基于MC9S12DGl28單片機(jī)的快速位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引言
    本設(shè)計(jì)要求對(duì)某火炮的水平和高低角進(jìn)行控制，達(dá)到快速位置伺服系統(tǒng)的要求。而這個(gè)火炮角度控制系統(tǒng)首先要求有快速性，它的反應(yīng)時(shí)間大于或等于12°／s；角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制精度小于或等于1’，水平角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍從一120°～+120°，高低角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍從0°～+85°；最后系統(tǒng)要有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。
    由于位置伺服系統(tǒng)一般是以足夠的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求能以一定的精度隨時(shí)跟蹤指令的變化。所以對(duì)于這種快速位置伺服系統(tǒng)，要求整個(gè)系統(tǒng)各部分配合良好，其中的關(guān)鍵是控制器的選擇，綜合考慮高精度、抗干擾能力、靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性、性價(jià)比等各因素的情況下。選擇了Frees—cale公司的MC9Sl2DGl28B作為控制器。MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的單片機(jī)，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越。本文采用該型號(hào)的單片機(jī)保證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)控制方案
    由于設(shè)計(jì)的角度伺服系統(tǒng)的負(fù)載比較大，而且相對(duì)于工業(yè)控制要求而言系統(tǒng)精度和快速性要求高，所以整個(gè)系統(tǒng)采用混合閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，所謂混合閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，就是系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在半閉環(huán)和閉環(huán)。半閉環(huán)起到控制作用，而全閉環(huán)只用于穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償，兩者相結(jié)合可獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。包括：MJX40—14型光電編碼器、90LCX一3直流伺服電機(jī)、12A8型PWM直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)由MC9Sl2DGl28B單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用Code Warrior for HCl2 V4．6編譯器，采用C語(yǔ)言編程。由于水平角和高低角的控制是一樣的，而且共用一個(gè)單片機(jī)，以角度控制方框圖(圖1)來(lái)說(shuō)明。

 如圖1所示，系統(tǒng)的任務(wù)是使光電編碼器測(cè)得的炮架轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ2與給出的指令θ1相等。當(dāng)θ1≠θ2時(shí)，θ1一θ2的偏差信號(hào)在單片機(jī)里進(jìn)行處理，放大后輸入到PWM直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由PWM驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)減速器，驅(qū)動(dòng)炮架向著減少偏差的方向移動(dòng)，直到θ1=θ2，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到目標(biāo)。同時(shí)，炮架要準(zhǔn)確的跟蹤目標(biāo)，必須減少在跟蹤過(guò)程中可能出現(xiàn)的速度變化(如風(fēng)速等原因)，因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)本身帶有測(cè)速機(jī)端，可以把速度反饋信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋輸入到PWM伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這樣使轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速度變化很小，起著穩(wěn)速的作用。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)
    整個(gè)硬件系統(tǒng)采用模塊化思想設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，分為單片機(jī)CPU最小系統(tǒng)、鍵盤／顯示控制模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)輸入模塊、光電編碼器等。設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)模塊可相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)調(diào)試，最后集成為整個(gè)系統(tǒng)。

2．2 模塊結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)要說(shuō)明
    CPU最小系統(tǒng)：系統(tǒng)的主控模塊，用以控制和協(xié)調(diào)其它模塊工作。
    鍵盤／顯示控制：由鍵盤及LED管理芯片CH451控制。系統(tǒng)輸入模塊：用通用8155芯片做數(shù)據(jù)采集，獲取光電編碼器所測(cè)得的火炮當(dāng)前角度(位置)值，并傳給主控芯片。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：用帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的雙路12位電壓輸出數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換器(TLC5618)作為單片機(jī)的一個(gè)外圍的D／A接口；當(dāng)系統(tǒng)把偏差值算好后，利用PID算法得出的數(shù)據(jù)量輸出到兩路TLC5618，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)水平和高低角的伺服電機(jī)，精確控制火炮的高低角和水平角位置和速度。
    SCI通信：通過(guò)串行通信模塊。系統(tǒng)可以與上位機(jī)連接，方便對(duì)系統(tǒng)軟件的更新和升級(jí)，且可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制角度控制，監(jiān)視單片機(jī)的輸入與輸出。光電編碼器：用于得到炮架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
2．3 主要模塊設(shè)計(jì)[!--empirenews.page--]
2．3．1 單片機(jī)CPU最小系統(tǒng)
    HCSl2系列MCU的硬件結(jié)構(gòu)中僅有一個(gè)MCU(微控制器)是無(wú)法工作的，它必須結(jié)合其它相應(yīng)的外圍電路(即MCU支撐電路)，才能構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)。HCSl2系列MCU的最小系統(tǒng)一般包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、BDM調(diào)試頭電路，MC9Sl2DGl28芯片最小系統(tǒng)支撐電路示意圖如圖3所示。其中各個(gè)部分功能如下：

(1)電源電路主要給MCU提供+5V，+12V和+3．3V電源。
    (2)時(shí)鐘電路給MCU提供一個(gè)外接的石英晶振。
    (3)復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶按鍵復(fù)位。
    (4)BDM接口電路主要完成與BDM調(diào)試工具相連，向MC9S12單片機(jī)寫入和調(diào)試程序。
2．3．2 鍵盤／顯示控制電路
    鍵盤控制模塊采用鍵盤及LED管理芯片CH451。CH45l是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以μP監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內(nèi)置RC振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描；CH451通過(guò)可以級(jí)聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。該芯片支持SPI同步串行通訊方式，可以與MC9S12DGl28B單片機(jī)的SPI通訊口進(jìn)行告訴數(shù)據(jù)通訊，控制方便。鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤，系統(tǒng)共使用16個(gè)按鍵。顯示數(shù)據(jù)用數(shù)碼管，由鍵盤輸入火炮要旋轉(zhuǎn)的水平和高低角度值，并顯示出來(lái)，系統(tǒng)第一次采集來(lái)的角度值也是通過(guò)它顯示的。
2．3．3 系統(tǒng)輸入模塊
    從光電碼盤中輸出的數(shù)據(jù)有15位，要是單一的用單片機(jī)去讀取光電碼盤的數(shù)據(jù)，一個(gè)光電碼盤就會(huì)用到15個(gè)數(shù)據(jù)線，占用了單片機(jī)的大量資源。利用8155的豐富的I／O口資源，可以減少對(duì)單片機(jī)資源的占用。單片機(jī)給光電編碼器一個(gè)讀取信號(hào)脈沖，8155的PA和PB口立即得到光電編碼器的數(shù)據(jù)，并存到了PA和PB寄存器中，此時(shí)單片機(jī)只要讀取8155的PA和PB寄存器就能得到光電碼盤的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算就能獲得此時(shí)炮架的方位角和高低角。
2．3．4 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    對(duì)于一般的D／A轉(zhuǎn)換器的輸入端都用并行輸入，但是前面的芯片已經(jīng)占用了單片機(jī)大量的接口，為了系統(tǒng)的輸入輸出能同步進(jìn)行，本設(shè)計(jì)選用了串行輸入的TLC5618，它是一種快速帶緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的雙路12位電壓輸出數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，彌補(bǔ)了串行輸出的速度慢的不足，TLC5618具有1．21 MHz的輸入數(shù)據(jù)更新速率，DACA和DACB兩路同時(shí)更新，O．5LSB的建立時(shí)間為2．5 ms，它的最大串行時(shí)鐘速率為20 MHz，轉(zhuǎn)換速度達(dá)到要求；且它有兩路12位CMOS電壓輸出，精度符合設(shè)計(jì)要求；高阻抗基準(zhǔn)輸入使輸出有很強(qiáng)抗干擾能力。TLC5618在+5V單電源工作，其輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，因此，電路設(shè)計(jì)采用2．5V基準(zhǔn)電壓。通過(guò)CMOS兼容的3線串行總線，可對(duì)TLC5618實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，單片機(jī)串行數(shù)據(jù)通過(guò)PTl輸入TLC5618，串行時(shí)鐘通過(guò)PT2輸入，PTO接片選端，TLC5618接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生O～5V的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)減法器，得到一2．5～2．5的模擬信號(hào)，只有達(dá)到一1OV～10V的模擬信號(hào)才能更精確的控制電機(jī)，所以用高速放大器LM318進(jìn)行兩級(jí)兩倍放大，就可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要模塊有：主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤與顯示模塊、IRQ定時(shí)中斷處理程序、D／A數(shù)據(jù)輸出模塊、串行通信模塊。開發(fā)調(diào)試平臺(tái)是CodeWarrior軟件。CodeWarrior系列集成開發(fā)環(huán)境(IDE，Integrated Development Environment)是Metrowerks公司為開發(fā)嵌入式微處理器而設(shè)計(jì)的一套強(qiáng)大易用的開發(fā)工具，使用它可以有效地提高軟件開發(fā)效率。系統(tǒng)的總的流程如圖4所示。[!--empirenews.page--]

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于Freescale公司的MC9S12DGl28B單片機(jī)，設(shè)計(jì)了火炮的快速位置伺服系統(tǒng)。對(duì)硬件系統(tǒng)的鍵盤／顯示控制模塊、系統(tǒng)輸入模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等各個(gè)功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)，在CodeWarrior系列集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)了軟件系統(tǒng)，最后對(duì)軟硬件進(jìn)行了綜合調(diào)試。目前，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行可靠。結(jié)果表明：該系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理，對(duì)角度控制精確度高，系統(tǒng)平穩(wěn)，可靠性高，操作簡(jiǎn)單，達(dá)到要求的指標(biāo)，稍加改造，還可應(yīng)用到其它位置伺服系統(tǒng)中。