單片機(jī)開發(fā)商深圳英銳恩分享單片機(jī)技術(shù)在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究。

摘　要：本文從單片機(jī)的技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)，提出了一種用80C196系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)速的系統(tǒng)控制方案，并在實(shí)際中驗(yàn)證了本方案的可行性，同時(shí)對(duì)80C196單片機(jī)的一些關(guān)鍵技術(shù)作了深入研究，以期開發(fā)出更高性能的單片機(jī)系統(tǒng)。
    關(guān)鍵詞：80C196　單片機(jī)　RL196　PWM　C96

0　引　言
　　單片機(jī)進(jìn)入中國10余年以來，以其體積小、功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用到各行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用中。目前，大多數(shù)系統(tǒng)以51系列的8位單片機(jī)為首選，但是在一些比較復(fù)雜的、性能要求較高的系統(tǒng)中，它不得不讓位于16位單片機(jī)。本文采用的MCS－96系列的16位單片機(jī)特別適用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)。如交直流調(diào)速機(jī)、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。本文以一直流伺服控制系統(tǒng)裝置為例，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了有關(guān)算法，實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)可以良好地跟蹤給定速度曲線，響應(yīng)時(shí)間可控制在10－3s的數(shù)量級(jí)以內(nèi)。
1　硬件系統(tǒng)的構(gòu)成
1．1　電氣主回路
　　主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，采用雙極性的H橋構(gòu)成，用大功率硅管整流橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，采?br/>電壓型穩(wěn)壓方式（并入大容量電容）提供主電源，用IPM中的IGBT構(gòu)成H橋，采用PWM進(jìn)行調(diào)速，其中富士通的IPM技術(shù)較為成熟，并具有多種保護(hù)功能。只需加入一定的周邊電路便可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
1．2　單片機(jī)系統(tǒng)
　　本文采用MCS－96系列的80C196MC構(gòu)成16位總線的單片機(jī)系統(tǒng)，與MCS－51系列相比，此類型的單片機(jī)至少在以下幾方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
　?。?）CPU中的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)，CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。
　?。?）256字節(jié)寄存器中，24字節(jié)是專用寄存器，其余232字節(jié)均為通用寄存器。其通用寄

存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般CPU的寄存器數(shù)量多。這樣可以為各中斷服務(wù)程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了中斷服務(wù)過程中保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開銷，并大大方便了程序設(shè)計(jì)。

　　（3）80C196MC具有波形發(fā)生器（WG），不用外圍元器件即可生成PWM波形，而波形發(fā)生器（WG）具有靈活的死區(qū)調(diào)節(jié)功能。這對(duì)實(shí)用 PWM功率放大器很關(guān)鍵，它能防止雙極H型主電路四個(gè)IGBT“共態(tài)穿通”。所謂“共態(tài)穿通”即橋臂中的一個(gè)IG－BT沒有退出飽和而另一個(gè)IGBT已導(dǎo)通而形成電源短路的現(xiàn)象。
　?。?）有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)，可采用20M赫茲的時(shí)鐘，并新增加了EPA（事件處理器陣列），PTS（外設(shè)事務(wù)服務(wù)器），再加上其內(nèi)帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器，從而可以快速完成電流和轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換過程，滿足對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求。
　　其中，16位單片機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成如下：由于伺服系統(tǒng)電流控制調(diào)節(jié)器采樣周期短、計(jì)算量大，所以80C1 96MC系統(tǒng)采用16位系統(tǒng)總線以提高系統(tǒng)的吞吐能力。二片EPROM27C256地址分配為：2000H～7FFFH；二片RAM62256地址分配為：A000H～FFFFH；由于采用16位地址數(shù)據(jù)總線，二片存儲(chǔ)器共用同一地址，具體聯(lián)接如下：系統(tǒng)地址總線A0不用，A1與EPROM、RAM的 A0連接，A2與A1連接，……依此類推，A15與A14連接。當(dāng)CPU讀存儲(chǔ)器高位地址時(shí)，同時(shí)選中高、低位的存儲(chǔ)器，高8位、低8位的數(shù)據(jù)同時(shí)讀入 CPU，由CPU正確選擇高8位的數(shù)據(jù)作為操作數(shù)，舍去低8位的數(shù)據(jù)；讀低8位時(shí)情況也一樣。RAM的片選信號(hào)由INST和A15通過與非門構(gòu)成（RAM ＝INST＋A15———），其中要注意的是INST在讀程序存儲(chǔ)器時(shí)為低電平，但要避開2000－ 2080的地址，因?yàn)樵谧x取中斷向量時(shí)，INST引腳為高電平。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2　軟件系統(tǒng)
　　采用C與ASM的混合編程模式，下面著重于其協(xié)同開發(fā)和算法的改進(jìn)進(jìn)行闡述。

2．1　C程序與匯編程序的協(xié)同開發(fā)
　　匯編語言的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理。由于匯編語言不直接支持單精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，而現(xiàn)在單片機(jī)開發(fā)日趨復(fù)雜，在許多地方必須應(yīng)用高精度的復(fù)雜算法。C96直接支持單精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)于大多數(shù)場(chǎng)合已經(jīng)夠用，并且可以方便的通過算法擴(kuò)展到雙精度。算法的設(shè)計(jì)上已有大量的C程序可供選用，基本不用重新開發(fā)。在這些模塊中應(yīng)用C96可以盡快地解決問題。然而，完成同樣的功能，C96程序經(jīng)編譯連接生成的代碼比匯編生成的代碼稍長(zhǎng)。在需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)合，開發(fā)者往往從執(zhí)行速度的角度出發(fā)，把這些模塊用匯編代碼實(shí)現(xiàn)。其實(shí)，筆者認(rèn)為凡是匯編實(shí)現(xiàn)的功能用C96都能實(shí)現(xiàn)，只是一個(gè)熟練程度的問題，而且據(jù)最新資料，新版的 C96編譯器的效率可以達(dá)到1．1。在單片機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用C96，更重要的是開發(fā)周期可以大大縮短，一般來說，一個(gè)資深的C96程序員，他只要花費(fèi)匯編程序員的一半不到的時(shí)間就可以完成開發(fā)任務(wù)，而兩者的執(zhí)行速度相差無幾，如果不是有特別苛刻的要求，用C96開發(fā)程序?qū)⑹鞘掳牍Ρ丁?br/>    例如：
    Timer1＝0x33f8；
    而在匯編中則需要寫成：
    LD1CH，33F8H
    ST1CH，1F7A［00H］
　　顯然，C96寫出來的程序具有良好的可讀性，并方便日后的修改和維護(hù)，而匯編大多數(shù)則要靠注釋來解讀，而且個(gè)人注釋風(fēng)格不同，會(huì)帶來調(diào)試工作和日后的軟件升級(jí)的困難，加長(zhǎng)了開發(fā)時(shí)間和人力投入。
　　在開發(fā)單片機(jī)的項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到關(guān)于匯編模塊和C模塊相互調(diào)用的問題，下面從兩個(gè)方

面加以闡述：
　　（1）如果不涉及參數(shù)傳遞,則可以采用在程序中嵌入ASM｛…｝偽指令實(shí)現(xiàn)（適用于C96和C51 ） 。
　?。?）當(dāng)涉及參數(shù)傳遞的時(shí)候，下面以C語言作主程序?yàn)槔?，說明一個(gè)相互調(diào)用的實(shí)例；（只適用于C51）。
    主程序：

　　但在A－FUNC．A51文件中則需按照C51與匯編語言的接口規(guī)則進(jìn)行書寫，完成相應(yīng)的功能。
    NAMEA－FUNC
    ；聲明函數(shù)名稱
 
    ；聲明外部函數(shù)代碼段名
    PUBLICA－FUNC
    ；外部公共符號(hào)　
    RSEG？DT？－a－func？A－FUNC
    ？－a－func？BYTE：
    ；可覆蓋局部數(shù)據(jù)段
    x？00：　DS　2；定義傳遞參數(shù)字節(jié)
    RSEG？DT？A－FUNC？A－FUNC
    －A－FUNC：
    …；程序代碼體
    END
    ；A－FUNC函數(shù)結(jié)束
　　因此，我們可以很方便地在程序代碼體處加入所期望的匯編程序。
　　最后，全部程序編譯鏈接通過后，應(yīng)仔細(xì)查看生成的M96或M51文件，有無溢出或沖突的情況，數(shù)
據(jù)存儲(chǔ)區(qū)與程序存儲(chǔ)區(qū)是否定位恰當(dāng)。對(duì)于C196來說，C96程序的代碼段、參數(shù)段可以設(shè)成是浮動(dòng)定
位還是絕對(duì)定位的，當(dāng)C96代碼段、參數(shù)段與匯編程序沖突時(shí)，應(yīng)用RL196的編譯控制選項(xiàng)ram（…），rom（…），romcode（…），romdata（…）來精確定位代碼數(shù)據(jù)段解決沖突。
    例如：

　以上定義了模塊MOD2的代碼的常量數(shù)據(jù),MOD3的代碼放在ROM1中,即（2000－3FFFH）處。main、mod1、mod3的代碼和常量放在第二段ROM（4000－FFFFH）中，MOD1的常量數(shù)據(jù)放在（4000－5FFFH）的ROM中。STACK堆棧段的值應(yīng)根據(jù)最后的 M96文件顯示的總共占用的內(nèi)存RAM，設(shè)為最大可用的堆棧段（用STACKSIZE控制項(xiàng)），C96的子程序調(diào)用最好不要超過三級(jí)，以免堆棧溢出。經(jīng)實(shí)踐證明，這些C96程序與匯編語言作到了真正意義上的“無縫鏈接”。
2．2　算法的改進(jìn)
2．2．1　波形發(fā)生器工作原理簡(jiǎn)介
　　波形發(fā)生器WG是80C196MC單片機(jī)最具特色的外設(shè)，在PWM伺服系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用。80C196MC的WG可產(chǎn)生三相（三路）正弦PWM （SP－WM）波形用于三相交流同步電機(jī)的變頻調(diào)速，這種情況的WG工作方式稱為中心對(duì)準(zhǔn)方式；也可產(chǎn)生斬波調(diào)壓的PWM用于直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速，這種工作方式稱為邊沿對(duì)準(zhǔn)方式。下面對(duì)PWM伺服系統(tǒng)采用的邊沿對(duì)準(zhǔn)方式給予簡(jiǎn)要介紹。

工作于邊沿對(duì)準(zhǔn)方式，不考慮死區(qū)時(shí)間的影響的工作波形見圖3。有關(guān)的幾個(gè)寄存器意義如下：

　?。?）WG－RELOAD：重裝載寄存器，決定載波周期。
　?。?）WG－COMPX（X＝1，2，3）：相位比較寄存器，決定波形占空比。
　?。?）WG－COUNT：雙向計(jì)數(shù)器，為WG的時(shí)基（邊沿對(duì)準(zhǔn)時(shí)，只向上計(jì)數(shù)）。
　　當(dāng)WG－COUNT的值一直與WG－RELOAD的值比較，當(dāng)?shù)扔赪G－RELOAD的值時(shí)，WG復(fù)位到1，又重新開始計(jì)數(shù)。同時(shí)WG－COUNT的值也一直與WG－COMPX的值比較，當(dāng)WG－COUTN的值等于WG－COMPX的值時(shí)改變輸出引腳（WGX）的電平，輸出PWM波形。當(dāng)WG－COUNT復(fù)位為1時(shí)，引發(fā)一次WG中斷，CPU響應(yīng)WG中斷時(shí)，根據(jù)電流環(huán)運(yùn)算得出的新的WG－COMPX的值，改寫WG－COMPX的值，改變輸出波形的占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
　?。?）WG－CON：控制、死區(qū)時(shí)間寄存器，決定WG的工作方式和死區(qū)時(shí)間。
　　前文已談到H型PWM電路中的一個(gè)橋臂，當(dāng)其中的一個(gè)IGBT沒有退出飽和時(shí)，另一個(gè)IGBT又開始導(dǎo)通，會(huì)造成電源直接短路的“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象，這是絕對(duì)不能出現(xiàn)的故障。要避免這一現(xiàn)象的發(fā)生
就是設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)間，即當(dāng)一個(gè)IGBT關(guān)斷后，經(jīng)歷一個(gè)死區(qū)時(shí)間，另一個(gè)IGBT接著導(dǎo)通，這樣就
可避免“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象出現(xiàn)。
2．2．2　算法改進(jìn)的思路
　　實(shí)際上，在轉(zhuǎn)速和電流環(huán)的計(jì)算中并不是全部計(jì)算都需要用到浮點(diǎn)運(yùn)算的方式，為簡(jiǎn)單起見，下面論述只考慮轉(zhuǎn)速環(huán)（電流環(huán)當(dāng)成一比例環(huán)節(jié)）：
　　因?yàn)椴捎玫氖寝D(zhuǎn)速編碼器采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)，而80C196MC系列的單片機(jī)用相移計(jì)數(shù)器的方式即可
以獲得時(shí)間T內(nèi)的轉(zhuǎn)速值，而這個(gè)值一定是整數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的跟蹤精度實(shí)際上取決于轉(zhuǎn)速編碼的精度，當(dāng)T時(shí)間取一較小的時(shí)間間隔，我們完全可以用時(shí)間T內(nèi)獲得的脈沖數(shù)PL作為轉(zhuǎn)速值，實(shí)際上此時(shí)的轉(zhuǎn)速為：PL／T，我們以時(shí)間T作為速度環(huán)控制回路采樣周期，當(dāng)給定速度同樣在整數(shù)值給出時(shí)，如圖4所示，由于輸出PWM周期一定（WG－RELOAD取為100μs），輸出比較寄存器WG－COMP1也只能在整數(shù)范圍變化，PI控制器的輸入為整數(shù)SP－GIVEN－SP－NOW，輸出同樣為整數(shù)，所以只需調(diào)整PI的參數(shù)就可達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)的控制。

　　實(shí)際上，我們不難證明給定轉(zhuǎn)速如果換算成在T時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)不是整數(shù)的話，其控制作用同整數(shù)值的效果是一樣的。但是PI參數(shù)經(jīng)常以浮點(diǎn)數(shù)的方式出現(xiàn)，我們?cè)谡{(diào)試過程中先用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算定下P、I參數(shù)的值之后，再利用C96的賦值運(yùn)算符賦予一整型變量，這樣即充分利用了C96的浮點(diǎn)運(yùn)算庫，又精簡(jiǎn)了代碼，提高了運(yùn)算速度。對(duì)于電流環(huán)同樣可以依照以上方法確定電流環(huán)的P、I參數(shù)并進(jìn)行電流控制。
2．2．3　程序框圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　在以上思路的指引下，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下程序框圖并對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行了驗(yàn)證，可以控制轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)時(shí)間在數(shù)量級(jí)以內(nèi)。

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