步進(jìn)電機單片機控制系統設計

摘要：單片機控制技術(shù)應用十分廣泛，其核心技術(shù)是單片機控制系統的設計。介紹了對單片機控制系統的構成、硬件設計、軟件設計和系統調試等各環(huán)節并進(jìn)行了討論，根據工作經(jīng)驗給出了調試方法。

關(guān)鍵詞：單片機；系統設計；系統調試

　　隨著(zhù)材料科學(xué)、工藝技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電路系統向著(zhù)集成度極高的方向發(fā)展。CPU的生產(chǎn)制造技術(shù)，也朝著(zhù)綜合性、技術(shù)性、實(shí)用性發(fā)展。如CPU的運算位數從4位、8位 ……到32位機的發(fā)展，運算速度從8 MHz、32 MHz……到1.6 GHz?？梢哉f(shuō)是日新月異的發(fā)展著(zhù)。其中單片機在控制系統中的應用是越來(lái)越普遍了。單片機控制系統是以單片機（CPU）為核心部件，擴展一些外部接口和設備，組成單片機工業(yè)控制機，主要用于工業(yè)過(guò)程控制。要進(jìn)行單片機系統設計首先必須具有一定的硬件基礎知識；其次，需要具有一定的軟件設計能力，能夠根據系統的要求，靈活地設計出所需要的程序；第三，具有綜合運用知識的能力。最后，還必須掌握生產(chǎn)過(guò)程的工藝性能及被測參數的測量方法，以及被控對象的動(dòng)、靜態(tài)特性，有時(shí)甚至要求給出被控對象的數學(xué)模型。

　　單片機系統設計主要包括以下幾個(gè)方面的內容：控制系統總體方案設計，包括系統的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數的測量范圍等；選擇各參數檢測元件及變送器；建立數學(xué)模型及確定控制算法；選擇單片機，并決定是自行設計還是購買(mǎi)成套設備；系統硬件設計〔1〕，包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統軟件設計，包括管理、監控程序以及應用程序的設計，應用系統設計包含有硬件設計與軟件設計兩部分〔2〕；系統的調試與試驗。

1單片機控制系統總體方案的設計

　　確定單片機控制系統總體方案，是進(jìn)行系統設計最重要、最關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞，直接影響整個(gè)控制系統的性能及實(shí)施細則?？傮w方案的設計主要是根據被控對象的任務(wù)及工藝要求而確定的。設計方法大致如下：根據系統的要求，首先確定出系統是采用開(kāi)環(huán)系統還是閉環(huán)系統，或者是數據處理系統。選擇檢測元件，在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好被測參數的測量元件，它是影響控制系統精度的重要因素之一。選擇執行機構，執行機構是微型機控制系統的重要組成部件之一。執行機構的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據被控對象的實(shí)際情況確定。選擇輸入/輸出通道及外圍設備。選擇時(shí)應考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：被控對象參數的數量；各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作；各通道數據的傳遞速率；各通道數據的字長(cháng)及選擇位數；對顯示、打印有何要求；畫(huà)出整個(gè)系統原理圖。
單片機控制系統中控制算法的選用一般有：

(1) 直接數字控制

　　當被控對象的數學(xué)模型能夠確定時(shí)，可采用直接數字控制。所謂數學(xué)模型就是系統動(dòng)態(tài)特性的數學(xué)表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態(tài)之間的關(guān)系。一般多用實(shí)驗的方法測出系統的特性曲線(xiàn)，然后再由此曲線(xiàn)確定出其數學(xué)模型?，F在經(jīng)常采用的方法是計算機仿真及計算機輔助設計，由計算機確定出系統的數學(xué)模型，因而加快了系統模型的建立。當系統模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數字控制器，并求出差分方程。計算機的主要任務(wù)就是按此差分方程計算并輸出控制量，進(jìn)而實(shí)現控制。

(2) 數字化PID控制

　　由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學(xué)模型，有些即使可以求出來(lái)，但由于被控對象環(huán)境的影響，許多參數經(jīng)常變化，因此很難進(jìn)行直接數字控制。此時(shí)最好選用數字化PID（比例積分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進(jìn)行必要的改進(jìn)。通過(guò)各種組合，可以得到更圓滿(mǎn)的控制系統，以滿(mǎn)足各種不同控制系統的要求。例如串級PID就是人們經(jīng)常采用的控制方法之一。

　　所謂串級控制就是第一級數字PID的輸出不直接用來(lái)控制執行機構，而是作為下一級數字PID的輸入值，并與第二級的給定值進(jìn)行比較，其偏差作為第二級數字PID的控制量。當然，也可以用多級PID嵌套。

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2單片機系統硬件設計

　　盡管單片機集成度高，內部含有I/O控制線(xiàn)，ROM，RAM和定時(shí)/計數器。但在組成單片機系統時(shí)，擴展若干接口仍是設計者必不可少的任務(wù)。擴展接口有2種方案，一種是購置現成的接口板，另一種是根據系統實(shí)際需要，選用適合的芯片進(jìn)行設計控制系統。就后一種而言，主要包括以下幾個(gè)方面的內容。

　　基本系統的構成：一個(gè)獨立的單片機核心系統，一般由時(shí)鐘電路、地址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲器擴展、模擬量輸入通道的擴展、模擬量輸出通道的擴展、開(kāi)關(guān)量的I/O接口設計、鍵盤(pán)輸入和顯示電路等組成。

(1)存儲器擴展

　　由于單片機有4種不同的存儲器，且程序存儲器和數據存儲器是分別編址的，所以單片機的存儲器容量與同樣位數的微型機相比擴大了一倍多。擴展時(shí)，首先要注意單片機的種類(lèi)；另一方面要把程序存儲器和數據存儲器分開(kāi)。

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(2)模擬量輸入通道的擴展

　　主要有以下2個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是數據采集通道的結構形式，一般單片機控制系統都是多通道系統。因此選用何種結構形式采集數據，是進(jìn)行模擬量輸入通道設計首先要考慮的問(wèn)題。多數系統都采用共享A/D和S/H形式。但是當被測參數為幾個(gè)相關(guān)量時(shí)，則需選用多路S/H，共享A/D形式。對于那些參數比較多的分布式控制系統，可把模擬量先就地進(jìn)行A/D轉換，然后再送到主機中處理。對于那些被測參數相同（或相似）的多路數據采集系統，為減少投資，可采用模擬量多路轉換，共享儀用放大器、S/H和A/D的所謂地電平多路切換形式。另外一個(gè)問(wèn)題是A/D轉發(fā)器的選擇，設計時(shí)一定要根據被控對象的實(shí)際要求選擇A/D轉換器，在滿(mǎn)足系統要求的前提下，盡量選用位數比較低的A/D轉換器。

(3)模擬量輸出通道的擴展

　　模擬量輸出通道是單片機控制系統與執行機構（或控制設備）連接的紐帶和橋梁。設計時(shí)要根據被控對象的通道數及執行機構的類(lèi)型進(jìn)行選擇。對于那些可直接接受數字量的執行機構，可由單片機直接輸出數字量，如步進(jìn)電機或開(kāi)關(guān)、繼電器系統等。對于那些需要接收模擬量的執行機構，則需要用D/A轉化，即把數字量變成模擬量后，再帶動(dòng)執行機構。

(4)開(kāi)關(guān)量的I/O接口設計

　　由于開(kāi)關(guān)量只有2種狀態(tài)“1”或“0”，所以，每個(gè)開(kāi)關(guān)量只需一位二進(jìn)制數表示即可。因為MCS—51系列單片機設有一個(gè)專(zhuān)用的布爾處理機，因而對于開(kāi)關(guān)量的處理尤為方便。為了提高系統的抗干擾能力，通常采用光電隔離器把單片機與外部設備隔開(kāi)。

(5)操作面板

　　操作面板是人機對話(huà)的紐帶，它根據具體情況，可大可小。為了便于現場(chǎng)操作人員操作，單片機控制系統設計一個(gè)操作面板的要求：操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是誤操作也不會(huì )給生產(chǎn)帶來(lái)惡果。

(6)系統速度匹配

　　在不影響系統總功率的前提下，時(shí)鐘頻率選得低一些較好，這樣可降低系統對其他元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統的可靠性。但系統頻率選的比較高時(shí)，要設法使其他元器件與主機匹配。

(7)系統負載匹配 系統中各個(gè)器件之間的負載匹配問(wèn)題，主要表現在以下幾個(gè)方面。

① 邏輯電路間的接口及負載：在進(jìn)行系統設計時(shí)，有時(shí)需要采用TTL和CMOS混合電路，由于二者要求的電平不一樣，因此一定要注意電流及負載的匹配問(wèn)題。

② MCS—51系列單片及負載：8031的外部擴展功能是很強的，但是8031的P0口和P2口以及控制信號ALE的負載能力都是有限的，P0口能驅動(dòng)8個(gè)LSTTL電路，P2口能驅動(dòng)4個(gè)LSTTL電路。硬件設計時(shí)應仔細核對8031的負載，使其不超過(guò)總的負載能力的70%。

3單片機控制系統的軟件設計

　單片機控制系統的軟件設計一般分2類(lèi)，系統軟件和應用軟件設計。系統軟件的主要任務(wù)是：管理整個(gè)控制系統的全過(guò)程，比如，POWERUP自診斷功能，KEYINPIT 的管理功能，PRINTER OUTPUT報表功能，DISPLAY功能等等。是控制系統的核心程序，也稱(chēng)之為MONITER監控管理程序其作用類(lèi)似PC機的DOS系統。軟件設計的幾個(gè)方面如下：

(1)可靠性設計為保證系統軟件的可靠性，通常設計一個(gè)自診斷程序，定時(shí)對系統進(jìn)行診斷。在可靠性要求較高的場(chǎng)合，可以設計看門(mén)狗電路，也可以設計軟件陷阱，防止程序跑飛。

(2)軟件設計與硬件設計的統一性在單片機系統設計中，通常一個(gè)同樣的功能，通過(guò)硬件和軟件都可以實(shí)現，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成，這就是軟件、硬件的折衷問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，在系統可能的情況下，盡量采用軟件，因為這樣可以節省經(jīng)費。若系統要求實(shí)時(shí)性比較強，則可采用硬件。

(3)應用軟件的特點(diǎn)

①實(shí)時(shí)性：由于工業(yè)過(guò)程控制系統是實(shí)時(shí)控制系統，所以對應用軟件的執行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時(shí)間間隔內對系統進(jìn)行控制、計算和處理。換言之，要求整個(gè)應用軟件必須在一個(gè)采樣周期內處理完畢。所以一般都采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)應用軟件。但是，對于那些計算工作量比較大的系統，也可以采用高級語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合使用的辦法，即數據采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語(yǔ)言，而對于那些較為復雜的計算可采用高級語(yǔ)言。為了提高系統的實(shí)時(shí)性，對于那些需要隨機間斷處理的任務(wù)，通常采用中斷系統來(lái)完成。
②通用性：在應用程序設計中，為了節省內存和具有較強的適應能力，通常要求程序有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結構，盡量將共用的程序編寫(xiě)成子程序，如算術(shù)和邏輯運算程序、A/D、D/A轉換程序、延時(shí)程序、PID運算程序、數字濾波程序、標度變換程序、報警程序等。

(4)軟件開(kāi)發(fā)步驟軟件開(kāi)發(fā)大體包括：劃分功能模塊及安排程序結構；畫(huà)出各程序模塊詳細流程圖；選擇合適的語(yǔ)言編寫(xiě)程序；將各個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的程序。

4單片機控制系統的調試

(1)硬件調試 根據設計的原理電路做好實(shí)驗樣機，便進(jìn)入硬件調試階段。調試工作的主要任務(wù)是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。
① 脫機檢查：用萬(wàn)能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)是否有短路等故障。有時(shí)為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進(jìn)行檢查，確定其無(wú)誤后再插入芯片檢查。
② 仿真調試：暫時(shí)排除目標板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進(jìn)行調試，調試各部分接口電路是否滿(mǎn)足設計要求。這部分工作是一種經(jīng)驗性很強的工作，一般來(lái)說(shuō)，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調試的。通常的方法是，先編調試軟件，逐一檢查調試硬件電路系統設計的準確性。其次是調試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進(jìn)行下面的應用軟件調試。
硬件電路調試的一般順序是：
① 檢查CPU的時(shí)鐘電路。通過(guò)測試ALE信號，如沒(méi)有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱(chēng)之為“心臟”檢查。
② 檢查ABUS/DBUS的分時(shí)復用功能的地址鎖存是否正常。
③ 檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構成，如是部分譯碼設計，則排除地址重疊故障。
④ 對擴展的RAM、ROM進(jìn)行檢查調試。一般先后寫(xiě)入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫(xiě)入過(guò)‘0’、‘1’代碼。
⑤ 用戶(hù)級I/O設備調試。如面板、顯示、打印、報警等等。

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(2）軟件調試 軟件調試根據開(kāi)發(fā)的設備情況可以有以下方法：
① 交叉匯編：用IBM PC/XT機對MCS—51系列單片機程序進(jìn)行交叉匯編時(shí)，可借助IBM
PC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規定的格式輸入到PC機，生成MCS—51 HEX目標代碼和LIST文件。
② 用匯編語(yǔ)言：現在有些單片STD工業(yè)控制機或者開(kāi)發(fā)系統，可直接使用匯編語(yǔ)言，借助CRT進(jìn)行匯編語(yǔ)言調試。
③
手工匯編：這種方法是最原始，但又是一種最簡(jiǎn)捷的調試方法，且不必增加調試設備。這種方法的實(shí)質(zhì)就是對照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進(jìn)行調試。在進(jìn)行手工匯編時(shí)，要特別注意轉移指令、調用指令、查表指令。必須準確無(wú)誤地計算出操作碼、轉移地址和相對偏移量，以免出錯。

　　以上3種方法調試完成以后，即可通過(guò)EPROM寫(xiě)入器，將目標代碼寫(xiě)入EPROM中，并將其插至機器的相應插座上，系統便可投入運行。

(3）硬件、軟件仿真調試

　　經(jīng)過(guò)硬件、軟件單獨調試后，即可進(jìn)入硬件、軟件聯(lián)合仿真調試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復修改和調試。實(shí)驗室調試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現場(chǎng)進(jìn)行運行和進(jìn)一步調試，并根據運行及調試中的問(wèn)題反復進(jìn)行修改。
5結論

　單片機控制技術(shù)應用越來(lái)越廣泛，其核心技術(shù)是單片機控制系統的設計。對工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，抓住系統的原理構成、軟件設計、硬件設計以及系統調試方法的要點(diǎn)是十分必要的。根據工作經(jīng)驗，前面敘述的系統調試方法將會(huì )有助于從事這方面工作的技術(shù)人員及本專(zhuān)業(yè)的學(xué)習者。

參考文獻
1陳粵初.單片及應用系統設計與實(shí)踐. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社,1992
2何立民.單片機應用系統設計 .北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1998