高壓平流泵控制系統設計與實(shí)現，軟硬件協(xié)同

1前言

1.1高壓平流泵控制現狀

高壓平流泵是利用電機驅動(dòng)柱塞泵，使液體以穩定的流量及壓力輸出的一種設備，作為分析儀器的動(dòng)力源，廣泛應用于石油、化工、食品、制藥、煤炭、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域。其主要技術(shù)要求：壓力范圍0~42MPa，流量范圍0.001~9.999mL流量誤差小于0.5%，從技術(shù)參數可知，如此小流量、高精度、高壓力的流量計較難制造。平流泵又稱(chēng)恒流泵，要求流速恒定。平流泵流量的設定，實(shí)質(zhì)上就是改變電機的轉速，所以恒流效果如何主要取決于電機速度的穩定性。

目前，國內生產(chǎn)的恒流泵大多為步進(jìn)電機驅動(dòng)。這種泵成本低，調試方便，但致命弱點(diǎn)是在低流量下有較大脈動(dòng)，很難保證恒流效果。這是因為步進(jìn)電機是按照一定拍節和相序運行。為了解決這一問(wèn)題，可借鑒國外儀器，使用直流電機取代步進(jìn)電機，使恒流泵的性能大為提高^[1]。直流電機具有良好的線(xiàn)性調速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，特別適用于要求調速的系統。

現在市場(chǎng)上通用的電機控制器大多采用單片機和DSP。但是傳統單片機的數據處理能力有限，對采用復雜的反饋控制的系統，由于需要處理的數據量大，實(shí)時(shí)性和精度要求高，往往不能滿(mǎn)足設計要求。近年來(lái)出現了各種高速SOC單片機，其性能得到很大提高，價(jià)格卻比DSP低很多。其相關(guān)軟件和開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越多，功能也越來(lái)越強，但價(jià)格卻在不斷降低?，F在越來(lái)越多的廠(chǎng)家開(kāi)始采用SOC單片機來(lái)提高產(chǎn)品性?xún)r(jià)比^[2]。

1.2本文主要內容

系統采用PWM技術(shù)閉環(huán)調節直流電機轉速，從而精確控制平流泵流量。

系統對高壓平流泵精度要求非常高，流量精度要求小于0.5%。如此高精度需要有高性能控制器來(lái)采集調節直流電機轉速，PIC32MX460F512L可很好滿(mǎn)足要求，它采樣直流電機轉速，經(jīng)過(guò)分析處理，發(fā)送適當占空比的PWM信號給電機，從而精確控制直流電機轉速。為提高系統穩定性，電機驅動(dòng)采用電機專(zhuān)用驅動(dòng)芯片LMD18200。

系統提供壓力、電流和熱報警三重保護，以防平流泵損壞。壓力和電流采用PIC32MX460F512L提供的A/D模塊采樣，精度高達10位^[8]。

為便于人機交互和調試系統，系統提供了穩定可靠的通信功能，通信部分采用光耦隔離，提供RS232通信方式。

2相關(guān)技術(shù)和原理

2.1 直流電機控制方法

在各類(lèi)機電系統中，由于直流電機具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調速性能，直流電機調速系統已廣泛運用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機的傳動(dòng)技術(shù)得到改進(jìn)，以往普遍采用的三種基本調速方法，即：(1) 改變電樞回路總電阻；(2)改變電樞的供電電壓；(3) 改變勵磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流電機調壓系統，以及全波不控整流——PWM軋波直流電機調壓調速系統^[3]。直流電機脈寬調制（PWM）直流調速具有調速精度高、響應速度快、調速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)，使之成為直流電機應用的主要調速方式。

2.2 PWM直流調速原理

PWM控制是對脈沖的寬度進(jìn)行調制的技術(shù)，即通過(guò)對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調解，來(lái)有效地獲得所需要的波形?；赑WM控制的調速電路把流電壓“軋”成一系列脈沖，通過(guò)改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。在PWM驅動(dòng)控制的調速系統中，通過(guò)改變電機電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機的轉速。用脈寬調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速?？梢?jiàn)，在直流電壓下，當調制脈沖頻率一定時(shí)，脈沖寬度與占空比成線(xiàn)性關(guān)系。

在脈沖作用下，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，就能夠實(shí)時(shí)控制電機的運轉速度。當電機通電時(shí)速度增加；電機斷電時(shí)速度減小。設電機直接接通電源時(shí)(即占空比為100%)，電機的轉速為V_m，設占空比為D=t/T，則電機的平均速度為

(2-1)

式中：V_e——平均速度；V_m——全速（即直接通電時(shí)的速度）；D=t/T——占空比(0-100%)。

由式(2-1)可見(jiàn)，V_m是直流電機直接通電時(shí)的速度（全速），只跟電機本身的特性相關(guān)，電機一定時(shí)，V_m為一個(gè)定值。改變占空比D=t/T，就能得到不同的平均速度，從而就能夠對電機轉速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制^[4]。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，在一般的應用中，可將其近似看成線(xiàn)性關(guān)系。

2.3 H橋型電機驅動(dòng)原理

圖2-1 H橋PWM驅動(dòng)

常見(jiàn)的PWM驅動(dòng)系統的主電路（功率放大器）結構有：H型和T型。這里以H型結構為例說(shuō)明PWM雙極式驅動(dòng)的電路工作原理。

H橋PWM驅動(dòng)如圖2-1，圖中VD1、VD2、VD3、VD4為續流二極管，用來(lái)保護VT1、VT2、VT3、VT4三極管，U_b1=U_b4=-U_b2=-U_b3。

當U_b1=U_b4為正時(shí)，VT1和VT4導通，VT2和VT3截止，U_AB＝U_s。

當U_b2=U_b3為正時(shí)，VT1和VT4截止，VT2和VT3不能立即導通，因為電機的反電勢使AB存在續流，續流流經(jīng)VD3和VD2，保護了四個(gè)三極管，若續流在這個(gè)過(guò)程沒(méi)有得到很大衰減，而U_b1=U_b4為正的階段已經(jīng)來(lái)臨，則VT2和VT3一直不能導通；若續流在這個(gè)過(guò)程中得到很大衰減，則VT2和VT3導通，U_AB＝-U_s。

顯然，U_b1=U_b4為正的時(shí)間和U_b2=U_b3為正的時(shí)間相同時(shí)，U_AB的平均電壓為0，電機動(dòng)態(tài)靜止；當U_b1=U_b4為正的時(shí)間長(cháng)于U_b2=U_b3為正的時(shí)間時(shí)，U_AB的平均電壓>0，電機正轉，U_AB的值越大，轉速越高；當U_b1=U_b4為正的時(shí)間短于U_b2=U_b3為正的時(shí)間時(shí)，U_AB的平均電壓0，電機反轉，U_AB的值越小，轉速越高。

可見(jiàn)，只要控制U_b1、U_b2、U_b3、U_b4的脈沖寬度，就可控制直流電機的轉向和速度，且可以達到動(dòng)態(tài)靜止，有利于正反轉死區電壓的消除^[3]。

2.4 電機驅動(dòng)H橋組件LMD18200

小型機電一體化產(chǎn)品要求直流電機的驅動(dòng)器既有較小的體積，又能提供較大的電流、電壓輸出。采用達林頓三級管可搭建H橋實(shí)現PWM脈寬調制控制系統，但由于分立器件各個(gè)元件的特性并不相同，調速性能并不太好，而且電路不能達到很高的穩定性。相比而言，采用美國國家半導體公司推出的專(zhuān)用于運動(dòng)控制的Ｈ橋組件LMD18200具有很大好處。該芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，峰值輸出電流高達6A，連續輸出電流高達3A，工作電壓高達55v，還具有熱報警和過(guò)熱與短路保護功能^[5][6][7]。

原理框圖如圖2-2。因為電機由LMD18200驅動(dòng)，對電機的控制就是對LMD18200控制，所以這里將詳細介紹一下該芯片的用法。

圖2-2 LMD18200原理框圖

(1) PWM信號類(lèi)型

LMD18200可采用兩種不同類(lèi)型的PWM信號：①類(lèi)型1 PWM信號中既包含方向信息又包含幅值信息，50%占空比的PWM信號代表零電壓。使用時(shí)，該信號應加于方向輸入端（腳3），同時(shí)將PWM信號輸入端置邏輯高電平。②類(lèi)型2 分別由方向信號與幅值信號組成。幅值由PWM信號的占空比決定，零脈沖時(shí)代表零電壓。在實(shí)際使用時(shí)，腳3接方向輸入信號，腳5接PWM信號。

(2) 電流取樣限流

每輸出1A電流，腳8輸出377nA取樣電流。接在8腳與地之間的電阻將其轉化為電壓信號，該電壓幅值在5-8v之間時(shí)，線(xiàn)性度與精度最佳。該端最高電壓為12v。電流取樣電路并不檢測反饋電流，僅檢測橋臂上端晶體管中的電流。

(3) 溫度報警標志

該端(9腳)為OC門(mén)輸出，對多芯片使用可進(jìn)行線(xiàn)與。該端通常接到系統控制器的中斷輸入，以便過(guò)熱時(shí)對系統采取適當措施。該端最高電壓為12v。

(4) 限流

LMD18200內部含有限流保護電路，用于檢測器件中的浪涌電流，該電流接近10A時(shí)，迅速關(guān)斷功率器件。器件關(guān)斷后，保護電路周期性試圖開(kāi)通功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就恢復正常運行。由于短路將產(chǎn)生大量熱量，在實(shí)際使用時(shí)，LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器，同時(shí)芯片電源端V_cc（腳6）在PCB上需要1平方英寸的銅箔。

(5) 工作原理

LMD18200內部集成了４個(gè)DMOS管，組成了一個(gè)標準的H橋驅動(dòng)電路。H橋高側DMOS功率器件要求其柵極驅動(dòng)電壓大于電源正極約8V以上才能導通。為此該集成電路設置了內部充電泵電路，它由一個(gè)300kHz振蕩器控制，充電泵電容被充電至14v左右。此柵極驅動(dòng)電壓上升時(shí)間典型值為20us，適用于工作頻率1kHz左右的情況。如果要求更高的工作頻率，需要外接自舉電容。推薦用兩個(gè)10nF的電容器分別接于引腳1、2和引腳10、11之間，使柵極驅動(dòng)電壓上升時(shí)間在100ns以下，允許開(kāi)關(guān)頻率高達500kHz。引腳2、10接直流電機的電樞兩端，正轉時(shí)電流的方向應該從引腳2到引腳10；反轉時(shí)電流的方向應該是從引腳10到引腳2。電流檢測引腳8可以外接一個(gè)對地電阻，通過(guò)此電阻來(lái)檢測輸出電流的情況。內部保護電路設置的過(guò)電流閾值是10A，當超過(guò)該值時(shí)會(huì )自動(dòng)封鎖輸出，并周期性地自動(dòng)恢復輸出。如果過(guò)電流持續的時(shí)間過(guò)長(cháng)，過(guò)熱保護將關(guān)閉整個(gè)輸出。過(guò)熱信號可以通過(guò)引腳9輸出，當結溫達到145度時(shí)引腳9有輸出信號。

6. LMD18200邏輯正值表

LMD18200邏輯正值表如下（表2-1），通過(guò)控制PWM信號，Dir信號和Brake信號可控制驅動(dòng)電流，從而控制電機的轉向及啟停。

表2-1 PWM邏輯正值表

2.5 本設計中軟件

2.5.1 Altium Designer Summer 09

原名protel,從2004年開(kāi)始更名為protel dxp 而后是新版 Altium Designer 6.0。6.9以后開(kāi)始了以年份命名

Altium Designer Summer 09是基于Windows的32位EDA設計系統，集成強大的設計能力、復雜工藝的可生產(chǎn)性、設計過(guò)程管理于一體，可完整實(shí)現電子產(chǎn)品從電學(xué)概念設計到生成物理生產(chǎn)數據的全過(guò)程。既滿(mǎn)足了產(chǎn)品的高可靠性，又極大縮短了設計周期，降低了設計成本。

Summer 09版本解決了大量歷史遺留的工具問(wèn)題。其中就包括了增加更多的機械層設置、增強的原理圖網(wǎng)絡(luò )類(lèi)定義。新版本中更關(guān)注于改進(jìn)測試點(diǎn)的分配和管理、精簡(jiǎn)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、軟設計中智能化調試和流暢的License管理等功能。

利用Altium Designer Summer 09設計電路板的一般流程如下：

(1) 電路原理圖的設計。

(2) 產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )報表。

(3) 印制電路板的設計。

2.5.2 MPLAB IDE

MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）是一款免費的集成工具組合，用來(lái)對采用Microchip PIC®和dsPIC®單片機的嵌入式應用進(jìn)行開(kāi)發(fā)。MPLAB IDE作為32位應用程序運行在MS Windows®系統上，其使用方便并且包含一系列免費軟件可進(jìn)行快速應用開(kāi)發(fā)和強大的調試。MPLAB IDE也可作為獨立的統一圖形用戶(hù)界面，支持其他Microchip和第三方的軟件及硬件開(kāi)發(fā)工具。由于MPLAB IDE對所有工具都呈現相同的用戶(hù)界面，因此無(wú)論是工具之間的切換，還是免費軟件模擬器向硬件調試和編程工具的升級均非常便捷

MPLAB IDE 提供以下功能：

　　• 使用內置編輯器創(chuàng )建和編輯源代碼。

　　• 匯編、編譯和鏈接源代碼。

　　• 通過(guò)使用內置模擬器觀(guān)察程序流程調試可執行邏輯；或者使用MPLAB ICE 2000和 MPLAB ICE 4000 仿真器或MPLAB ICD 2 在線(xiàn)調試器實(shí)時(shí)調試可執行邏輯。

　　• 用模擬器或仿真器測量時(shí)間。

　　• 在觀(guān)察窗口中查看變量。

　　• 使用 MPLAB ICD 2、PICSTART Plus 或 PRO MATE II 器件編程器燒寫(xiě)固件。

• 使用MPLAB IDE 豐富的在線(xiàn)幫助快速找出問(wèn)題的答案。

2.5.3 Microsoft Visual C++ 6.0

3需求分析

3.1系統所需的主要功能

3.1.1 電機速度檢測

可實(shí)時(shí)精確檢測電機轉速，以便系統調速和用戶(hù)設定轉速。

平流泵沖程為2mm，管道直徑為3.175mm，由此可計算出平流泵沖程體積為15.83mm3，平流泵取最大流量10ml/min時(shí)，沖程次數為10*1000/15.83=632次。大齒輪轉一圈產(chǎn)生2個(gè)沖程，因此最大流量時(shí)，大齒輪轉速為632/2=316rpm。皮帶傳送的轉速比為10:1，電機轉速要求為316*10=3160rpm，因此電機最高轉速應選4000rpm以上，這里選擇5000rpm。電機轉速范圍1~5000rpm，轉速范圍大，不易精確采樣。

3.1.2 電機調速

根據用戶(hù)設置的電機速度，系統自動(dòng)調節電機轉度，使系統穩定工作，以便用戶(hù)控制平流泵流量，電機調速精度在1.0%范圍內。

3.1.3 電機保護功能

平流泵精度高，電機質(zhì)量好，應提供適當措施保護電機，特別是壓力保護，壓力精度為0.1MPa。

3.1.4 通信功能

要求系統具有串口通信功能，以便與用戶(hù)交互和調試系統。

3.1.5 其他功能

本系統是平流泵產(chǎn)品的一部分，要求為產(chǎn)品的其他部分提供所需接口，如風(fēng)扇電源接口，壓力檢測接口等。

3.2 性能需求

3.2.1 精度需求

在精度需求上，根據使用需要：平流流量精確控制，要求電機速度精確檢測控制，電機調速精度在1.0%范圍內，電機轉速范圍為1~5000rpm。

3.2.2 時(shí)間需求

電機保護，電機速度設定都要求較高的響應時(shí)間，特別是電機保護。

3.2.3 接口需求

(1) 通信接口

本系統要求提供UART串口接口，最好也嵌入485接口，以方便用戶(hù)調試程序和控制系統。

(2) 正交編碼接口

為了檢測電機轉速，系統應提供正交編碼器接口。

(3) 壓力檢測接口

為便于檢測平流泵壓力，系統應提供壓力檢測接口。

(4) JTAG接口

下載調試程序都要用到JTAG接口。

3.3 系統目標

(1) 電機速度精確可控，以保證平流泵流量的高精度。電機轉速范圍1~5000rpm，調速精度為1.0%。

(2) 給高壓平流泵提供壓力和電流兩重保護措施，壓力精度為0.1MPa。

(3) 人機良好交互，電機速度可設置，以便平流泵流量調試。

(4) 高可靠通信功能，以保證與用戶(hù)交互順暢。

4概要設計

4.1 綜述

高壓平流泵控制系統是一個(gè)嵌入式系統，為完成系統所要求的功能，需要軟件硬件協(xié)調工作。

控制系統控制器采用PIC32MX460F512L。PIC32MX460F512L基于80MHz, 1.56 DMIPS/MHz, 32-bit MIPS M4K Core設計的微控制器，它將高性能的32位計算引入到對價(jià)格敏感的嵌入式微控制器應用中，在提高性能的同時(shí)降低了成本。它提供了豐富的外設接口，足夠滿(mǎn)足該系統的設計需要，內置的PWM模塊可用來(lái)控制直流電機，廣泛應用于直流電機控制系統，本系統就采用其作為控制核心單元。

LMD18200作為電機驅動(dòng)芯片，前面已介紹過(guò)其性能。硬件電路采用PIC32MX460F512L+LMD18200方案，比分立電路設計可靠，比單片機控制系統性能高，是一個(gè)不錯的設計方案。

硬件可很好的實(shí)現了電機控制，軟件所要做的就是驅動(dòng)硬件和精確采樣，保證平流泵工作的精度。本系統用循環(huán)和中斷機制控制系統，不采用操作系統，主要基于以下考慮：

(1)本系統中任務(wù)較少，主要有測速并控制速度，采樣電流，采樣壓力和協(xié)議處理，PIC32MX460F512L提供了豐富的中斷資源，大部分任務(wù)可通過(guò)中斷機制實(shí)現，如測速調速，采樣電流，采樣壓力。

(2)操作系統本身要占用存儲空間，任務(wù)調度和切換需要消耗時(shí)間，當任務(wù)切換頻繁時(shí)所耗時(shí)間更多，而操作系統并不能減少中斷時(shí)間。

對重要信息的采集采用中斷方式，減少延遲，提高系統響應速度，縮短系統響應時(shí)間。此外，能用硬件實(shí)現時(shí)盡量用硬件實(shí)現，以提高系統可靠性和響應。

4.2 硬件設計

本系統的硬件設計總框圖如下：

圖4-1 硬件系統總框圖

硬件系統主要分為五個(gè)模塊，分別為：電源模塊，MCU模塊，電機驅動(dòng)模塊，通信模塊及其它。

系統要工作就需要有電源，電源模塊為整個(gè)系統提供合適可靠的動(dòng)力。

MCU是系統“大腦”，系統要井然有序工作，就需要協(xié)調各模塊甚至各個(gè)器件的工作順序，這個(gè)任務(wù)就由MCU來(lái)完成。此外，它還是系統的計算中心，各個(gè)模塊的信息反饋給它，它經(jīng)過(guò)對信息的分析計算，之后再作用于相應模塊器件。它通過(guò)分析正交編碼器反饋的信息可計算出電機的速度，并根據要求值和實(shí)際值來(lái)適當調節電機轉速。它接受串口傳來(lái)的用戶(hù)命令，經(jīng)過(guò)分析可作用于相應模塊以達到用戶(hù)的目標，例如用戶(hù)通過(guò)串口可向MCU發(fā)送設定轉速命令，MCU經(jīng)過(guò)分析通過(guò)調節PWM信號的占空比作用于電機驅動(dòng)模塊，從而達到設置電機速度的目的。它可接收電機驅動(dòng)模塊反饋的電流及熱報警信息，經(jīng)過(guò)分析，可采取適當措施作用于電機驅動(dòng)模塊，以實(shí)現電機的保護功能。此外，它還實(shí)現了ADC接口可實(shí)現壓力檢測，JTAG接口可實(shí)現程序的下載和調試。

電機驅動(dòng)模塊是系統的主要工作模塊。本系統就是為了實(shí)現電機控制，電機驅動(dòng)模塊是直接作用于電機的模塊，MCU通過(guò)對LMD18200的精確控制可實(shí)現電機的精確控制，從而精確控制了平流泵。

通信模塊主要實(shí)現與用戶(hù)的交互，為提高可靠性，設計中采用光耦隔離。本系統設計中提供了兩類(lèi)接口，RS232和RS485

其他模塊主要為了根據系統具體情況增加接口。例如：風(fēng)扇電源接口。

4.3 軟件設計

軟件設計層次圖如下，共包括3部分內容：底層，驅動(dòng)層，應用層和上位機。

圖4-2 軟件設計層次圖

4.3.1 下位機

驅動(dòng)庫為上層驅動(dòng)層設計提供接口，便于驅動(dòng)層編程設計。

驅動(dòng)層包含了系統所需外圍接口的驅動(dòng)程序，主要包括：直流電機驅動(dòng)、PWM驅動(dòng)、溫度檢測驅動(dòng)、蜂鳴器驅動(dòng)、ADC（模數轉化）驅動(dòng)和串口驅動(dòng)。

直流電機驅動(dòng)主要完成速度的采樣及調速，它接受正交編碼器的脈沖信號，通過(guò)脈沖采樣來(lái)完成速度采樣，并根據采樣值與設定值差值對PWM進(jìn)行調節。

PWM驅動(dòng)完成PWM模塊的初始化，PWM占空比的設置，對電機進(jìn)行直接控制。

溫度檢測完成LMD18200熱報警的處理，主要完成相應引腳的初始化及對熱報警的檢測，系統中采用中斷方式進(jìn)行處理。

蜂鳴器驅動(dòng)完成蜂鳴器的初始化及一些簡(jiǎn)單操作，供其他程序調用。

ADC驅動(dòng)把模擬量轉化為數字量，完成壓力采樣和電機電流采樣。根據采樣量的要求采取不同處理，壓力采樣除保護電機外，還提供給用戶(hù)查看，以供用戶(hù)使用；電機電流采樣主要為保護電機，防止電流過(guò)大時(shí)損壞電機。

串口驅動(dòng)完成串口初始化及相應操作，主要為接受和發(fā)送字符。

應用層包括串口命令解析和main()函數。串口命令解析程序接受用戶(hù)的命令，并根據命令對系統進(jìn)行控制。main()完成整個(gè)系統的調度，使系統以合適的順序井然有序工作。

通過(guò)以上分析可知，系統硬件軟件協(xié)調工作，可很好的實(shí)現用戶(hù)所要求的功能。

4.3.2 上位機

上位機用戶(hù)界面主要用于實(shí)現交互功能，用戶(hù)可以通過(guò)此界面向系統發(fā)送命令來(lái)實(shí)現對系統的控制，同時(shí)此界面可以實(shí)時(shí)顯示當前系統運行的各項參數，如平流泵壓力、電流、電機轉速等信息，并可以以波形的形式直觀(guān)的顯示到界面上。另外，本系統還配有數據庫，他將實(shí)時(shí)記錄系統的各項參數，以供對系統進(jìn)行二次研發(fā)提供相應數據。

5詳細設計

5.1硬件設計

5.1.1電源模塊

電路要正常工作，就需要有合適的電源供電。一個(gè)好的供電系統是電路正常工作的首要條件。微控制器需要3.3v電源，直流電機要穩定工作需要24v電壓，本設計中從外部引入24v電壓，經(jīng)變壓后提供3.3v電源供電路板正常工作。此外通信模塊需要5v電源供電，因5v只在通信模塊中用到，所以把5v電壓放到通信模塊介紹。

為了防止大電流或大電壓給電子設備造成損毀，通常使用保險絲作為電路保護元件，最好采用自復保險絲，免去更換元件的煩惱。此外，采用二極管IN4007穩壓，其只允許單向電壓通過(guò)，保護了整個(gè)電路元器件。

24v電壓變壓為3.3v主要用到芯片LM2575-3.3，其應用如圖5-1，芯片兩端都要用電容濾波去耦。

圖5-1 LM2575-3.3應用電路

為便于觀(guān)察電路板上電情況，在電源模塊加LED燈指示上電狀態(tài)。

5.1.2 MCU模塊

本設計中用到的處理器為PIC32MX460F512L，可采用兩種方式安裝到電路板上：插座和SMD。采用SMD焊接芯片時(shí)，微處理器芯片損壞時(shí)，可把帶有PIC32MX460F512L芯片的小主板插到電路板插座上；當采用插座方式安裝處理器芯片時(shí)，芯片損壞時(shí)，只需更換小主板，同時(shí)也為電路板的調試帶來(lái)方便。

這時(shí)設計就要熟悉小主板上電路，通過(guò)查閱數據手冊知道小主板實(shí)現了5v轉3.3v電壓變化電路和復位電路（如圖5-2）及晶振電路，在電路板上需要重新設計這些電路。小主板供電采用5v電源，由于本設計中除通信模塊采用5v電壓外，其余全為3.3v供電，所以在此設計中小主板亦采用3.3v供電，不過(guò)此時(shí)小主板的復位功能就消失了。由于電路板采用3.3v供電，所以在電路板上要設計的電路就剩下晶振電路和復位電路。

圖5-2 小主板上電壓轉化及復位電路

系統中晶振電路設計簡(jiǎn)單，只需在晶振兩端增加兩個(gè)30pF去耦電容即可。

復位電路設計如圖，本設計中復位電路只是簡(jiǎn)單的阻容耦合電路，沒(méi)有采用復位芯片，是因為芯片內部嵌有看門(mén)狗電路，可很好實(shí)現復位。

圖5-3 復位電路

再來(lái)看一下小主板插座設計，小主板3.3v供電，插座中只需要一個(gè)3.3v的電源引腳接3.3v電源即可使小主板穩定工作，插座中接地端都要接地以防干擾。

5.1.3 電機驅動(dòng)模塊

驅動(dòng)電機是本次設計的目標，理所當然電機驅動(dòng)模塊是設計的重點(diǎn)。前面已介紹過(guò)電機驅動(dòng)芯片LMD18200，現就本設計介紹具體應用。

電機驅動(dòng)模塊總結構框圖如圖5-4。微處理器通過(guò)PWM控制驅動(dòng)芯片，從而達到控制電機運轉及調速的目的，同時(shí)LMD18200電機驅動(dòng)芯片向微處理器傳輸熱報警信號（TFLAG）和采樣電流（CTEST）。為了檢測和控制電機速度，增加了QE編碼器，編碼器輸出信號直接傳輸到微處理器，以便MCU計算并設置PWM，從而精確控制電機轉速。

圖5-4 電機驅動(dòng)模塊圖

LMD18200數據手冊中一典型電路如下圖，其中，PWM信號采用類(lèi)型2。

圖5-5 LMD18200典型應用

本設計中LMD18200引腳連接圖如下。

圖5-6 LMD18200應用

前面已經(jīng)較為詳細地介紹了LMD18200的性能及應用，現就本設計中的具體應用做一下簡(jiǎn)單介紹。Vs為電源輸入端，接105電容濾波，GND為接地端。引腳1、2間，10、11間接入了10nF的自舉電容，引腳2、10輸出驅動(dòng)電機運轉。這里PWM類(lèi)型采用類(lèi)型2，即從引腳5輸入PWM信號，引腳3作為電機方向信號輸入端。引腳4是電機制動(dòng)信號，直接接地就可以，表示永不制動(dòng)，當然可通過(guò)其他方式使電機停止運轉，如PWM信號。引腳9是集電極開(kāi)路輸出端，應用中要接上拉電阻，可接最大電壓為12v，根據系統需要接3.3v電壓，該引腳接到MCU一中斷引腳上，以便產(chǎn)生中斷時(shí)系統采取適當措施。引腳8為電流取樣信號輸出端，提供377uA/A電流，通過(guò)下拉電阻使電流信號轉化為電平信號。在這里考慮下拉電阻的大小，取峰值輸出電流6A時(shí)，3.3v/(6A×377uA/A)約為1.46k，在這里取電阻為1k，主要考慮到電流可能大于6A，數據手冊中提到有時(shí)達到10A，故在此最好加一穩壓二極管（這里選擇IN4728）。

電流取樣時(shí)，由于電流為模擬信號最好加放大器，這里采用AD623放大信號，因為信號已經(jīng)較強，不需要增大放大倍數，故在此引腳1，8間不接電阻懸空即可。在電路原理圖中把它與壓力檢測方到一起，因為兩者均為模擬信號處理，在PCB中要特別處理。

圖5-7 AD623應用設計

5.1.4 通信模塊

電路設計中一般都需要通信模塊來(lái)調試程序及通信，本系統也不例外，這里設計了232串口接口。此外，為了保證數據可靠性，采用光耦進(jìn)行隔離?？偨Y構圖如下：

圖5-8 通信模塊框圖

具體設計如下：

首先是變壓，為通信模塊正常穩定工作提供5v電壓。有兩種方案可選，第一種3.3v變壓到5v，第二種方式是從外部引入的24v直接變壓為5v。由于3.3v電壓本身就是經(jīng)24v變壓所得，經(jīng)過(guò)兩次變壓，可靠性及穩定性不好，且由低電壓變?yōu)楦唠妷捍嬖谝欢ㄈ毕?，不如高電壓變?yōu)榈碗妷?，這里采用第二種變壓方式。具體設計如下圖，芯片兩端只需加電容濾波去耦即可。

圖5-9 24v轉5v電路

現在來(lái)考慮光耦，光耦一端接MCU（電壓端3.3v），一端接233芯片和485芯片（電壓端5v）。具體設計如下，芯片采用4N30，MCU引出信號U2Tx、U2Rx，連接通信芯片的信號為T(mén)X2S、RX2S。

圖5-10 光耦應用

232接口芯片MAX232電路如下：

圖5-11 RS232設計圖

485接口芯片電路設計如下：

需要特別指出的是：1）這里增加了一跳線(xiàn)，配置跳線(xiàn)可單獨實(shí)現232功能或485功能，如圖中S1。這里之所以讓兩個(gè)接口共用同一MCU通信線(xiàn)路，主要考慮到MCU出故障可能性很?。ㄈ羰遣捎眯≈靼逍问浇M裝MCU，當MCU 出故障時(shí)只需更換小主板即可）。此外，若要實(shí)現另外一組串口通信，必要增加相應的光耦，增加了電路板面積，增加了成本。2）485芯片的使能信號接在一起，此信號有晶體管驅動(dòng)。當向外發(fā)送時(shí)，若輸出低電平，晶體管不導通，輸出使能；若輸出為高電平時(shí)，晶體管導通，輸出禁能，輸出引腳為高阻狀態(tài)。與軟件串口通信協(xié)議聯(lián)系起來(lái)，串口通信中，無(wú)信號時(shí)輸出高電平，起始位為一低電平。當要向外輸出高電平時(shí)，晶體管導通把控制信號DE變?yōu)榈碗娖?，輸出禁能，默認情況下，串口輸出仍為高電平，芯片能正常工作。當然，使能信號可直接由MCU控制，但那樣增加了軟件難度，這里體現出硬件和軟件相通的思想，即硬件的功能可有軟件來(lái)實(shí)現，軟件的功能也可有硬件來(lái)實(shí)現。

5.1.5 其他模塊

(1) 直流蜂鳴器

通過(guò)控制晶體管的導通與否來(lái)控制蜂鳴器的響停，所以蜂鳴器部分只需一個(gè)GPIO接口控制即可，把引腳方向設為輸出，引腳高電平時(shí)蜂鳴器響，引腳低電平時(shí)蜂鳴器響停。

(2) 正交編碼器接口

正交編碼器安在電機上，用來(lái)檢測電機速度，需要一個(gè)7孔接口。起作用的信號有三個(gè)：A相，B相和索引信號，三信號均為脈沖信號。A相，B相信號用于檢測速度和方向，索引信號用來(lái)確定絕對位置，電機轉動(dòng)一圈可產(chǎn)生多個(gè)相脈沖信號和一個(gè)索引脈沖信號。CCP引腳可捕獲A相、B相脈沖信號，用于檢測電機轉速。索引信號可簡(jiǎn)單與一GPIO相連，當有脈沖時(shí)，引腳啟動(dòng)一中斷即可。

(3) 壓力傳感器

壓力為模擬信號，信號微弱，需要信號放大，這里采用AD623放大器。電路連接與電機電流取樣連接相似，只是在引腳1和引腳8間接一電阻用于放大輸入信號。設計中電阻取10k，放大倍數為11。

(4) 位置檢測器

位置檢測器安裝在轉輪上，用于判斷大轉輪位置。

5.1.6 PCB設計

硬件電路原理圖設計完成后，就需要設計元器件的封裝，從而得到合適正確的網(wǎng)絡(luò )報表。根據所選元器件及其實(shí)際物理尺寸設計元器件的封裝，這里要注意的是，Altium Designer Summer 09封裝庫提供了許多標準元件的封裝，元器件有標準封裝的盡量采用標準封裝，免去制版廠(chǎng)商定制^[10]。將元器件封裝與元器件匹配，提取網(wǎng)絡(luò )報表，為導入到PCB中做準備。

PCB設計按PCB板物理特性設置，布局，布線(xiàn)和DRC流程設計。

PCB板物理特性設置主要是根據產(chǎn)品需要設置合適的板尺寸，設置安裝孔位置及大小和一些其他的有關(guān)PCB板物理特性的設置。本設計中PCB采用兩層板，板的大小為100*85（單位：mm）。

布局主要完成PCB板上元器件的放置。這里要按模塊將元器件分開(kāi)放置，需要注意的是模擬模塊要與數字模塊隔離，以減少相互干擾。此外，要根據產(chǎn)品的需要合理放置外部接口，如電源接口，串口等。

布線(xiàn)主要完成PCB板上元器件引腳的連接。首先設置布線(xiàn)規則，設置各個(gè)線(xiàn)路的寬度，然后自動(dòng)布線(xiàn)看是否能布通。若能布通說(shuō)明布局成功，否則需要適當調整布局以方便布線(xiàn)。這里采用手動(dòng)布線(xiàn)與自動(dòng)布線(xiàn)相結合的方式布線(xiàn)，首先將電源線(xiàn)與地線(xiàn)布通以方便元器件連接，需要注意的是元器件的電源和地線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間形成的回路要最小，以減少電源供電電流形成的回路電流產(chǎn)生的電磁干擾。其次，要預布重要信號線(xiàn)，如PWM信號線(xiàn)，PWM信號是高頻信號，是電機調速信號，應首先考慮。因本PCB板線(xiàn)路不復雜，大部分信號采用手動(dòng)布線(xiàn)。最后按設計規則自動(dòng)布線(xiàn)，完成后做適當調整。

布線(xiàn)完成后，在制板之前要進(jìn)行DRC檢查，以防止電路板出現重要錯誤。

5.2 軟件設計

5.2.1 驅動(dòng)層設計

5.2.1.1 串口驅動(dòng)設計

程序要調試，首先要實(shí)現串口。在串口驅動(dòng)文件中包含四個(gè)函數，串口初始化函數InitUart2 ()，串口發(fā)送函數Uart2Send()，串口接收函數GetCharInBuf()以及串口服務(wù)子程序void __ISR(_UART2_VECTOR, ipl2) ntUart2Handler(void)。

(1) InitUart2 ()完成串口初始化。

(2)Uart0Send()，GetCharInBuf()和UART0_ISR()共同完成串口的發(fā)送和接受。系統發(fā)送機制為程序有數據要發(fā)送，串口就發(fā)送數據且直到發(fā)送完成（阻塞發(fā)送）；字符接受處理在串口中斷中實(shí)現。這里采用了循環(huán)數組來(lái)儲存接受的數據，循環(huán)數組有三個(gè)屬性：CharsInBuf指示數組中存儲的元素個(gè)數，CircIn指示要存儲數據的數組下標，CircOut指示要讀取的數據的數組下標。每接收一個(gè)數據并且存儲到數組中，CharsInBuf++，CircIn++，當從數組中取出一個(gè)數據時(shí)CircOut++，當CircIn、CircOut等于數組長(cháng)度時(shí)，重新設置其值為0。

這里重點(diǎn)介紹一下中斷服務(wù)子程序，其實(shí)現如下：

void __ISR(_UART2_VECTOR, ipl2) IntUart2Handler(void)

{

if(mU2RXGetIntFlag()) //判斷中斷是否為接收中斷

{

mU2RXClearIntFlag(); //接收中斷標志位清零

if(CharsInBufUART0_LEN) //將串口中的數據寫(xiě)入Buffer中

{

Buffer[CircIn] = (char)ReadUART2();

if(CircInUART0_LEN-1) CircIn++;

else CircIn=0;

CharsInBuf++;

}

}

if ( mU2EGetIntFlag() ) //判斷中斷是否為錯誤中斷

{

mU1EClearIntFlag();

}

if ( mU2TXGetIntFlag() ) //判斷中斷是否為傳送中斷

{

mU2TXClearIntFlag();

}

}

}

5.2.1.2 PWM驅動(dòng)設計

PWM驅動(dòng)完成PWM模塊的初始化和PWM占空比的設置。PWM模塊初始化按照數據手冊?xún)热菡{用相應庫函數進(jìn)行設置即可，PWM模塊可產(chǎn)生PWM信號。PWM占空比設置函數為SetPWMdutycycle(int v)；

5.2.1.3 直流電機驅動(dòng)設計

直流電機驅動(dòng)主要完成電機速度采樣和控制。為了精確采樣，電機上安裝有正交編碼器，電機每轉一轉，輸出400個(gè)脈沖?，F將計數器設為邊沿觸發(fā)，則采樣精度進(jìn)一步提高，相當于電機轉速放大了400倍。

因為PIC32MX460F512L內核沒(méi)有內嵌QEI模塊，所以需要通過(guò)軟件采樣正交編碼器傳來(lái)的脈沖信號。Initmdc( )配置與采樣相關(guān)的定時(shí)器/計數器。這里配置TIMER4為16位定時(shí)器，定時(shí)采樣周期；配置TIMER5為16位計數器，計數采樣周期內正交編碼器傳來(lái)的脈沖信號。

調節電機轉速在采樣中斷處理函數中完成，其原理前面已介紹，主要思想是當電機一定時(shí)，電機速度與占空比成線(xiàn)性關(guān)系。當PWM脈沖周期一定時(shí)，脈沖寬度與占空比成正比，所以電機轉速與PWM脈沖寬度成線(xiàn)性關(guān)系。代碼實(shí)現位函數void Setspeed( )如下

void Setspeed()

{

PWMValue=(unsigned int)ReadDCOC2PWM(); //讀取當前狀態(tài)的pwm的占空比

if(PrPumpstatus==0) SetPWMdutycycle(0); //判斷當前的電機狀態(tài)是否為停止，停止設占空比為0

else

{

if(MotorSpeed > PrPumpMTRSpeed )//當前電機轉速大于設定值

{

if( MotorSpeed - PrPumpMTRSpeed >(PrPumpMTRSpeed*0.01))

{

width=PWMValue*(PrPumpMTRSpeed)/MotorSpeed;

if(width==0) width=1;

SetPWMdutycycle(width);

}

}

else

{

if( PrPumpMTRSpeed-MotorSpeed>(PrPumpMTRSpeed*0.01))

{ //當前電機轉速小于設定值的0.01

if(MotorSpeed==0)

SetPWMdutycycle(0x0fff);

else

{

width=PWMValue*(PrPumpMTRSpeed)/MotorSpeed;

if(width>4095) //4095為占空比最大值

width=4095;

if(width==0) width=1;

SetPWMdutycycle(width);

}

}

}

}

}

其中，PWMValue為當前PWM脈沖正相部分寬度，MotorSpeed為當前電機轉速，PrPUMP.MTRSpeed為設定的轉速。

5.2.1.4 溫度檢測驅動(dòng)設計

溫度檢測驅動(dòng)主要使能與LMD18200 pin9相連的引腳，使其可接受電機熱報警信息，并提示用戶(hù)，這里根據LMD18200熱報警低電平輸出特性，采用了低電平中斷觸發(fā)機制。當中斷發(fā)生時(shí)，通過(guò)蜂鳴器告知用戶(hù)。

5.2.1.5 蜂鳴器驅動(dòng)設計

MCU通過(guò)對一GPIO引腳的控制來(lái)控制蜂鳴器的響停。這里主要實(shí)現了引腳的初始化及一個(gè)簡(jiǎn)單的服務(wù)（蜂鳴器響一段時(shí)間）。

5.2.1.6 ADC驅動(dòng)設計

ADC驅動(dòng)實(shí)現了壓力檢測和電機電流取樣功能，包括ADC模塊初始化，壓力采樣檢測和電機電流采樣檢測三部分。ADC模塊初始化配置了兩個(gè)采樣序列分別采樣壓力信號和電機電流信號，兩個(gè)采樣序列的觸發(fā)方式不同，壓力信號的采樣序列觸發(fā)方式為處理器觸發(fā)，根據系統需要，在需要的時(shí)候觸發(fā)即可得到獲得壓力信息；電機電流信號的采樣序列觸發(fā)方式為定時(shí)器觸發(fā)，不受用戶(hù)控制，主要為了保護電機，需要兩個(gè)中斷服務(wù)程序實(shí)現采樣。

電流采樣需要在時(shí)間中斷配合使用：定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)ADC采樣序列0，ADC中斷完成采樣信息的處理，當過(guò)流時(shí)簡(jiǎn)單地使電機停止轉動(dòng)，其控制流程如下：

圖5-14 電流采樣處理流程

5.2.2 應用層設計

5.2.2.1 通信協(xié)議設計

通信協(xié)議實(shí)現函數為HandleProtocol()，主要解析了三條簡(jiǎn)單命令，實(shí)現了泵的轉動(dòng)，泵的停止和泵速度的設定。命令解析主要通過(guò)字符串匹配，本設計中采用case語(yǔ)句匹配字符串，需要增加命令時(shí)只需增加case語(yǔ)句即可，為后續開(kāi)發(fā)提供方便。

表5-1 串口命令解析

注：a.表中X代表任一字符，？代表任一數字。

5.2.2.2 Main()設計

Main()函數協(xié)調前臺應用程序，其處理流程如下：

圖5-15 Main()處理流程

Main()根據用戶(hù)需要輸出壓力轉速信息，轉速為全局變量，其控制實(shí)際在速度采樣中斷中完成；壓力信息的獲取只是簡(jiǎn)單的調用了ADC驅動(dòng)文件中的壓力獲取函數GetPress()。

初始化主要完成全局變量，時(shí)鐘及相應驅動(dòng)初始化，這里需要注意的是，與定時(shí)器協(xié)調工作的模塊的初始化要放到定時(shí)器初始化前面。

5.2.2.3 上位機用戶(hù)界面

上位機用戶(hù)界面主要是便于操作人員和高壓平流泵控制系統的交互。實(shí)時(shí)地直觀(guān)的顯示出系統反饋的相關(guān)信息和方便的設置調控系統相關(guān)參數。

6測試

6.1測試

6.1.1 軟件仿真

通過(guò)開(kāi)發(fā)工具的仿真功能對系統做功能仿真和時(shí)序分析。

6.1.2實(shí)物調試

通過(guò)調試電機，了解到PWM脈沖周期直接影響電機穩定性

6.2測試數據

6.2.1 串口測試

串口主要實(shí)現功能就是通信，一方面輸出程序需要輸出的數據，另一方面輸入數據時(shí)根據需要輸出數據。這里只是簡(jiǎn)單地讓系統輸出速度設定值，當設定值改變時(shí)，輸出亦改變。測試結果如下：

圖6-1 串口測試

由測試結果知，系統很好地完成了串口功能。

6.2.2 ADC測試

ADC模塊主要用于采集電流、壓力。PIC32MX460F512L的ADC模塊為10位，滿(mǎn)量程3.3v時(shí)分辨率高達3.3v/1024=3.2mv。這里以采樣電流測試，當與電流相對的電壓大于2639（相當于7A電流，377uA/A *1k *7A=2.639 v =2639 mv）時(shí)輸出“The Current over”。通過(guò)調節電阻，數據輸出結果如下：

圖6-2 電流采樣測試

由測試結果知，系統的ADC模塊精度高。

6.2.3電機速度采樣與調速測試

系統采樣電機速度，并根據采樣結果對電機進(jìn)行相應調速?，F給出1000rpm和3000rpm時(shí)調試結果，系統向上調速時(shí)輸出“100plu”，向下調速時(shí)輸出“100min”，如下圖。

圖6-3 1000rpm 測試 圖6-4 3000rpm 測試

由測試結果可知，系統調速精度在1.0%內，當超出此范圍時(shí)就調速，使系統維持在設置速度1.0%內。