基于ARM的步進電機控制課程設(shè)計

1、湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院基于ARM勺步進電機控制課程設(shè)計報告專業(yè)：電子信息工程班級：一班姓名：陳信維學(xué)號:0904030112指導(dǎo)教師：羅朝輝1 .設(shè)計目的與要求,21.1 設(shè)計目的，,，21.2 設(shè)計要求,22 .方案設(shè)計與論證，”22.1 設(shè)計分析,22.2 方案論證，,，,22.3 方案選擇,，,23 .硬件電路,23.1 硬件結(jié)構(gòu),33.2 器件連接說明，,，44 .軟件設(shè)計,55 調(diào)試,76 .結(jié)論與心得，,，,，,77 .參考文獻，,，,7附錄程序,81、設(shè)計的目的與要求* 設(shè)計目的(1)本次課程設(shè)計是在學(xué)習(xí)了深入淺出ARM7LPC213X/214X»課程之后綜合利

2、用所學(xué)知識完成一個計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計并在實驗室實現(xiàn)。(2)通過課程設(shè)計，鞏固和加深了對“微機原理與接口技術(shù)”課程中所學(xué)的理論知識和實驗?zāi)芰?，基本掌握計算機接口應(yīng)用電路的一般設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計和實驗?zāi)芰Α?3)加深對計算機軟硬知識的理解，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。* 設(shè)計要求(1)設(shè)計一個步進電機的控制系統(tǒng)。(2)可通過鍵盤設(shè)定轉(zhuǎn)速和方向。(3)能夠顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。2、方案的設(shè)計與論證設(shè)計分析步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機

3、則轉(zhuǎn)過一個步距角。本次課程設(shè)計所設(shè)計的步進電機的控制系統(tǒng)可通過鍵盤設(shè)定轉(zhuǎn)速和方向，并能顯示轉(zhuǎn)速。方案論證方案一：采用ARM7的脈寬調(diào)制器PWM產(chǎn)生脈沖對步進電機進行控制。方案二：利用定時器定時中斷進行步進電機的控制。方案選擇第一種方案中PWM技術(shù)是采用脈寬調(diào)制技術(shù)，即占空比不同的方波電壓產(chǎn)生不同的平均電流使步進電機轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)占空比即可調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。雖然很精確，但設(shè)置較繁瑣。第二種方案中采用定時器定時中斷的方式，只需要幾條簡單的指令就可以產(chǎn)生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號，而且在整個脈沖產(chǎn)生過程中，CPU可用來處理其他工作，大大提高了系統(tǒng)的實時處理能力?？紤]到系統(tǒng)的實時性及程序的繁簡程度我選擇

4、了第二種方案。3、硬件電路3.1硬件結(jié)構(gòu)(1)EasyARM2138開發(fā)板是廣州周立功公司設(shè)計的EasyARM系列開發(fā)套件之一，采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核、單電源供電、LQFP64封裝的LPC2138,具有JTAG仿真調(diào)試、ISP編程等功能。開發(fā)板上提供了一些鍵盤、LED、蜂鳴器等常用功能部件，還具有RS232接口電路、I2C存儲器電路。另外，用戶也可以更換兼容的CPU進行仿真調(diào)試，如LPC2132、LPC2138、LPC2142等。靈活的跳線組合(開發(fā)板內(nèi)使用的所有I/O均可斷開連接)，還有用戶I/O接口，極大地方便了用戶進行32位ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實驗。(2)定

5、時器LPC2131具有2個簽位可編程定時計數(shù)器，均具有4路捕獲、4比較路匹配并輸出電路-定時器對外設(shè)時鐘周期進行計數(shù)可選擇產(chǎn)生中斷或根據(jù)4個匹配寄存器的設(shè)定，在到達指定的定時值時執(zhí)行K它動作(輸出高/低電平、翻轉(zhuǎn)或者無動作其它還包括4個捕獲輸入，用于在輸入信號發(fā)生跳變時捕獲定時器值.并可選擇產(chǎn)生中斷.可用于對內(nèi)部事件進行計數(shù)的間隔定時器，或者通過捕獲輸入實現(xiàn)脈寬調(diào)制，亦可作為自由運行的定時器.定時器0和定時器1除了外設(shè)基地址以外，其它都相同。帶可編程32位預(yù)分頻器的32位定時器/計數(shù)器：具仃多達4路32位的捕獲通道一當(dāng)輸入信號跳變時可取得定時器的瞬時值，也可選擇使捕獲事件產(chǎn)生中斷；4個32位匹

6、配寄存器：匹配時定時器繼續(xù)I一作，可選擇產(chǎn)生中斷：一匹配時停止定時器，可選擇產(chǎn)生中斷：一匹配時復(fù)位定時器，可選擇產(chǎn)生中斷。多達4個對應(yīng)F匹配寄存器的外部輸出，具有卜列特性；一匹配時設(shè)置為低電平：一匹配時設(shè)置為高電平：一匹配時翻轉(zhuǎn)；一匹配時無動作.定時器基本操作方法工計算定時器的時鐘頻率.設(shè)置PR寄存器進行分頻操作：設(shè)置比收匹配逋道的初值及其工作模式，若是使用捕獲力能.則設(shè)置捕蒙方式：若使用定時器的相關(guān)中斷.則設(shè)置VIC,使能中斷：設(shè)置TCR,啟動定時器.如前所述.定Mi十?dāng)?shù)器時鐘頻率計算如下：計數(shù)時鐘頻之二N+1其中，N為PR的值.(3)中斷LPC2138通過向量中斷控制器(VIC)管理中斷。

7、外設(shè)中斷信號需要經(jīng)過2個開關(guān)才能到達ARM內(nèi)核，真正產(chǎn)生異常，邏輯示意圖如下圖所示。如果在VIC中使能了相應(yīng)外設(shè)的中斷，外設(shè)中斷才能到達VIC并向內(nèi)核發(fā)送中斷請求；只有使能了內(nèi)核中斷IRQ或者FIQ,內(nèi)核才能真正產(chǎn)生異常。硬件圖如下中斷的過程示意圖如下:VIC整個中斷蛤入(4)按鍵的連接圖.JPOIJHHH3A.1run.KEY34FH.ET5工歷¥31出.rsq'、二Hkey/inn12上、出WKCYSlirnjn仃三、M!SIB防3u3PU|HJTU手Ml山innfij不按下時為高電平，按下時變?yōu)榈碗娖健ART0LPC2131具有2個符合符合方5。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的k步串行口P

8、ART)UART。和UART1特性：16字節(jié)收發(fā)FIFO寄存器位置符合節(jié)50工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；接收器FIFO觸發(fā)點可為1.4,8和14字節(jié);內(nèi)置波特率發(fā)生器：LPC2131包含便能實現(xiàn)軟件流控制的機制,管腳描述:管腳名稀UART管腳功能描述說明P0.0TxDOr串行出舉行發(fā)送數(shù)據(jù)P01RaDO串E入串行接收數(shù)據(jù)P08TxDl串行輸出申行發(fā)送數(shù)據(jù)P0.9RxDlP串行輸入舉行接收數(shù)據(jù)UART的基本操作方法：設(shè)置10連接到UARTx；設(shè)置串口波特率(UxDLM.UxDLL)：設(shè)苴串II工作模式(UxLCR.UxFCR)；發(fā)送或接收數(shù)據(jù)(UxTHR、UxRBR)；檢查串口狀態(tài)字(UxLSR)或者等價串口中斷

9、(Uxinj(6)步進電機接口由于LPC2138的GPIO驅(qū)動能力有限，必須通過ULN2003達林頓集成驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機，在步進電機和驅(qū)動電路間連接了電阻，防止控制紊亂而造成的電機損壞。步進電機盤口原理3.2器件連接說明(1)在EasyARM2138開發(fā)板上，當(dāng)跳線JP6分別選擇TXD0和RXD0端時方可進行UART0通信實驗。(2)KEY1連接P0.16;KEY2連接P0.17;KEY3連接P0.18,KEY4連接P0.19,KEY5連接P0.20,KEY6連接P0.21。(3)步進電機的四個輸入端口分別接EasyARM2138開發(fā)板上P2.2P2.5四個端口。4、軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用c

10、語言編程，程序詳情請參見附錄。程序的流程圖如下:4、調(diào)試按照器件連接說明連接好EasyARM2131開發(fā)板上的跳線，然后將步進電機與EasyARM2131開發(fā)板連接上。運行程序，開始調(diào)試。在一開始的時候，由于用定時器設(shè)置的中斷時間太長導(dǎo)致看不見電機有明顯的轉(zhuǎn)動。通過修改定時時間，漸漸地電機轉(zhuǎn)動變得明顯了。然后測試按鍵功能時發(fā)現(xiàn)，案件的檢測不夠靈敏，有時候需要按幾下才能檢測到，后來經(jīng)過修改延時消抖的時間，將其變短且在每次按下按鍵時不急于松開而保持一會兒，這樣按鍵檢測變得較為靈敏了。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：單雙八拍和雙四拍要比單四拍的轉(zhuǎn)動更加有效。單四拍模式的時候電機只是震動并沒有轉(zhuǎn)動，用肉眼觀察不到轉(zhuǎn)速的

11、快慢，故最后舍棄了這種模式。調(diào)試的最終結(jié)果是：程序開始時電機進入模式0,如果沒有按鍵按下則一直保持模式0。當(dāng)有按鍵按下時，且按鍵為KEY1KEY4則電機根據(jù)不同按鍵的按下進入不同的轉(zhuǎn)動模式（KEY1對應(yīng)*II式0:八拍正轉(zhuǎn)，KEY2對應(yīng)*II式1:八拍反轉(zhuǎn)，KEY3對應(yīng)*II式2:雙四拍正轉(zhuǎn)，KEY4對應(yīng)卞II式3:雙四拍反轉(zhuǎn)）。當(dāng)按鍵KEY5按下時，電機轉(zhuǎn)速變慢，且隨著KEY5按下次數(shù)的增多電機逐漸變慢直至停止；當(dāng)按鍵KEY6按下時，電機轉(zhuǎn)速變快，且隨著KEY5按下次數(shù)的增多電機逐漸變快。同時在上位機上可以看見當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。5、課程設(shè)計體會一方面，通過這一周的課程設(shè)計，我對課本上關(guān)于LPC21

12、38的硬件結(jié)構(gòu)的知識有了更加深刻的理解，而且對其用法掌握得更加熟練。在課程設(shè)計過程中，能夠不斷地發(fā)現(xiàn)問題，并想辦法解決，如此提高了我自己解決問題的能力。在編寫程序方面，我對ARM7編程結(jié)構(gòu)和技巧也有了深刻的理解和領(lǐng)會。此次課程設(shè)計還讓我知道什么是實時系統(tǒng)以及如何構(gòu)建一個簡單的實時系統(tǒng)?，F(xiàn)在我已經(jīng)基本掌握了構(gòu)建實時系統(tǒng)的方法。還有我明白了流程圖的重要性，以前在編程的時候，我從不寫流程圖，直接開始寫程序，這樣出現(xiàn)了不該出現(xiàn)的問題。但這次課程設(shè)計時，我試著先寫出流程圖然后按照流程圖編寫程序，結(jié)果錯誤少了很多，即使有錯誤只要根據(jù)流程圖一查就知道錯在哪里，這讓我節(jié)省了大量的時間和精力。所以我認識到，以后

13、要編寫程序時，先寫流程圖是很有必要的。另一方面，我感覺這一周的課程設(shè)計我自己的效率太低。有時候被一些問題困惑了很久，但經(jīng)過老師的指點，我才恍然大悟，原來只要換個方式思考問題就能想到很好的方法。6、參考文獻1周立功.深入淺出ARM7LPC213X/214X（上冊）M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008:146-175,226-240,275-286.2周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程（三）M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005:134-140.3冷洪濱，郭義杰.基于計數(shù)器/定時器的步進電機可編程控制接口電路設(shè)計J北京：組合機床與自動化加工技術(shù)，2004.4周明德.微型計算機硬件軟件及其應(yīng)

14、用.北京：清華大學(xué)出版社，1993.附錄:實訓(xùn)程序#include"config.h"#defineHC595_CS#defineLED11<<18#defineLED21<<19#defineLED31<<20#defineLED41<<21#definebj_qd0x0f(1<<29)/P1.18/P1.19/P1.20/P1.21/P0.29口為74HC595的片選<<22/步進電機驅(qū)動腳p1.22p1.25uint32bj8=1<<22,3<<22,1<<23

15、,3<<23,1<<24,3<<24,1<<25,9<<22;/0A,1ABconstuint32KEY1=1constuint32KEY2=1constuint32KEY3=1constuint32KEY4=1constuint32KEY5=1constuint32KEY6=1<<<<<<<<<<<<1617181920212B3BC/P0.16連接/P0.17連接/P0.18連接/P0.19連接/P0.20連接/P0.21連接4C5CD6D7DAKEY1KEY

16、1KEY1KEY1KEY1KEY1uint8i,n=0,t=0,m=20,cnt=0;uint8bj_mod=0;/0-八拍zh正轉(zhuǎn)，1-八拍反轉(zhuǎn)，2-雙四拍正轉(zhuǎn)，3-雙四拍反轉(zhuǎn)/*函數(shù)名稱:函數(shù)功能:入口參數(shù):出口參數(shù):DelayNS()長軟件延時dly無延時參數(shù)，值越大，延時越久*/voidDelayNS(uint32dly)uint32i;for(;dly>0;dly-)for(i=0;i<50000;i+);#defineUARTBPS115200/通訊波特率115200/*函數(shù)名稱函數(shù)功能:UART0_Init():初始化串口0:波特率115200,8位數(shù)據(jù)位，1位停止位

17、，無奇偶校驗。*入口參數(shù)出口參數(shù)*/voidUART0_Init(void)/DLAB=1uint16Fdiv;U0LCR=0x83;Fdiv=(Fpclk/16)/UART_BPS;U0DLM=Fdiv/256;U0DLL=Fdiv%256;U0LCR=0x03;)/*函數(shù)名稱：UART0_SendByte()*函數(shù)功能：向串口公送字節(jié)數(shù)據(jù)，并等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。*入口參數(shù)：data要發(fā)送的數(shù)據(jù)*出口參數(shù)：無*/voidUART0_SendByte(uint8data)(U0THR=data;while(U0LSR&0x40)=0);/等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢)/*函數(shù)名稱：PC_DispCh

18、ar()*函數(shù)功能：向Pc機發(fā)送顯示字符。*入口參數(shù)：x顯示字符的橫坐標(biāo)*y顯示字符的縱坐標(biāo)*chr顯示的字符，不能為ffDOS字符*color顯示的狀態(tài)，包括前景色、背景色、閃爍位。與顯示一樣：03,前景色，46,背景色，7,閃爍位。*出口參數(shù)：無*/*voidPC_DispChar(uint8x,uint8y,uint8chr,uint8color)(UART0_SendByte(0xff);/起始字符UART0_SendByte(x);UART0_SendByte(y);UART0_SendByte(chr);UART0_SendByte(color);)/*函數(shù)名稱：ISendStr(

19、)*函數(shù)功能：向上位機發(fā)送字符串。*入口參數(shù)：x顯示字符的橫坐標(biāo)*y顯示字符的縱坐標(biāo)*color顯示的狀態(tài)，包括前景色、背景色、閃爍位。*爍位。與DOS字符顯示一樣：03,前景色，46,背景色，7,閃*str要發(fā)送的字符串，以0'結(jié)束*出口參數(shù)：無*/*voidISendStr(uint8x,uint8y,uint8color,char*str)(while(1)(if(*str='0')break;/結(jié)束字符PC_DispChar(x+,y*str+,color);if(x>=80)(x=0;y+;)i*函數(shù)名稱：MSPI_Init()*函數(shù)功能：初始化SPI接

20、口，設(shè)置為主機。*人口參數(shù)：無*出口參數(shù)：無*/voidMSPI_Init(void)PINSEL0=(PINSEL0&(0xFF<<8)|(0x55<<8);SPCCR=0x52;/設(shè)置SPI時鐘分頻SPCR=(0<<3)|(1<<4)|(1<<5)|(0<<6)|(0<<7);/CPHA=0,數(shù)據(jù)在SCK的第一個時鐘沿采樣/CPOL=1,SCK為低有效/MSTR=1,SPI處于主模式/LSBF=0,SPI數(shù)據(jù)傳輸MSB(位7)在先/SPIE=0,SPI中斷被禁止/*函數(shù)名稱：MSPI_SendDat

21、a()*函數(shù)功能：向SPI總線發(fā)送數(shù)據(jù)*入口參數(shù):data待發(fā)送的數(shù)據(jù)*出口參數(shù)：返回值為讀取的數(shù)據(jù)*/uint8MSPI_SendData(uint8data)(.IOCLR=HC595_CS;SPI_SPDR=data;while(0=(SPI_SPSR&0x80);IOSET=HC595_CS;return(SPI_SPDR);/*此表為LED0F以及L、P的字模/片選74HC595/等待SPIF置位，即等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢*/*uint8constDISP_TAB10=/01234567890xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0

22、x90;/*函數(shù)名稱：qudong()*函數(shù)功能：驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動*人口參數(shù)：無*出口參數(shù)：無*/voidqudong()IO1SET=0x0f<<22;/不輸出switch(bj_mod).case0:/八拍正轉(zhuǎn)IO1CLR=bjcnt%8;break;case1:/八拍反轉(zhuǎn)IO1CLR=bj7-(cnt%8);break;case2:/雙四拍正轉(zhuǎn)IO1CLR=bj(cnt%4)*2+1;break;case3:/雙四拍反轉(zhuǎn)IO1CLR=bj7-(cnt%4)*2;break;default:break;T0IR=0x01;/*清除中斷標(biāo)志*/VICVectAddr=0x00;/

23、*通知VIC中斷處理結(jié)束*/*函數(shù)名稱：IRQ_Timer0()*函數(shù)功能：定時器0中斷服務(wù)程序，定時調(diào)用qudong()程序，使步進電機按節(jié)拍轉(zhuǎn)動。*人口參數(shù)：無*出口參數(shù)：無*/void_irqIRQ_Timer0(void)一t+;cnt+;qudong();MSPI_SendData(DISP_TABi);/發(fā)送顯示T0IR=0x01;/*清除中斷標(biāo)志*/VICVectAddr=0x00;/*通知VIC中斷處理結(jié)束*/)/*函數(shù)名稱：main()*函數(shù)功能：程序初始化，AD采樣和按鍵調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過串口向上位機發(fā)送顯示數(shù)據(jù)。*調(diào)試說明：需要將跳線JP6分別選擇TXD0和RXD0端*K

24、EY1KEY6連接P0.16P0.21,步進電機四個輸入端分別接P1.22P1.2S*/*uint8rcv_data;intmain(void)uint32ADC_Data,temp,zhuansu=100,zhuansu1=100,zhuansu2=200;uint32bapaizhengzhuan,bapaifanzhuan,shsipaizhengzhuan,shsipaifanzhuan;charstr20;PINSEL0=0x00005505;/設(shè)置SPI管腳連接PINSEL1=0x10000000;/PINSEL1=1<<28;/P0.30連接至UAD0.3IODIR=

25、HC595_CS;PINSEL2=PINSEL2&(0x08);/P125:16連接GPIOIO1DIR=bj_qd;/設(shè)置bjdj_qd控制口為輸出UART0_Init();MSPI_Init();/初始化SPIIRQEnable();/*IRQ中斷使能*/*定時器0初始化*/T0TC=0;/*定時器設(shè)置為0*/T0PR=0;/*時鐘不分頻*/T0MCR=0x03;/*設(shè)置T0MR0匹配后復(fù)位T0TC,并產(chǎn)生中斷標(biāo)志*/T0MR0=Fpclk/zhuansu;/*0.5秒鐘定時*/T0TCR=0x01;/*啟動定時器*/*設(shè)置定時器0中斷IRQ*/VICIntSelect=0x00;

26、/*所有中斷通道設(shè)置為IRQ中斷*/VICVectCntl0=0x20|0x04;/*設(shè)置定時器0中斷通道分配最高優(yōu)先級*/VICVectAddr0=(uint32)IRQ_Timer0;/*設(shè)置中斷服務(wù)程序地址*/VICIntEnable=1<<0x04;/*使能定時器0中斷*/while(1)if(IO0PIN&KEY1)=0)/KEY1MIDE0DelayNS(10);if(IO0PIN&KEY1)=0)bj_mod=0;i=0;MSPI_SendData(DISP_TAB0);/發(fā)送到數(shù)碼管顯示bapaizhengzhuan=3*zhuansu/20;spr

27、intf(str,"bapaizhengzhuan:%4d”,bapaizhengzhuan);儂送至ij上位機顯示ISendStr(0,4,0x30,str);while(IO0PIN&KEY1)=0);)if(IO0PIN&KEY2)=0)/KEY2MODE1(DelayNS(10);if(IO0PIN&KEY2)=0)(bj_mod=1;i=2;MSPI_SendData(DISP_TABi);/發(fā)送到數(shù)碼管顯示bapaifanzhuan=3*zhuansu/20;sprintf(str,"bapaifanzhuan:%4d”,bapaifanzhuan);發(fā)送至ij上位機顯示ISendStr(0,6,0x30,str);while(IO0PIN&KEY2)=0);)if(IO0PIN&KEY3)=0)/KEY3MODE2(DelayNS(10);if(IO0PIN&KEY3)=0)(bj_mod=2;i=3;MSPI_SendData(DISP_TABi);/發(fā)送到數(shù)碼管顯示shsipaizhengzhuan=3*zhuansu/10;sprintf(str,"shsipaizheng