有有6 6
15、个个大大齿齿，相相差差180180的的两两个个大大齿齿组组成成一一相相，共共有有A A、三三相相。每每个个大大齿齿上上有有若若干干个个与与转转子子上上一一样样的的小小齿齿。定定子子的的每每一一相相都都有有励励磁磁绕组。绕组。第36页/共84页8437错位步进电动机结构原理图步进电动机结构原理图当A相定子齿和转子齿对齐，若和A相磁极中心对齐的转子齿为1号齿，因B相磁极与A相磁极差120，且120/9=13（1/3），故转子齿不能与B相定子齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3第37页/共84页8438电机转动的工作原理电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因总结
16、：错齿是步进电动机旋转的根本原因第38页/共84页8439步距角步距角绕组每通电一次（即运行一拍），转子就绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，即转过一定的角度。走一步，即转过一定的角度。步距角步距角第39页/共84页8440目的目的 当定子绕组按一定顺序轮流通电时，转子就沿一定方向一步步转动。因此步当定子绕组按一定顺序轮流通电时，转子就沿一定方向一步步转动。因此步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现该种轮流通电，进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现该种轮流通电，要将控制脉冲要将控制脉冲要将控制脉冲要将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。按规定的通电方式分配到电动
17、机的每相绕组。按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。(3)步进电动机的控制原理第40页/共84页8441第41页/共84页8442步进电机的运行方式三相三拍运行方式三相三拍运行方式当A A相通电时，B B相、相不通电：A A相定子上的齿与转子上的齿对齐（通电后磁场力作用的结果），迫使电机旋转3,B3,B相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿3,C3,C相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿66 第42页/共84页8443当B B相接通电时，A A相、C C相不通电：B B相齿对齐，电机旋 转 33；C C相 超 前 33相超前当C C相通电时，B B相、A
18、 A相不通电:C:C相齿对齐，电机旋转 33；A A相 超 前 33；相超前66 第43页/共84页8444 因此，如果定子A A、B B、C C三相按 ABCAABCA 的顺序依次通电，则步进电机将不断地按顺时针方向转动。每一次通电转，每三次通电才走完一个齿距，因此叫三相三拍。每一次通电转动的固定角叫步距角。显然，三相三拍运行时，步距角。第44页/共84页8445 假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相对齐后就停止转动，叫做位状态。如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按 ACBAACBA 进行时，则电机反时针旋转，叫反转。可见控制步进电机正转反转只是三相绕组通电顺序不同而已。第45
19、页/共84页8446三相六拍运行方式三相六拍运行方式 当A A相通电时，A A相定子齿与转子齿对齐，此后，如果让A A、B B两相同时通电，可以发现转子转动1 155。再让A A相断电、B B相通电，又可发现转子再转1.51.5。所以按照 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 的顺序控制，电机将按顺时针方向旋转，每步转动1 155，即步距角=1=155，由于要经过6 6步才走完一个齿距（61615=95=9），所以叫三相六拍。第46页/共84页8447如果要使步进电机反转，只要按 AACCCBBBAAACCCBBBA顺序通电就行了。结论：从从上上面面两两种种运运行行方方式式可可看看出出，错
20、错齿齿是是促促使使步步进进电电机机旋旋转转的的根根本本原原因因，当当某某相相通通电电，相相应应的的齿齿对对齐齐，迫迫使使电电机机旋旋转转一一个个步步距距角角，未未通通电电的的各各相相的的齿齿出出现现了了新新的的错错位位。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。讨讨论论：三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位更精确？第47页/共84页8448(4)步进电机有如下特点：给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；
21、改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。第48页/共84页84494 42 23 3 步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理步进电机控制系统的组成图 第49页/共84页8450（1 1）步进控制器）步进控制器 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转向控制门等。作用:把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器。优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高。灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。（2 2）功率放大器）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。第50页/共84页8451用微型机控制步进电机原理系统图第51页/共84页
22、8452两图相比：用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。第52页/共84页8453 (1)用软件的方法实现脉冲序列；(2)步进电机的方向控制；(3)步进电机控制程序的设计。4 42 24 4 系统主要解决几个问题系统主要解决几个问题第53页/共84页8454（1 1）脉冲序列的生成）脉冲序列的生成脉冲序列图第54页/共84页8455 脉冲幅值由数字元件电平决定。接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步
23、进到位。第55页/共84页8456 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。三相步进电机有三种工作方式：单三拍，通电顺序为 ABC ；双三拍，通电顺序为 ABBCCA ；三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA ；（2 2）方向控制）方向控制第56页/共84页8457用微型机输出接口的每一位控制一相绕组。【例如】用 8255 8255 控制三相步进电机时，可用 PC.OPC.O、PC.1PC.1、PC.2 PC.2 分别接至步进电机的A A、B B、C C 三相 绕组。根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。上面讲的三种控制方式的数学
24、模型分别为：（3 3）步进电机通电模型的建立）步进电机通电模型的建立第57页/共84页8458 三相单三拍三相单三拍步步 序序 控控 制制 位位 工工 作作 状状 态态 控控 制制 模模 型型 PC.7PC.6PC.5PC.4PC.3PC.2C相相 PC.1B相相 PC.0A相相 100000001A01H200000010B02H300000100C04H第58页/共84页8459 三相双三拍用用 P1P1口口 的的 P1.2 P1.2、P1.1P1.1、P1.0 P1.0 对应 C C、B B、A A 相相 进行控制行控制 。第59页/共84页8460 同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制
25、模型：双三拍 03H，06H，05H 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。第60页/共84页84614 42 25 5 步进电机与微型机的接口及程序设步进电机与微型机的接口及程序设计计（1 1）步进电机与微型机的接口电路）步进电机与微型机的接口电路由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如 82558255、81558155等。驱动器可用大功率复合管，例如ULN2800ULN2800达林顿管；也可以是
26、专门的驱动器，例如6280362803等。光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，第61页/共84页8462由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如下图第62页/共84页8463步进电机与微型机接口电路0 00 01 10 01 11 11 10 00 0第63页/共84页8464只要按一定的顺序，改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。第64页/共84页8465步进电机程序设计的主要任务是：判断旋转方向；按顺序传送控制脉冲；判断所要求的控制步数是否传送完毕。程序框图下面以三相双三拍为例说明这类程
27、序的设计.（2 2）步进电机程序设计）步进电机程序设计第65页/共84页8466三相双三拍步进电机控制程序流程图第66页/共84页8467 ORGORG0100H0100HROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步进电机步数A A JNB JNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，转 LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1：MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，输出第一拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时 DECDECA A；A A0 0，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，06H06H；输出第二拍 ACALL
28、ACALL DELAYDELAY；延时 DECDECA A；A A0 0，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，05H05H；输出第三拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时 DECDECA A；A A0 0，转 LOOP1LOOP1 JNZ JNZLOOP1LOOP1程序。根据上图可写出如下步进电机控制程序第67页/共84页8468 AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，转DONEDONELOOP2LOOP2：MOVMOV P1 P1，03H03H；反向，输出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延时DEC
29、ADEC A；A A0 0，转DONDON JZ JZ DONE DONE MOV P1 MOV P1，05H05H；输出第二拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延时 DECDEC A A JZ JZ DONE DONE；MOVMOV P1 P1，06H06H；输出第三拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延时 DECDEC A A ；A A0 0，转LOOP2LOOP2 JNZ JNZ LOOP2 LOOP2DONEDONE：RETRETDELAY：第68页/共84页8469 对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。第69页/共84页8470作法：把环型
30、节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中，逐一从单元中取出控制模型并输出。节拍越多，优越性越显著。以三相六拍为例进行设计，其流程图如下图所示。（3 3）循环程序）循环程序第70页/共84页8471三相六拍步进电机控制程序框图ROUTN2ROUTN2LOOPLOOP0 0LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1第71页/共84页8472ORGORG8100H8100HROUTN2ROUTN2：MOVMOVR2R2，COUNTCOUNT；步进电机的步数LOOP0LOOP0：MOVMOVR3R3，#00H#00HMOV DPTRMOV DPTR，#POINT#POINT；送控制模型指针JNBJNB00H
31、00H，LOOP2LOOP2；反转，转LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1：MOVMOVA A，R3R3；取控制模型MOVCMOVCA A，A+DPTRA+DPTRJZJZLOOP0LOOP0；控 制 模 型 为 00H00H，转LOOP0LOOP0MOVMOVP1P1，A A；输出控制模型ACALLACALLDELAYDELAY；延时INCINCR3R3；控制步数加1 1DJNZDJNZR2R2，LOOP1LOOP1；步数未走完，继续RETRET根据上图所示三相六拍步进电机控制程序如下：第72页/共84页8473LOOP2LOOP2：MOVMOV A A，R3R3；求反向控制模型的偏移量
32、 ADDADD A A，#07H#07H MOV MOV R3 R3，A A AJAMP AJAMP LOOP1 LOOP1DELAYDELAY：；延时程序 POINTPOINT DBDB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制模型 DB DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型COUNTCOUNT EQU 30H,EQU 30H,POINT EQU 0150H 第73页/共84页84744 42 26 6 步进电机步数及速度
33、的确定方法步进电机步数及速度的确定方法两个重要的参数:步数 N 控制步进电机的定位精度。延时时间 DELAY 控制其步进的速率。第74页/共84页84765.5.供电系统供电系统 测控系统可采用的供电方式主要是电池供电。常用的电池类型有：l 碱性电池l 镍氢电池l 锂电池 电池选取的主要参数：l 电池组电压（ie:12V）l 电池组的容量（ie:2200mAH）l 电池组的最大输出电流 （ie：10A）第76页/共84页84775.1 5.1 降压的实现措施降压的实现措施 通常情况下，机器人使用的电池为十几伏，而很多芯片的供电电压为5V，3.3V，甚至1.8V。因此需要采用降压电路来得到需要的
34、电压。降压电路分为两类：l 线性降压电路l 优点：简单，可靠性较高l 缺点：效率低，器件发热厉害l 开关型降压电路l 优点：效率高，器件发热量小l 缺点：电路较为复杂第77页/共84页8478LDO方案第78页/共84页8479采用LM2576得到5V电压的开关式降压电路DC-DC器件方案第79页/共84页8480输入电容输入电容电感电感输出电容输出电容第80页/共84页8481采用TPS767D318得到3.3V和1.8V电压的线性降压电路专用电源芯片方案第81页/共84页84825.2 5.2 获得负电压的措施获得负电压的措施一些模拟器件如运放等可能需要正、负双电源供电，这样就需要将正电压转换成负电压。电压极性转化常用BuckBoost型开关变换电路实现。采用LM2576得到12V电压的典型电路第82页/共84页8483Class is Class is over.over.Bye-bye!Bye-bye!第83页/共84页8484感谢您的观看。第84页/共84页