最火基于MC9S12DGl28单片机的快速位清镇一体机进口水根茎蔬菜充填机械OrE

基于MC9S12DGl28单片机的快速位置伺服系统的设计

O 引言

本设计要求对某火炮的水平和高低角进行控制，达到快速位置伺服系统的要求。而这个火炮角度控制系统首先要求有快速性，它的反应时间大于或等于12 ／s；角度转动控制精度小于或等于1 ，水平角转动范围从一120 ～+120 ，高低角转动范围从0 ～+85 ；最后系统要有很好的稳定性和动态性能。

由于位置伺服系统一般是以足够的位置控制精度、位置跟踪精度和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标，系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化。所以对于这种快速位置伺服系统，要求整个系统各部分配合良好，其中的关键是控制器的选择，综合考虑高精度、抗干扰能力、灵活性、可靠性、实时性、性价比等各因素的情况下。选择了Frees cale公司的MC9Sl2DGl28B作为控制器。MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的单片机，功能强大，性能优越。本文采用该型号的单片机保证了所设计系统的稳定可靠。

1 系统控制方案

由于设计的角度伺服系统的负载比较大，而且相对于工业控制要求而言系统精度和快速性要求高，所以整个系统采用混合闭环的控制结构，所谓混合闭环的控制结构，就是系统内同时存在半闭环和闭环。半闭环起到控制作用，而全闭环只用于稳态误差补偿，两者相结合可获得较高的位置控制精度和跟踪速度。包括：MJX40 14型光电编码器、90LCX一3直流伺服电机、12A8型PWM直流伺服电机驱动器、单片机控制系统。单片机控制系统由MC9Sl2DGl28B单片机实现，使用Code Warrior for HCl2 V4．6编译器，采用C语言编程。由于水平角和高低角的控制是一样的，而且共用一个单片机，以角度控制方框图(图1)来说明。

如图1所示，系统的任务是使光电编码器测得的炮架转动角度 2与给出的指令 1相等。当 1 2时， 1一 2的偏差信号在单片机里进行处理，放大后输入到PWM直流伺服电机驱动器，由PWM驱动器3、混凝土压力实验机保护方法驱动直流伺服电机，伺服电机带动减速器，驱动炮架向着减少偏差的方向移动，直到 1= 2，电机停止转动，达到目标。同时，炮架要准确的跟踪目标，蜂窝煤机必须减少在跟踪过程中可能出现的速度变化(如风速等原因)，因为直流伺服电机本身带有测速机端，可以把速度反馈信号进行负反馈输入到PWM伺服电机驱动器，这样使转动机械的转速度变化很小，起着稳速的作用。

2 硬件系统设计

2．1 总体设计

整个硬件系统采用模块化思想设计，硬件系统框图如图2所示，分为单片机CPU最小系统、键盘／显示控制模块、直流伺服电机驱动电路、系统输入模块、光电编码器等。设计时，各个模块可相对独立设计调试，最后集成为整个系统。

2．2 模块结构和功能简要说明

CPU最小系统：系统的主控模块，用以控制和协调其它模块工作。

键盘／显示控制：由键盘及LED管理芯片CH451控制。系统输入模块：用通用8155芯片做数据采集，获取光电编码器所测得的火炮当前角度(位置)值，并传给主控芯片。伺服电机驱动电路：用带有缓冲基准输入的双路12位电压输出数字一模拟转换器(TLC5618)作为单片机的一个外围的D／A接口；当系统把偏差值算好后，利用PID算法得出的数据量输出到两路TLC5618，再通过驱动器去驱动水平和高低角的伺服电机，精确控制火炮的高低角和水平角位置和速度。

SCI通信：通过串行通信模块。系统可以与上位机连接，方便对系统软件的更新和升级，且可通过上位机进行控制角度控制，监视单片机的输入与点光源输出。光电编码器：用于得到炮架的转动角度。

2．3 主要模块设计2．3．1 单片机CPU最小系统

HCSl2对省直有关部门和各市计划落实、项目实行、政策履行、工作推动等情况进行调度、评估和修正系列MCU的硬件结构中仅有一个MCU(微控制器)是无法工作的，它必须结合其它相应的外围电路(即MCU支撑电最合适用于制造微波天线(天线罩)或其他特殊的电气利用路)，才能构成一个最小系统。HCSl2系列MCU的最小系统一般包括电源电路、时钟电路、复位电路、BDM调试头电路，MC9Sl2DGl28芯片最小系统支撑电路示意图如图3所示。其中各个部分功能如下：

(1)电源电路主要给MCU提供+5V，+12V和+3．3V电源。

(2)时钟电路给MCU提供一个外接的石英晶振。

(3)复位电路主要完成系统上电复位和系统在运行时用户按键电动剪复位。

(4)BDM接口电路主要完成与BDM调试工具相连，向MC9S12单片机写入和调试程序。

2．3．2 键盘／显示控制电路

键盘控制模块采用键盘及LED管理芯片CH451。CH45l是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以 P监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。该芯片支持SPI同步串行通讯方式，可以与MC9S12DGl28B单片机的SPI通讯口进行告诉数据通讯，控制方便。键盘采用4 4矩阵式键盘，系统共使用16个按键。显示数据用数码管，由键盘输入火炮要旋转的水平和高低角度值，并显示出来，系统第一次采集来的角度值也是通过它显示的。

2．3．3 系统输入模块

从光电码盘中输出的数据有15位，要是单一的用单片机去读取光电码盘的数据，一个光电码盘就会用到15个数据线，占用了单片机的大量资源。利用8155的丰富的I／O口资源，可以减少对单片机资源的占用。单片机给光电编码器一个读取信号脉冲，8155的PA和PB口立即得到光电编码器的数据，并存到了PA和PB寄存器中，此时单片机只要读取8155的PA和PB寄存器就能得到光电码盘的数据，通过计算就能获得此时炮架的方位角和高低角。

2．3．4 伺服电机驱动电路

对于一般的D／A转换器的输入端都用并行输入，但是前面的芯片已经占用了单片机大量的接口，为了系统的输入输出能同步进行，本设计选用了串行输入的TLC5618，它是一种快速带缓冲基准输入(高阻抗)的双路12位电压输出数字一模拟转换器(DAC)，弥补了串行输出的速度慢的不足，TLC5618具有1．21 MHz的输入数据更新速率，D按每人手上4万个细菌计算ACA和DACB两路同时更新，O．5LSB的建立时间为2．5 ms，它的最大串行时钟速率为20 MHz，转换速度达到要求；且它有两路12位CMOS电压输出，精度符合设计要求；高阻抗基准输入使输出有很强抗干扰能力。TLC5618在+5V单电源工作，其输出电压范围为基准电压的两倍，因此，电路设计采用2．5V基准电压。通过CMOS兼容的3线串行总线，可对TLC5618实现数字控制，单片机串行数据通过PTl输入TLC5618，串行时钟通过PT2输入，PTO接片选端，TLC5618接收到数据后，经过数模转换，产生O～5V的模拟信号，经过减法器，得到一2．5～2．5的模拟信号，只有达到一1OV～10V的模拟信号才能更精确的控制电机，所以用高速放大器特殊家具LM318进行两级两倍放大，就可以达到设计的要求。

3 软件系统设计

系统软件采用模块化设计思想，主要模块有：主程序模块、数据采集模块、键盘与显示模块、IRQ定时中断处理程序、D／A数据输出模块、串行通信模块。开发调试平台是CodeWarrior软件。CodeWarrior系列集成开发环境(IDE，Integrated Development Environment)是Metrowerks公司为开发嵌入式微处理器而设计的一套强大易用的开发工具，使用它可以有效地提高软件开发效率。系统的总的流程如图4所示。

4 结束语

基于Freescale公司的MC9S12DGl28B单片机，设计了火炮的快速位置伺服系统。对硬件系统的键盘／显示控制模块、系统输入模块、直流伺服电机驱动电路等各个功能模块进行了详细的电路设计，在CodeWarrior系列集成开发环境开发了软件系统，最后对软硬件进行了综合调试。目前，设计的系统功能完善、运行可靠。结果表明：该系统方案设计合理，对角度控制精确度高，系统平稳，可靠性高，操作简单，达到要求的指标，稍加改造，还可应用到其它位置伺服系统中。