以CPLD可编程逻辑器件为核心控制器实现直流电机的测控系统设计.docx
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以CPLD可编程逻辑器件为核心控制器实现直流电机的测控系统设计
1前言
1.1设计的目的及意义
伴随着社会经济快速发展地脚步,人民的生活水平也随之提高,各种各样的电气设备开始进入我们的日常生活，时时刻刻影响着我们的生活。
自从发现了电至其广泛地被使用，电机开始步入其发展的黄金时期，对社会的发展起到极大的促进作用。
当然,得益于现代科学技术得到了迅速地发展，测控技术与仪器在很大程度上已有了改进，引进了智能控制后，现代的测控技术越来越趋向于智能化、虚拟化发展。
当前，直流电机的测控系统也有了很大的进步，对电机测控系统的研究，已成为国内外的研究热点，各种新型的电机测控系统层出不穷，但是主要以硬件系统为主，在人机信号交换方面很不方便；为了实现以软硬件结合的高可视化的直流电机测控系统，在学习了单片机、虚拟仪器与传感器课程的基础上，在此对其进行进一步探索，这将对社会的自动化生产领域起到重要作用。
本设计的指导思想为：
通过软件平台操作对硬件系统进行控制，在上位机
1.2国内外的研究发展状况
由于直流电机对人类社会的生产发展起着很重要的作用，因此，对直流电机的研究一直是国内外的科研热点，从而使得直流电机的测控系统层出不穷。
直流电机的发展主要经历以下三个历程；第一代直流电机是由继电器通断来控制的，即其转速与转向由开关信号进行控制。
第二代直流电机的控制方法是，通过对电机两端的电枢进行分压，利用电阻电路或者滑动变阻器进行控制，达到转速与转向的控制目的。
第三代直流电机的控制方法的产生是得力于电力电子技术的发展，通过使用绝缘栅双极晶体管IGBT组成H桥控制电路，利用单片机控制IGBT的通断，产生占空比可调的PWM脉冲，能够对直流电机进行精确的转速控制。
虽然，直流电机的测控系统已经得到了大力地发展；但是，传统的控制系统在操作上还是很不方便，主要以硬件系统控制平台为主，基本上都需要临场操作。
为了解放人手以及节约成本，方便操作及监控，设计一款新型的直流电机测控系统是很有必要的。
1.3主要技术要求及难点
本设计由单片机结合虚拟仪器，通过串口通信实现一款新型的电机测控系统，具有电机性能测试的可视化界面，实现对直流电机的转速与转向控制，以及实时显示电机的转速。
此系统主要包含主控电路、电机的驱动电路、光电测速模块、通信模块与上位机软件，达到对电机的基本性能的测试。
需要解决的主要问题有，上位机与下位机之间信号的正确通信，上位机软件对采集回来的信号进行分析处理并显示，以及上位机发出信号对下位机进行控制。
此设计的实现方式为，首先，设计硬件系统，有主控电路、光电测速电路、驱动电路等，编写下位机C程序；其次，利用LabVIEW软件编写上位机界面，有前面板与程序框图，程序框图由G语言构成，实现对采集信号的处理并显示，且能对下位机进行控制。
然后，通过串口通信模块连接软件与硬件，实现系统组合，并进行调试，测试系统的功能。
2总体方案设计
2.1设计内容
本课题以直流电机为研究对象，通过单片机与外围器件组成的硬件系统，实现对直流电机的实时转速测量与实时转速转向控制的功能。
其中通过串口通信模块，将单片机的采集数据传送给PC机，通过上位机信号处理，实现实时的转速波形显示，以达到友好的人机对话界面。
上位机具备控制功能、显示功能、存储功能和报警功能等。
控制功能实现对电机转速与转向的控制，方便操作人员操作电机；显示功能实现电机转速的实时波形显示，使得数据监测更加直观，方便操作者操控；存储功能能够实时记录采集的数据，方便日后查询工作；报警功能在实时参数超过设定的参数时进行报警。
2.2方案比较
2.2.1方案一
方案一：
以CPLD可编程逻辑器件为核心控制器实现直流电机的测控系统设计。
设计框图如图2.1所示：
图2.1以CPLD器件为核心的直流电机测控系统设计框图
此方案以可编程控制器CPLD为核心控制器，使用VHDL语言进行编程，控制ULN2003驱动模块来驱动直流电机的转动，通过霍尔传感器模块产生开关信号，供CPLD采集处理得到电机的转速；当CPLD采集处理好开关信号后，通过USB通信接口，将信号编码传输到PC端的上位机软件，然后由上位机对信号解码并显示，上位机软件具有实时显示波形、存储数据、报警系统和控制系统等功能。
2.2.1方案二
方案二：
以STC89C52单片机为核心控制器实现直流电机的测控系统设计。
设计框图如图2.2所示：
图2.2以STC89C52单片机为核心的直流电机测控系统设计框图
此方案采用STC89C52单片机为硬件的核心控制器，使用C语言对其进行编程，通过控制L298驱动模块驱动直流电机，然后由光电测速模块产生开关信号，供单片机采集处理后，由串口通信模块将数据传输到上位机；上位机将接收到的数据进行加工处理后，显示在上位机界面上；此上位机软件具有实时显示波形、存储数据、报警系统和控制系统等功能。
2.3方案论证
方案一：
CPLD是复杂的可编程逻辑器件，其内部结构相对于单片机要复杂得多，顾名思义，功能也强大了许多，使用此方案的硬件电路的规模将大大缩小，其整体性与稳定性也大大提高。
现代的EDA技术已将相当的成熟，被广泛的应用于组合逻辑电路中，其开发设计的周期与传统开发方式相比大大缩短，在电路设计中，其逻辑被固化为硬件电路；因此，以CPLD可编程逻辑器件为核心的系统运行速度快、性能强，对于实现同样功能的系统，基于CPLD的系统运行速度较单片机要快得多。
然而其价格昂贵，所以性价比低于单片机，也就限制了其使用范围。
方案二：
单片机广泛应用于操作控制电路中，相对于CPLD逻辑器件，STC89C52单片机不仅在价格上有优势，而且在编程上,C语言较VHDL语言来得简单易懂许多。
单片机系统运行以指令方式进行，对于各功能部件的运行都是由时钟信号决定，一步一步地严格地执行每个指令，因此单片机的运行速度直接受到时钟频率的影响，其处理速度相对于CPLD逻辑器件要来的慢。
2.4方案选择
本设计属于操作控制型电路，适合使用单片机作为硬件系统的控制核心，从系统的运行能力来考虑，单片机的功能也满足此设计的要求；而且，单片机的内部结构简单，编程方便易懂，价格实惠，具有较高的性价比。
STC89C52单片机是高性能的8位CMOS集成器件，片载8K的ROM与256字节的RAM，时钟频率可取范围广，中断源充足，满足本设计功能实现的要求。
其次，串口通信协议较USB总线的通信协议要简单易懂很多，其通信速度能够满足本设计的通信要求。
此外，使用光电传感器能够更好的理解测速的原理。
所以，充分考虑本次设计的硬件设备条件，以及本人对单片机与C语言的了解程度相对于CPLD逻辑器件的编程要好一些；因此，本次设计选择以STC89C52单片机作为硬件的核心控制器，来实现本次系统设计，即选择方案二。
3单元模块设计
本设计以STC89C52单片机作为下位机硬件电路的核心控制器，以LabVIEW编写的上位机软件作为测控系统的操作平台，系统结构如图3.1所示。
图3.1系统结构图
系统硬件上电初始化之后，通过上位机操作平台，按启动按钮启动直流电机运行，直流电机由L298驱动模块驱动，同时光电测速模块开始工作，并对信号进行放大整形处理后，实时传输到单片机的相应管脚，单片机通过中断方式从该管脚处采集脉冲信号；进行加工处理后，由串口通信模块传到上位机；上位机接收到此次信号，会对其分析判断，确认无误后，将借助LabVIEW软件的强大的信号处理功能，进行拆分处理并显示，达到实时监视的目的。
当电机出现异常时，上位机系统会发出警报，提醒管理人员设备出现异常；此时，管理人员可以立即通过上位机对电机进行控制，使设备停止运行并接受检查。
此外，上位机软件具备数据的存储备案，方便日后检查。
3.1各单元模块功能介绍与电路设计
3.1.1STC89C52单片机最小系统
本次设计的主控电路核心为51系列单片机STC89C52,运行空间大小为256字节,存储空间为8K,外部存储扩展最大可达64K。
对于不同运行速度与功耗大小，时钟频率可设置在0到33M之间，此款单片机共有4组I/O口，一共40个接口，中断8个，定时器3个；还具备低功耗模式与断电保护等功能。
封装分为直插式贴片式，为了设计的方便，本次设计封装选择双列直插DIP-40式。
本次设计以STC89C52单片机为核心构成最小系统，作为硬件系统的主控电路，如图3.1所示：
图3.2STC89C52单片机最小系统
STC89C52功能介绍：
STC89C52与STC89C5l相比，具有更强大的功能，C52的RAM为256字节，而C5l只有128字节，C52多了一个定时器2；在串口通信方面，C52可以设置更高的波特率；存储空间为8个字节，比C51多了4个字节。
当单片机处于空闲方式时，首先停止CPU的工作，而定时计数器、RAM和中断等仍然维持正常的工作。
当单片机处于掉电方式时：
首先保存RAM中的内容，振荡器停止振动，所有的功能都会停止，直到下一次硬件复位的发生，才会恢复正常的工作模式。
3.1.2L298驱动模块
驱动模块以芯片L298N为核心，与其他元器件构成的完整的驱动电路，此驱动电路中含有光电耦合器，将单片机的逻辑电路与驱动电路进行隔离，防止信号的干扰，而影响到单片机的工作性能，提高系统运行的稳定性；此外，电路中包含两个电源，分别为逻辑电源与驱动电源，逻辑电源（+5V）供逻辑电路使用，驱动电源（+12V）供驱动电路使用，驱动电路如图3.3所示：
图3.3电机驱动电路
3.1.3光电测速模块
光电测速模块由槽开光电开关、双电压比较器、电源指示灯和光电信号灯等构成；其工作原理为，在槽开光电开关的两侧分别有一个光发射器与一个光接收器，光发射器正对着光接收器，光发射器工作时发射出红外光或者可见光，在无遮挡的情况下光接收器接收光线，输出低电平，当光线被遮挡时，输出高电平。
因此，在电机转动过程中，只要在电机转轴上安装编码盘对光线进行有规则的遮挡，使其产生开关信号，供单片机采集而实现测速的目的。
本模块的电路原理图如图3.4所示：
图3.4光电测速电路
本模块使用高精度的双电压比较器LM393，其工作原理为：
通过将模拟信号与给定的参考电压进行比较，在两者幅值相当时，比较器输出电压将发生反转，即低电平反转为高电平，而高电平反转为低电平，其逻辑兼容性强，广泛应用于非正弦信号波形变换电路或模拟信号转数字信号等领域中。
此比较器既可以单电源供电，亦可以双电源供电，工作电压范围宽，具有低功耗等优越的性能。
但是应该注意其输入端与输出端不能有寄生电容，否则容易因电容耦合发生震荡，从而影响其性能。
3.1.4串口通信模块
串行通信是指使用一条数据线（另外需要地线，可能还需要控制线），将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。
其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。
使用串口通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的，每一位为1或者为0。
如图3.5所示：
图3.5串行口通信接线图
本模块采用串行异步通信即RS232通信，是主机与外部硬件设备的常用通讯方式，可以双向传输。
同时RS232采用全双工形式通信，全双工数据通信分别由两根可以在两个不同的端点同时发送和接收的传输线进行传送，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。
串口通信模块电路如图3.6所示：
图3.6串行口通信电路图
3.1.5电源模块
电源是硬件系统的生命力，电源的稳定性关系到系统的工作性能，硬件系统的运行可靠性由电源保证。
硬件系统包含两种幅值的电压，分别为逻辑电压（+5V）与模拟电压（+12V），逻辑电压为单片机等逻辑电路提供电源，模拟电压为光电耦合器与电机驱动电路提供电源。
模拟电压由24V变压器转换而得，其过程依次经由整流桥电路、滤波电路、78L12稳压器以及输出滤波；逻辑电压由模拟电压经由78L05稳压器以及滤波电路而得。
硬件系统包含不同的供电电源时，应注意两种电源的接地问题，一般电源是共地的，这样可以消除俩电源之间的干扰。
此外应注意散热问题，这是一个不容忽视的细节，这关系到电源供电的安全。
模拟电源电路如图3.7所示，逻辑电源电路如图3.8所示：
图3.7模拟电源电路
图3.8逻辑电源电路
3.2电路参数的计算及元器件的选择
3.2.1电源参数计算
模拟电源由工频电压220V经过变压器降压为24V，然后通过整流桥整流为直流脉动电压，再用大电容进行首次滤波，使之成为平缓的直流电，最后经过稳压器稳压为12V直流电压。
其原理图如图3.9所示：
图3.9电源原理图
1．整流
本模块的整流电路使用的器件为整流桥，整流桥的作用是将交流电整流为直流电，当
为正半周时，整流桥的整流二极管D1与D3导通，D2与D4截止，其整流原理如图3.10所示；当
为负半周时，整流桥的整流二极管D2与D4导通，D1与D3截止，其整流原理如图3.11所示：
图3.10正半周整流原理图
图3.11负半周整流原理图
桥式整流二极管导通周期均为半周，所以平均电流
只有负载平均电流
。
即
；整流二极管的最大反向耐压值为：
。
2．滤波
整流电路正常工作时，当电压
时，整流二极管导通并向电容C充电；当时
时,整流二极管截止，在电容C与电阻
构成的回路中，电容C通过电阻
放电，
的电压逐渐下降。
电压
与时间常数
的大小有关，一般取
。
电容滤波的原理图如图3.12所示，图3.13与3.14为电容滤波前后的输出波形对比。
图3.12电容滤波原理图
图3.13未加电容滤波的波形
图3.14电容滤波的波形
3.2.2电机驱动芯片的选择
电机驱动芯片多种多样，常用的直流电机驱动芯片有ULN2003与L298N，它们有着不同的特性。
ULN2003的内部电路主要由复合晶体管——达林顿晶体管构成，复合晶体管具有耐压高、电流大等特性。
输入电压为+5VTTL电平，输出电压高达500mA，广泛应用于高速大功率的驱动电路中。
ULN2003在+5V的工作电压下，能与TTL电路或CMOS电路直接相连,可以直接处理标准逻辑缓冲器的数据。
其内部结构图如图3.15所示,
图3.15ULN2003内部结构图
ULN2003的电气特性参数如表3.1所示，
表3.1ULN2003电气特性参数
参数名称
符号
数值
单位
输入电压
30
V
输入电流
25
mA
功耗
1
W
工作环境温度
Topr
-20~+85
℃
储存温度
Tstg
_55~+150
℃
与ULN2003不同的是，L298N的有两个电源接口，分别为模拟电压
与逻辑电压
；理论上
的接入电压范围为4.5~7v，经典电压+5v；
接入电压范围为2.5~46v，具体电压视驱动器件而定。
L298N内部结构图如图3.16所示：
图3.16L298N内部结构图
L298N的电气参数如表3.2所示：
表3.2L298N电气特性参数
参数名称
符号
典型数值
单位
模拟电压
/
V
逻辑电压
5
V
功耗
25
W
储存温度
Tstg
-40~+150
℃
3.2.3测速传感器的选择
用于速度测量的传感器多种多样，常用的有光电传感器与霍尔传感器，这两种传感器的原理大同小异。
光电传感器通过切割光线产生脉冲信号，通过信号调理变换为规则的开关信号；霍尔传感器则通过电磁感应改变电压的幅值产生电压信号，经信号调理后也变换成规则的开关信号。
光电传感器的安装简单，只需在电机转轴上安装码盘即可，测速原理直观易懂；而霍尔传感器的安装复杂，需要专门的附件，在价格上要比光电传感器昂贵，本次设计考虑到成本与安装问题，选择光电传感器来完成测速。
光电传感器一般包含三部分：
发射器、接收器和检测电路。
光电传感器类型有如下几种：
⑴槽型光电传感器
槽型光电传感器槽的两侧分别装有接收器与发射器，一般情况下，接收器接收来自发射器产生的光源，并输出低电平信号；当光源被检测物体挡住时，接收器接收不到发射器发出的光，输出高电平信号；信号经过检测电路检测出有效的信号，并转化为有规则的开关信号；这个开关信号可以作为控制信号，应用于不同的领域。
这种类型的传感器的使用范围受到槽宽的影响，一般用于检测不透明的纤薄物体。
⑵对射型光电传感器
对射型光电传感器与槽型光电传感器在外型上大有不同，对射型光电传感器把发射器与接收器分开，拉大了检测距离，检测距离可以达到几米乃至更大。
使用方便简单，一般安装在被测物体行迹的两侧，被测物经过时，产生一个开关信号，这个开关信号可以作为控制信号。
⑶反光板型光电开关
顾名思义，反光板型光电开关是，把发射器和接收器装在同一个装置上，形成一体化，在反光板型光电开关的前方放置一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用，一般称这种传感器为反光板反射式光电开关。
一般情况下，发射器发出的可见光或红外光，会由反光板反射回来，接收器接收反光，输出低电平信号;当光线被测物遮挡，接收器接收不到反射光时，传感器就会产生一个开关信号，这个开关信号可以作为控制信号。
⑷扩散反射型光电开关
扩散反射型光电开关与反光板型光电开关相比，缺少一个反光板，它也是将发射器与接收器安装在同一个外壳上的，但前方不安装反光板；其原理与反光板型光电开关正好相反。
一般情况下，发射器发出的可见光或红外光，接收器是接收不到的，因此输出低电平信号；当光线被被测物遮挡反射回来时，接收器接收到发射光，产生一个开关信号，这个开关信号可以作为控制信号。
本设计的光电传感器选择槽型光电传感器，发射器与接收器位于槽开光电开关两侧，槽开光电开关如图3.17所示：
图3.17槽开光电开关
发射器一般为红外发射管或者发光二极管，接收器一般为红外接收管或者光电池等，发射器对准接收器发射红外光线，将被测信号转化为光信号，然后由检测电路进行处理，检测出有效信号并变换成规则的开关信号。
3.3特殊器件的介绍
3.2.1L298N
驱动模块使用L298N双H桥直流电机驱动芯片，可以驱动两个功率适宜的直流电机；封装装如图3.18所示：
图3.18L298封装
引脚说明：
1.管脚8为GND；管脚9为逻辑部分供电端Vss，逻辑部分供电范围：
5V～＋7V+5V；
2.管脚4为驱动部分供电端Vs，驱动部分供电范围Vs：
＋5V～＋35V；
3.管脚6与11分别为EN1、EN2使能端：
高电平有效；其中EN1、EN2分别为IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。
4.管脚5、7、10、12分别为输入端IN1~IN4；输入端电平对应输出端，输出端管脚分别为2、3、13、14。
驱动模块工作方式为,通过单片机对其使能端EN1、EN2的控制，进而控制直流电机M1、M2的使能状态，对IN1~IN4输入PWM信号控制直流电机的转速与转向。
L298驱动直流电机的方式如表3.1所示：
表3.1L298驱动直流电机的方式
电机
转向
IN1
IN2
IN3
IN4
PWM信号调速
调速端A
调速端B
M1
正转
H
L
/
/
H
/
反转
L
H
/
/
H
/
停止
L
L
/
/
H
/
M2
正转
/
/
H
L
/
H
反转
/
/
L
H
/
H
停止
L
L
/
/
/
H
基本参数：
1.驱动部分供电范围Vs：
＋5V～＋35V；驱动部分峰值电流Io：
2A。
2.逻辑部分供电范围Vss：
＋5V～＋7V（可板内取电＋5V）；逻辑部分工作电流范围:
0～36mA。
3.控制信号输入电压范围：
低电平：
－0.3V≤Vin≤1.5V高电平：
2.3V≤Vin≤Vss。
4.使能信号输入电压范围：
低电平（控制信号无效）：
－0.3≤Vin≤1.5V；高电平（控制信号有效）：
2.3V≤Vin≤Vss。
5.最大功耗：
20W（温度T＝75℃时）；存储温度：
－25℃～＋130℃。
3.2.2MAX232
串口通行模块使用美信公司的MAX232芯片。
此芯片实现电脑的RS-232标准串口的电平转换,在单电源+5v下，由两组数据转换通道与一个电荷泵电路，实现电平的转换，进而实现PC机与单片机串行通讯。
封装如图3.28所示：
图3.19MAX232封装
基本参数：
1、电源供电电压范围：
4.5V~5.5V，典型供电：
单电源+5V。
2、驱动器、接收器、发送器数均为2个；发送器、接收器均为单端信号类型，2发送器数目：
点对点的数据传输布局。
3、正常工作温度范围：
0°C~70°C，最大电源电流：
10mA，最小单电源电压：
4.5V。
引脚说明：
1、单电源供电：
15脚为GND、16脚为VCC（+5v）。
2、电荷泵电路：
产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
此电路由1、2、3、4、5、6管脚同4只电容连接组成。
3、数据转换通道；分为两个数据通道；第一数据通道由13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）组成。
第二数据通道由8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）组成。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
基本特点：
MAX232符合所有的RS-232C技术标准,片载电荷泵电路具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。
高集成度，片内集成驱动器RS-232C2个，片外最低只需4个电容即可工作，而却具备低功耗性能，最大电源电流为10mA,典型电源电流为5mA。
3.4各单元模块的联接
本设计的硬件系统由各个硬件模块构成，以STC89C52单片机最小系统为中心，将各个模块正确的联接后，才能形成一个完整的硬件系统。
1.串口通信模块与单片机最小系统的的联接是，将MAX232的管脚9（RXD）与管脚10（TXD）分别与单片机的P3.0（RXD）与P3.1（TXD）进行联接，确保串口通信的实现。
2.光电传感器模块与单片机最小系统的的联接是，将光电传感器的输出端口与单片机的P3.2（
）进行联接，确保单片机对光电传感器输出的开关信号的采集工作正常的进行。
3.驱动模块与单片机最小系统的的联接一共有三个接口，它们是通过光电耦合器为中介进行联接的，光电耦合器能够消除驱动电路的高电压对单片机的逻辑电路的干扰。
其中L298N的管脚5、6、7通过光电耦合器分别与单片机的P1.0、P3.6、P1.1进行联接，确保单片机对驱动电路控制的正常。
4软件设计
4.1软件设计原理及设计所用工具
第一步需要进行的工作就是编写硬件设备的驱动程序。
驱动程序的设计原理为，使用计算机语言实现单片机的各个功能，硬件系统的正常工作离不开软件，只有在硬件中写入不同的驱动程序，才能实现硬件系统的各个功能，开发人员使用合适的编程语言编写驱动程序，通过编程软件的编译解释器编译成单片机能够理解的指令。
编写驱动程序的常用语言有汇编与高级语言，高级语言为C语言；汇编语言具有稳定性高，生成效率优，控制性能佳等优点，但是汇编语言的移植性不如C语言；而且，C语言的结构性较汇编语言的要来的清晰许多，其模块化的编
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