直流電機監控閉環轉速系統的實現，直流電機，PIC，RS232／SPI總線，脈寬調制1引言直流電機監控系統是機電產品中的重要環節，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。本系統采用一種適用于小容量存儲器單片機（如PIC系列）系統且功能強大的RTO—Salvo。無需擴展大量的RAM和ROM并且實時性好。大大節省了成本。系統選用 PC機作為上位引言直流電機監控系統是機電產品中的重要環節，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。本系統采用一種適用于小容量存儲器單片機（如PIC系列）系統且功能強大的RTO—Salvo。無需擴展大量的RAM和ROM并且實時性好。大大節省了成本。系統選用PC機作為上位機，運用API函數及MSCOM控件實現計算機通信。PIC16F877A單片機及外圍電路組成一個單片機系統。作為下位機。電路設計包括PWMg動、CCP甫捉、A/D模數轉換、LCD液晶顯示、RS232和SPI串行通訊以及下位機雙機通信模塊。系統總體框圖如圖1所示。Salvo系統簡介嵌入式實時操作系統Salvo具有占用系統資源少和功能強大兩大特點Salvo占用的系統資源Salvo最大的特點是占用系統資源少，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函數，占用RAM取決于用戶定義的變量、任務和事件的數量。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。Salvo共支持16個任務優先級，且多個任務可共用一個優先級，任務按優先級高低切換，對于多個同一優先級的任務則以時間片循環方式（round-robin）切換。Salvo支持任務和事件的數量取決于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：提供任務延時函數功能；信號管理：提供信號量建立、刪除、等待、發出等功能；消息管理：提供消息建立、刪除、等待、發出等功能。系統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據采用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據以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，會同時發送和接收數據，使其成為一種全雙工協議，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。考慮到TLP521-4電路具有反相器作用，PW信號中的高電平持續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。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電機速度檢測，構成了完整的閉環控制系統。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。系統選用了 Maxim公司的MAX232!用串行接收/發送驅動器，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。本系統設計采用OCM中文模塊系統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，用戶輸入區位碼或ASCII碼可實現文本顯示。OCM中文液晶顯示模塊采用ASQANSWE握手方式。系統軟件總述下位機軟件設計智能電機監控系統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。總體流程框圖如圖4所示，控制算法是利用PIC16F877A直接控制PID參數，實現精確控制。上位機系統設計上位機系統軟件是在Windows平臺上利用Vi-sualBasic6.0開發的，設計包括了操作提示部分（自動發送、手動發送、串口選擇、奇偶校驗、波特率、數據位等）、接收回顯部分（接收數據位、電機轉速、電機正反轉等）以及發送內容部分（電機轉速設定、過壓、過流保護值等）。監控電機工作時上、下位機實時通訊，顯示的參數值實時性好，此時電機正處在反轉狀態（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、下位機的數據顯示是同步的。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出報警信號（紅燈亮、蜂鳴器響、上位機出現錯誤標志、下位機的液晶上也會出現錯誤提示等）