高壓平流泵控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，軟硬件協(xié)同

1前言

1.1高壓平流泵控制現(xiàn)狀

高壓平流泵是利用電機驅(qū)動柱塞泵，使液體以穩(wěn)定的流量及壓力輸出的一種設(shè)備，作為分析儀器的動力源，廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、制藥、煤炭、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域。其主要技術(shù)要求：壓力范圍0~42MPa，流量范圍0.001~9.999mL流量誤差小于0.5%，從技術(shù)參數(shù)可知，如此小流量、高精度、高壓力的流量計較難制造。平流泵又稱恒流泵，要求流速恒定。平流泵流量的設(shè)定，實質(zhì)上就是改變電機的轉(zhuǎn)速，所以恒流效果如何主要取決于電機速度的穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的恒流泵大多為步進電機驅(qū)動。這種泵成本低，調(diào)試方便，但致命弱點是在低流量下有較大脈動，很難保證恒流效果。這是因為步進電機是按照一定拍節(jié)和相序運行。為了解決這一問題，可借鑒國外儀器，使用直流電機取代步進電機，使恒流泵的性能大為提高^[1]。直流電機具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，特別適用于要求調(diào)速的系統(tǒng)。

現(xiàn)在市場上通用的電機控制器大多采用單片機和DSP。但是傳統(tǒng)單片機的數(shù)據(jù)處理能力有限，對采用復(fù)雜的反饋控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，往往不能滿足設(shè)計要求。近年來出現(xiàn)了各種高速SOC單片機，其性能得到很大提高，價格卻比DSP低很多。其相關(guān)軟件和開發(fā)工具越來越多，功能也越來越強，但價格卻在不斷降低?，F(xiàn)在越來越多的廠家開始采用SOC單片機來提高產(chǎn)品性價比^[2]。

1.2本文主要內(nèi)容

系統(tǒng)采用PWM技術(shù)閉環(huán)調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速，從而精確控制平流泵流量。

系統(tǒng)對高壓平流泵精度要求非常高，流量精度要求小于0.5%。如此高精度需要有高性能控制器來采集調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速，PIC32MX460F512L可很好滿足要求，它采樣直流電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)過分析處理，發(fā)送適當(dāng)占空比的PWM信號給電機，從而精確控制直流電機轉(zhuǎn)速。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電機驅(qū)動采用電機專用驅(qū)動芯片LMD18200。

系統(tǒng)提供壓力、電流和熱報警三重保護，以防平流泵損壞。壓力和電流采用PIC32MX460F512L提供的A/D模塊采樣，精度高達10位^[8]。

為便于人機交互和調(diào)試系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的通信功能，通信部分采用光耦隔離，提供RS232通信方式。

2相關(guān)技術(shù)和原理

2.1 直流電機控制方法

在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電機具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，直流電機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛運用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機的傳動技術(shù)得到改進，以往普遍采用的三種基本調(diào)速方法，即：(1) 改變電樞回路總電阻；(2)改變電樞的供電電壓；(3) 改變勵磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流電機調(diào)壓系統(tǒng)，以及全波不控整流——PWM軋波直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)^[3]。直流電機脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點，使之成為直流電機應(yīng)用的主要調(diào)速方式。

2.2 PWM直流調(diào)速原理

PWM控制是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)解，來有效地獲得所需要的波形?；赑WM控制的調(diào)速電路把流電壓“軋”成一系列脈沖，通過改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)速系統(tǒng)中，通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機的轉(zhuǎn)速。用脈寬調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。可見，在直流電壓下，當(dāng)調(diào)制脈沖頻率一定時，脈沖寬度與占空比成線性關(guān)系。

在脈沖作用下，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，就能夠?qū)崟r控制電機的運轉(zhuǎn)速度。當(dāng)電機通電時速度增加；電機斷電時速度減小。設(shè)電機直接接通電源時(即占空比為100%)，電機的轉(zhuǎn)速為V_m，設(shè)占空比為D=t/T，則電機的平均速度為

(2-1)

式中：V_e——平均速度；V_m——全速（即直接通電時的速度）；D=t/T——占空比(0-100%)。

由式(2-1)可見，V_m是直流電機直接通電時的速度（全速），只跟電機本身的特性相關(guān)，電機一定時，V_m為一個定值。改變占空比D=t/T，就能得到不同的平均速度，從而就能夠?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)速進行實時控制^[4]。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似看成線性關(guān)系。

2.3 H橋型電機驅(qū)動原理

圖2-1 H橋PWM驅(qū)動

常見的PWM驅(qū)動系統(tǒng)的主電路（功率放大器）結(jié)構(gòu)有：H型和T型。這里以H型結(jié)構(gòu)為例說明PWM雙極式驅(qū)動的電路工作原理。

H橋PWM驅(qū)動如圖2-1，圖中VD1、VD2、VD3、VD4為續(xù)流二極管，用來保護VT1、VT2、VT3、VT4三極管，U_b1=U_b4=-U_b2=-U_b3。

當(dāng)U_b1=U_b4為正時，VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT3截止，U_AB＝U_s。

當(dāng)U_b2=U_b3為正時，VT1和VT4截止，VT2和VT3不能立即導(dǎo)通，因為電機的反電勢使AB存在續(xù)流，續(xù)流流經(jīng)VD3和VD2，保護了四個三極管，若續(xù)流在這個過程沒有得到很大衰減，而U_b1=U_b4為正的階段已經(jīng)來臨，則VT2和VT3一直不能導(dǎo)通；若續(xù)流在這個過程中得到很大衰減，則VT2和VT3導(dǎo)通，U_AB＝-U_s。

顯然，U_b1=U_b4為正的時間和U_b2=U_b3為正的時間相同時，U_AB的平均電壓為0，電機動態(tài)靜止；當(dāng)U_b1=U_b4為正的時間長于U_b2=U_b3為正的時間時，U_AB的平均電壓>0，電機正轉(zhuǎn)，U_AB的值越大，轉(zhuǎn)速越高；當(dāng)U_b1=U_b4為正的時間短于U_b2=U_b3為正的時間時，U_AB的平均電壓0，電機反轉(zhuǎn)，U_AB的值越小，轉(zhuǎn)速越高。

可見，只要控制U_b1、U_b2、U_b3、U_b4的脈沖寬度，就可控制直流電機的轉(zhuǎn)向和速度，且可以達到動態(tài)靜止，有利于正反轉(zhuǎn)死區(qū)電壓的消除^[3]。

2.4 電機驅(qū)動H橋組件LMD18200

小型機電一體化產(chǎn)品要求直流電機的驅(qū)動器既有較小的體積，又能提供較大的電流、電壓輸出。采用達林頓三級管可搭建H橋?qū)崿F(xiàn)PWM脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)，但由于分立器件各個元件的特性并不相同，調(diào)速性能并不太好，而且電路不能達到很高的穩(wěn)定性。相比而言，采用美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于運動控制的Ｈ橋組件LMD18200具有很大好處。該芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，峰值輸出電流高達6A，連續(xù)輸出電流高達3A，工作電壓高達55v，還具有熱報警和過熱與短路保護功能^[5][6][7]。

原理框圖如圖2-2。因為電機由LMD18200驅(qū)動，對電機的控制就是對LMD18200控制，所以這里將詳細介紹一下該芯片的用法。

圖2-2 LMD18200原理框圖

(1) PWM信號類型

LMD18200可采用兩種不同類型的PWM信號：①類型1 PWM信號中既包含方向信息又包含幅值信息，50%占空比的PWM信號代表零電壓。使用時，該信號應(yīng)加于方向輸入端（腳3），同時將PWM信號輸入端置邏輯高電平。②類型2 分別由方向信號與幅值信號組成。幅值由PWM信號的占空比決定，零脈沖時代表零電壓。在實際使用時，腳3接方向輸入信號，腳5接PWM信號。

(2) 電流取樣限流

每輸出1A電流，腳8輸出377nA取樣電流。接在8腳與地之間的電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓幅值在5-8v之間時，線性度與精度最佳。該端最高電壓為12v。電流取樣電路并不檢測反饋電流，僅檢測橋臂上端晶體管中的電流。

(3) 溫度報警標(biāo)志

該端(9腳)為OC門輸出，對多芯片使用可進行線與。該端通常接到系統(tǒng)控制器的中斷輸入，以便過熱時對系統(tǒng)采取適當(dāng)措施。該端最高電壓為12v。

(4) 限流

LMD18200內(nèi)部含有限流保護電路，用于檢測器件中的浪涌電流，該電流接近10A時，迅速關(guān)斷功率器件。器件關(guān)斷后，保護電路周期性試圖開通功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就恢復(fù)正常運行。由于短路將產(chǎn)生大量熱量，在實際使用時，LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器，同時芯片電源端V_cc（腳6）在PCB上需要1平方英寸的銅箔。

(5) 工作原理

LMD18200內(nèi)部集成了４個DMOS管，組成了一個標(biāo)準(zhǔn)的H橋驅(qū)動電路。H橋高側(cè)DMOS功率器件要求其柵極驅(qū)動電壓大于電源正極約8V以上才能導(dǎo)通。為此該集成電路設(shè)置了內(nèi)部充電泵電路，它由一個300kHz振蕩器控制，充電泵電容被充電至14v左右。此柵極驅(qū)動電壓上升時間典型值為20us，適用于工作頻率1kHz左右的情況。如果要求更高的工作頻率，需要外接自舉電容。推薦用兩個10nF的電容器分別接于引腳1、2和引腳10、11之間，使柵極驅(qū)動電壓上升時間在100ns以下，允許開關(guān)頻率高達500kHz。引腳2、10接直流電機的電樞兩端，正轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該是從引腳10到引腳2。電流檢測引腳8可以外接一個對地電阻，通過此電阻來檢測輸出電流的情況。內(nèi)部保護電路設(shè)置的過電流閾值是10A，當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性地自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)的時間過長，過熱保護將關(guān)閉整個輸出。過熱信號可以通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達到145度時引腳9有輸出信號。

6. LMD18200邏輯正值表

LMD18200邏輯正值表如下（表2-1），通過控制PWM信號，Dir信號和Brake信號可控制驅(qū)動電流，從而控制電機的轉(zhuǎn)向及啟停。

表2-1 PWM邏輯正值表

2.5 本設(shè)計中軟件

2.5.1 Altium Designer Summer 09

原名protel,從2004年開始更名為protel dxp 而后是新版 Altium Designer 6.0。6.9以后開始了以年份命名

Altium Designer Summer 09是基于Windows的32位EDA設(shè)計系統(tǒng)，集成強大的設(shè)計能力、復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性、設(shè)計過程管理于一體，可完整實現(xiàn)電子產(chǎn)品從電學(xué)概念設(shè)計到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過程。既滿足了產(chǎn)品的高可靠性，又極大縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本。

Summer 09版本解決了大量歷史遺留的工具問題。其中就包括了增加更多的機械層設(shè)置、增強的原理圖網(wǎng)絡(luò)類定義。新版本中更關(guān)注于改進測試點的分配和管理、精簡嵌入式軟件開發(fā)、軟設(shè)計中智能化調(diào)試和流暢的License管理等功能。

利用Altium Designer Summer 09設(shè)計電路板的一般流程如下：

(1) 電路原理圖的設(shè)計。

(2) 產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)報表。

(3) 印制電路板的設(shè)計。

2.5.2 MPLAB IDE

MPLAB集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是一款免費的集成工具組合，用來對采用Microchip PIC®和dsPIC®單片機的嵌入式應(yīng)用進行開發(fā)。MPLAB IDE作為32位應(yīng)用程序運行在MS Windows®系統(tǒng)上，其使用方便并且包含一系列免費軟件可進行快速應(yīng)用開發(fā)和強大的調(diào)試。MPLAB IDE也可作為獨立的統(tǒng)一圖形用戶界面，支持其他Microchip和第三方的軟件及硬件開發(fā)工具。由于MPLAB IDE對所有工具都呈現(xiàn)相同的用戶界面，因此無論是工具之間的切換，還是免費軟件模擬器向硬件調(diào)試和編程工具的升級均非常便捷

MPLAB IDE 提供以下功能：

　　• 使用內(nèi)置編輯器創(chuàng)建和編輯源代碼。

　　• 匯編、編譯和鏈接源代碼。

　　• 通過使用內(nèi)置模擬器觀察程序流程調(diào)試可執(zhí)行邏輯；或者使用MPLAB ICE 2000和 MPLAB ICE 4000 仿真器或MPLAB ICD 2 在線調(diào)試器實時調(diào)試可執(zhí)行邏輯。

　　• 用模擬器或仿真器測量時間。

　　• 在觀察窗口中查看變量。

　　• 使用 MPLAB ICD 2、PICSTART Plus 或 PRO MATE II 器件編程器燒寫固件。

• 使用MPLAB IDE 豐富的在線幫助快速找出問題的答案。

2.5.3 Microsoft Visual C++ 6.0

3需求分析

3.1系統(tǒng)所需的主要功能

3.1.1 電機速度檢測

可實時精確檢測電機轉(zhuǎn)速，以便系統(tǒng)調(diào)速和用戶設(shè)定轉(zhuǎn)速。

平流泵沖程為2mm，管道直徑為3.175mm，由此可計算出平流泵沖程體積為15.83mm3，平流泵取最大流量10ml/min時，沖程次數(shù)為10*1000/15.83=632次。大齒輪轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2個沖程，因此最大流量時，大齒輪轉(zhuǎn)速為632/2=316rpm。皮帶傳送的轉(zhuǎn)速比為10:1，電機轉(zhuǎn)速要求為316*10=3160rpm，因此電機最高轉(zhuǎn)速應(yīng)選4000rpm以上，這里選擇5000rpm。電機轉(zhuǎn)速范圍1~5000rpm，轉(zhuǎn)速范圍大，不易精確采樣。

3.1.2 電機調(diào)速

根據(jù)用戶設(shè)置的電機速度，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)度，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，以便用戶控制平流泵流量，電機調(diào)速精度在1.0%范圍內(nèi)。

3.1.3 電機保護功能

平流泵精度高，電機質(zhì)量好，應(yīng)提供適當(dāng)措施保護電機，特別是壓力保護，壓力精度為0.1MPa。

3.1.4 通信功能

要求系統(tǒng)具有串口通信功能，以便與用戶交互和調(diào)試系統(tǒng)。

3.1.5 其他功能

本系統(tǒng)是平流泵產(chǎn)品的一部分，要求為產(chǎn)品的其他部分提供所需接口，如風(fēng)扇電源接口，壓力檢測接口等。

3.2 性能需求

3.2.1 精度需求

在精度需求上，根據(jù)使用需要：平流流量精確控制，要求電機速度精確檢測控制，電機調(diào)速精度在1.0%范圍內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速范圍為1~5000rpm。

3.2.2 時間需求

電機保護，電機速度設(shè)定都要求較高的響應(yīng)時間，特別是電機保護。

3.2.3 接口需求

(1) 通信接口

本系統(tǒng)要求提供UART串口接口，最好也嵌入485接口，以方便用戶調(diào)試程序和控制系統(tǒng)。

(2) 正交編碼接口

為了檢測電機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)應(yīng)提供正交編碼器接口。

(3) 壓力檢測接口

為便于檢測平流泵壓力，系統(tǒng)應(yīng)提供壓力檢測接口。

(4) JTAG接口

下載調(diào)試程序都要用到JTAG接口。

3.3 系統(tǒng)目標(biāo)

(1) 電機速度精確可控，以保證平流泵流量的高精度。電機轉(zhuǎn)速范圍1~5000rpm，調(diào)速精度為1.0%。

(2) 給高壓平流泵提供壓力和電流兩重保護措施，壓力精度為0.1MPa。

(3) 人機良好交互，電機速度可設(shè)置，以便平流泵流量調(diào)試。

(4) 高可靠通信功能，以保證與用戶交互順暢。

4概要設(shè)計

4.1 綜述

高壓平流泵控制系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)，為完成系統(tǒng)所要求的功能，需要軟件硬件協(xié)調(diào)工作。

控制系統(tǒng)控制器采用PIC32MX460F512L。PIC32MX460F512L基于80MHz, 1.56 DMIPS/MHz, 32-bit MIPS M4K Core設(shè)計的微控制器，它將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中，在提高性能的同時降低了成本。它提供了豐富的外設(shè)接口，足夠滿足該系統(tǒng)的設(shè)計需要，內(nèi)置的PWM模塊可用來控制直流電機，廣泛應(yīng)用于直流電機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)就采用其作為控制核心單元。

LMD18200作為電機驅(qū)動芯片，前面已介紹過其性能。硬件電路采用PIC32MX460F512L+LMD18200方案，比分立電路設(shè)計可靠，比單片機控制系統(tǒng)性能高，是一個不錯的設(shè)計方案。

硬件可很好的實現(xiàn)了電機控制，軟件所要做的就是驅(qū)動硬件和精確采樣，保證平流泵工作的精度。本系統(tǒng)用循環(huán)和中斷機制控制系統(tǒng)，不采用操作系統(tǒng)，主要基于以下考慮：

(1)本系統(tǒng)中任務(wù)較少，主要有測速并控制速度，采樣電流，采樣壓力和協(xié)議處理，PIC32MX460F512L提供了豐富的中斷資源，大部分任務(wù)可通過中斷機制實現(xiàn)，如測速調(diào)速，采樣電流，采樣壓力。

(2)操作系統(tǒng)本身要占用存儲空間，任務(wù)調(diào)度和切換需要消耗時間，當(dāng)任務(wù)切換頻繁時所耗時間更多，而操作系統(tǒng)并不能減少中斷時間。

對重要信息的采集采用中斷方式，減少延遲，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間。此外，能用硬件實現(xiàn)時盡量用硬件實現(xiàn)，以提高系統(tǒng)可靠性和響應(yīng)。

4.2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計總框圖如下：

圖4-1 硬件系統(tǒng)總框圖

硬件系統(tǒng)主要分為五個模塊，分別為：電源模塊，MCU模塊，電機驅(qū)動模塊，通信模塊及其它。

系統(tǒng)要工作就需要有電源，電源模塊為整個系統(tǒng)提供合適可靠的動力。

MCU是系統(tǒng)“大腦”，系統(tǒng)要井然有序工作，就需要協(xié)調(diào)各模塊甚至各個器件的工作順序，這個任務(wù)就由MCU來完成。此外，它還是系統(tǒng)的計算中心，各個模塊的信息反饋給它，它經(jīng)過對信息的分析計算，之后再作用于相應(yīng)模塊器件。它通過分析正交編碼器反饋的信息可計算出電機的速度，并根據(jù)要求值和實際值來適當(dāng)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。它接受串口傳來的用戶命令，經(jīng)過分析可作用于相應(yīng)模塊以達到用戶的目標(biāo)，例如用戶通過串口可向MCU發(fā)送設(shè)定轉(zhuǎn)速命令，MCU經(jīng)過分析通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比作用于電機驅(qū)動模塊，從而達到設(shè)置電機速度的目的。它可接收電機驅(qū)動模塊反饋的電流及熱報警信息，經(jīng)過分析，可采取適當(dāng)措施作用于電機驅(qū)動模塊，以實現(xiàn)電機的保護功能。此外，它還實現(xiàn)了ADC接口可實現(xiàn)壓力檢測，JTAG接口可實現(xiàn)程序的下載和調(diào)試。

電機驅(qū)動模塊是系統(tǒng)的主要工作模塊。本系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)電機控制，電機驅(qū)動模塊是直接作用于電機的模塊，MCU通過對LMD18200的精確控制可實現(xiàn)電機的精確控制，從而精確控制了平流泵。

通信模塊主要實現(xiàn)與用戶的交互，為提高可靠性，設(shè)計中采用光耦隔離。本系統(tǒng)設(shè)計中提供了兩類接口，RS232和RS485

其他模塊主要為了根據(jù)系統(tǒng)具體情況增加接口。例如：風(fēng)扇電源接口。

4.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計層次圖如下，共包括3部分內(nèi)容：底層，驅(qū)動層，應(yīng)用層和上位機。

圖4-2 軟件設(shè)計層次圖

4.3.1 下位機

驅(qū)動庫為上層驅(qū)動層設(shè)計提供接口，便于驅(qū)動層編程設(shè)計。

驅(qū)動層包含了系統(tǒng)所需外圍接口的驅(qū)動程序，主要包括：直流電機驅(qū)動、PWM驅(qū)動、溫度檢測驅(qū)動、蜂鳴器驅(qū)動、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)化）驅(qū)動和串口驅(qū)動。

直流電機驅(qū)動主要完成速度的采樣及調(diào)速，它接受正交編碼器的脈沖信號，通過脈沖采樣來完成速度采樣，并根據(jù)采樣值與設(shè)定值差值對PWM進行調(diào)節(jié)。

PWM驅(qū)動完成PWM模塊的初始化，PWM占空比的設(shè)置，對電機進行直接控制。

溫度檢測完成LMD18200熱報警的處理，主要完成相應(yīng)引腳的初始化及對熱報警的檢測，系統(tǒng)中采用中斷方式進行處理。

蜂鳴器驅(qū)動完成蜂鳴器的初始化及一些簡單操作，供其他程序調(diào)用。

ADC驅(qū)動把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，完成壓力采樣和電機電流采樣。根據(jù)采樣量的要求采取不同處理，壓力采樣除保護電機外，還提供給用戶查看，以供用戶使用；電機電流采樣主要為保護電機，防止電流過大時損壞電機。

串口驅(qū)動完成串口初始化及相應(yīng)操作，主要為接受和發(fā)送字符。

應(yīng)用層包括串口命令解析和main()函數(shù)。串口命令解析程序接受用戶的命令，并根據(jù)命令對系統(tǒng)進行控制。main()完成整個系統(tǒng)的調(diào)度，使系統(tǒng)以合適的順序井然有序工作。

通過以上分析可知，系統(tǒng)硬件軟件協(xié)調(diào)工作，可很好的實現(xiàn)用戶所要求的功能。

4.3.2 上位機

上位機用戶界面主要用于實現(xiàn)交互功能，用戶可以通過此界面向系統(tǒng)發(fā)送命令來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，同時此界面可以實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)運行的各項參數(shù)，如平流泵壓力、電流、電機轉(zhuǎn)速等信息，并可以以波形的形式直觀的顯示到界面上。另外，本系統(tǒng)還配有數(shù)據(jù)庫，他將實時記錄系統(tǒng)的各項參數(shù)，以供對系統(tǒng)進行二次研發(fā)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。

5詳細設(shè)計

5.1硬件設(shè)計

5.1.1電源模塊

電路要正常工作，就需要有合適的電源供電。一個好的供電系統(tǒng)是電路正常工作的首要條件。微控制器需要3.3v電源，直流電機要穩(wěn)定工作需要24v電壓，本設(shè)計中從外部引入24v電壓，經(jīng)變壓后提供3.3v電源供電路板正常工作。此外通信模塊需要5v電源供電，因5v只在通信模塊中用到，所以把5v電壓放到通信模塊介紹。

為了防止大電流或大電壓給電子設(shè)備造成損毀，通常使用保險絲作為電路保護元件，最好采用自復(fù)保險絲，免去更換元件的煩惱。此外，采用二極管IN4007穩(wěn)壓，其只允許單向電壓通過，保護了整個電路元器件。

24v電壓變壓為3.3v主要用到芯片LM2575-3.3，其應(yīng)用如圖5-1，芯片兩端都要用電容濾波去耦。

圖5-1 LM2575-3.3應(yīng)用電路

為便于觀察電路板上電情況，在電源模塊加LED燈指示上電狀態(tài)。

5.1.2 MCU模塊

本設(shè)計中用到的處理器為PIC32MX460F512L，可采用兩種方式安裝到電路板上：插座和SMD。采用SMD焊接芯片時，微處理器芯片損壞時，可把帶有PIC32MX460F512L芯片的小主板插到電路板插座上；當(dāng)采用插座方式安裝處理器芯片時，芯片損壞時，只需更換小主板，同時也為電路板的調(diào)試帶來方便。

這時設(shè)計就要熟悉小主板上電路，通過查閱數(shù)據(jù)手冊知道小主板實現(xiàn)了5v轉(zhuǎn)3.3v電壓變化電路和復(fù)位電路（如圖5-2）及晶振電路，在電路板上需要重新設(shè)計這些電路。小主板供電采用5v電源，由于本設(shè)計中除通信模塊采用5v電壓外，其余全為3.3v供電，所以在此設(shè)計中小主板亦采用3.3v供電，不過此時小主板的復(fù)位功能就消失了。由于電路板采用3.3v供電，所以在電路板上要設(shè)計的電路就剩下晶振電路和復(fù)位電路。

圖5-2 小主板上電壓轉(zhuǎn)化及復(fù)位電路

系統(tǒng)中晶振電路設(shè)計簡單，只需在晶振兩端增加兩個30pF去耦電容即可。

復(fù)位電路設(shè)計如圖，本設(shè)計中復(fù)位電路只是簡單的阻容耦合電路，沒有采用復(fù)位芯片，是因為芯片內(nèi)部嵌有看門狗電路，可很好實現(xiàn)復(fù)位。

圖5-3 復(fù)位電路

再來看一下小主板插座設(shè)計，小主板3.3v供電，插座中只需要一個3.3v的電源引腳接3.3v電源即可使小主板穩(wěn)定工作，插座中接地端都要接地以防干擾。

5.1.3 電機驅(qū)動模塊

驅(qū)動電機是本次設(shè)計的目標(biāo)，理所當(dāng)然電機驅(qū)動模塊是設(shè)計的重點。前面已介紹過電機驅(qū)動芯片LMD18200，現(xiàn)就本設(shè)計介紹具體應(yīng)用。

電機驅(qū)動模塊總結(jié)構(gòu)框圖如圖5-4。微處理器通過PWM控制驅(qū)動芯片，從而達到控制電機運轉(zhuǎn)及調(diào)速的目的，同時LMD18200電機驅(qū)動芯片向微處理器傳輸熱報警信號（TFLAG）和采樣電流（CTEST）。為了檢測和控制電機速度，增加了QE編碼器，編碼器輸出信號直接傳輸?shù)轿⑻幚砥鳎员鉓CU計算并設(shè)置PWM，從而精確控制電機轉(zhuǎn)速。

圖5-4 電機驅(qū)動模塊圖

LMD18200數(shù)據(jù)手冊中一典型電路如下圖，其中，PWM信號采用類型2。

圖5-5 LMD18200典型應(yīng)用

本設(shè)計中LMD18200引腳連接圖如下。

圖5-6 LMD18200應(yīng)用

前面已經(jīng)較為詳細地介紹了LMD18200的性能及應(yīng)用，現(xiàn)就本設(shè)計中的具體應(yīng)用做一下簡單介紹。Vs為電源輸入端，接105電容濾波，GND為接地端。引腳1、2間，10、11間接入了10nF的自舉電容，引腳2、10輸出驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。這里PWM類型采用類型2，即從引腳5輸入PWM信號，引腳3作為電機方向信號輸入端。引腳4是電機制動信號，直接接地就可以，表示永不制動，當(dāng)然可通過其他方式使電機停止運轉(zhuǎn)，如PWM信號。引腳9是集電極開路輸出端，應(yīng)用中要接上拉電阻，可接最大電壓為12v，根據(jù)系統(tǒng)需要接3.3v電壓，該引腳接到MCU一中斷引腳上，以便產(chǎn)生中斷時系統(tǒng)采取適當(dāng)措施。引腳8為電流取樣信號輸出端，提供377uA/A電流，通過下拉電阻使電流信號轉(zhuǎn)化為電平信號。在這里考慮下拉電阻的大小，取峰值輸出電流6A時，3.3v/(6A×377uA/A)約為1.46k，在這里取電阻為1k，主要考慮到電流可能大于6A，數(shù)據(jù)手冊中提到有時達到10A，故在此最好加一穩(wěn)壓二極管（這里選擇IN4728）。

電流取樣時，由于電流為模擬信號最好加放大器，這里采用AD623放大信號，因為信號已經(jīng)較強，不需要增大放大倍數(shù)，故在此引腳1，8間不接電阻懸空即可。在電路原理圖中把它與壓力檢測方到一起，因為兩者均為模擬信號處理，在PCB中要特別處理。

圖5-7 AD623應(yīng)用設(shè)計

5.1.4 通信模塊

電路設(shè)計中一般都需要通信模塊來調(diào)試程序及通信，本系統(tǒng)也不例外，這里設(shè)計了232串口接口。此外，為了保證數(shù)據(jù)可靠性，采用光耦進行隔離?？偨Y(jié)構(gòu)圖如下：

圖5-8 通信模塊框圖

具體設(shè)計如下：

首先是變壓，為通信模塊正常穩(wěn)定工作提供5v電壓。有兩種方案可選，第一種3.3v變壓到5v，第二種方式是從外部引入的24v直接變壓為5v。由于3.3v電壓本身就是經(jīng)24v變壓所得，經(jīng)過兩次變壓，可靠性及穩(wěn)定性不好，且由低電壓變?yōu)楦唠妷捍嬖谝欢ㄈ毕荩蝗绺唠妷鹤優(yōu)榈碗妷?，這里采用第二種變壓方式。具體設(shè)計如下圖，芯片兩端只需加電容濾波去耦即可。

圖5-9 24v轉(zhuǎn)5v電路

現(xiàn)在來考慮光耦，光耦一端接MCU（電壓端3.3v），一端接233芯片和485芯片（電壓端5v）。具體設(shè)計如下，芯片采用4N30，MCU引出信號U2Tx、U2Rx，連接通信芯片的信號為TX2S、RX2S。

圖5-10 光耦應(yīng)用

232接口芯片MAX232電路如下：

圖5-11 RS232設(shè)計圖

485接口芯片電路設(shè)計如下：

需要特別指出的是：1）這里增加了一跳線，配置跳線可單獨實現(xiàn)232功能或485功能，如圖中S1。這里之所以讓兩個接口共用同一MCU通信線路，主要考慮到MCU出故障可能性很?。ㄈ羰遣捎眯≈靼逍问浇M裝MCU，當(dāng)MCU 出故障時只需更換小主板即可）。此外，若要實現(xiàn)另外一組串口通信，必要增加相應(yīng)的光耦，增加了電路板面積，增加了成本。2）485芯片的使能信號接在一起，此信號有晶體管驅(qū)動。當(dāng)向外發(fā)送時，若輸出低電平，晶體管不導(dǎo)通，輸出使能；若輸出為高電平時，晶體管導(dǎo)通，輸出禁能，輸出引腳為高阻狀態(tài)。與軟件串口通信協(xié)議聯(lián)系起來，串口通信中，無信號時輸出高電平，起始位為一低電平。當(dāng)要向外輸出高電平時，晶體管導(dǎo)通把控制信號DE變?yōu)榈碗娖剑敵鼋?，默認情況下，串口輸出仍為高電平，芯片能正常工作。當(dāng)然，使能信號可直接由MCU控制，但那樣增加了軟件難度，這里體現(xiàn)出硬件和軟件相通的思想，即硬件的功能可有軟件來實現(xiàn)，軟件的功能也可有硬件來實現(xiàn)。

5.1.5 其他模塊

(1) 直流蜂鳴器

通過控制晶體管的導(dǎo)通與否來控制蜂鳴器的響停，所以蜂鳴器部分只需一個GPIO接口控制即可，把引腳方向設(shè)為輸出，引腳高電平時蜂鳴器響，引腳低電平時蜂鳴器響停。

(2) 正交編碼器接口

正交編碼器安在電機上，用來檢測電機速度，需要一個7孔接口。起作用的信號有三個：A相，B相和索引信號，三信號均為脈沖信號。A相，B相信號用于檢測速度和方向，索引信號用來確定絕對位置，電機轉(zhuǎn)動一圈可產(chǎn)生多個相脈沖信號和一個索引脈沖信號。CCP引腳可捕獲A相、B相脈沖信號，用于檢測電機轉(zhuǎn)速。索引信號可簡單與一GPIO相連，當(dāng)有脈沖時，引腳啟動一中斷即可。

(3) 壓力傳感器

壓力為模擬信號，信號微弱，需要信號放大，這里采用AD623放大器。電路連接與電機電流取樣連接相似，只是在引腳1和引腳8間接一電阻用于放大輸入信號。設(shè)計中電阻取10k，放大倍數(shù)為11。

(4) 位置檢測器

位置檢測器安裝在轉(zhuǎn)輪上，用于判斷大轉(zhuǎn)輪位置。

5.1.6 PCB設(shè)計

硬件電路原理圖設(shè)計完成后，就需要設(shè)計元器件的封裝，從而得到合適正確的網(wǎng)絡(luò)報表。根據(jù)所選元器件及其實際物理尺寸設(shè)計元器件的封裝，這里要注意的是，Altium Designer Summer 09封裝庫提供了許多標(biāo)準(zhǔn)元件的封裝，元器件有標(biāo)準(zhǔn)封裝的盡量采用標(biāo)準(zhǔn)封裝，免去制版廠商定制^[10]。將元器件封裝與元器件匹配，提取網(wǎng)絡(luò)報表，為導(dǎo)入到PCB中做準(zhǔn)備。

PCB設(shè)計按PCB板物理特性設(shè)置，布局，布線和DRC流程設(shè)計。

PCB板物理特性設(shè)置主要是根據(jù)產(chǎn)品需要設(shè)置合適的板尺寸，設(shè)置安裝孔位置及大小和一些其他的有關(guān)PCB板物理特性的設(shè)置。本設(shè)計中PCB采用兩層板，板的大小為100*85（單位：mm）。

布局主要完成PCB板上元器件的放置。這里要按模塊將元器件分開放置，需要注意的是模擬模塊要與數(shù)字模塊隔離，以減少相互干擾。此外，要根據(jù)產(chǎn)品的需要合理放置外部接口，如電源接口，串口等。

布線主要完成PCB板上元器件引腳的連接。首先設(shè)置布線規(guī)則，設(shè)置各個線路的寬度，然后自動布線看是否能布通。若能布通說明布局成功，否則需要適當(dāng)調(diào)整布局以方便布線。這里采用手動布線與自動布線相結(jié)合的方式布線，首先將電源線與地線布通以方便元器件連接，需要注意的是元器件的電源和地線網(wǎng)絡(luò)之間形成的回路要最小，以減少電源供電電流形成的回路電流產(chǎn)生的電磁干擾。其次，要預(yù)布重要信號線，如PWM信號線，PWM信號是高頻信號，是電機調(diào)速信號，應(yīng)首先考慮。因本PCB板線路不復(fù)雜，大部分信號采用手動布線。最后按設(shè)計規(guī)則自動布線，完成后做適當(dāng)調(diào)整。

布線完成后，在制板之前要進行DRC檢查，以防止電路板出現(xiàn)重要錯誤。

5.2 軟件設(shè)計

5.2.1 驅(qū)動層設(shè)計

5.2.1.1 串口驅(qū)動設(shè)計

程序要調(diào)試，首先要實現(xiàn)串口。在串口驅(qū)動文件中包含四個函數(shù)，串口初始化函數(shù)InitUart2 ()，串口發(fā)送函數(shù)Uart2Send()，串口接收函數(shù)GetCharInBuf()以及串口服務(wù)子程序void __ISR(_UART2_VECTOR, ipl2) ntUart2Handler(void)。

(1) InitUart2 ()完成串口初始化。

(2)Uart0Send()，GetCharInBuf()和UART0_ISR()共同完成串口的發(fā)送和接受。系統(tǒng)發(fā)送機制為程序有數(shù)據(jù)要發(fā)送，串口就發(fā)送數(shù)據(jù)且直到發(fā)送完成（阻塞發(fā)送）；字符接受處理在串口中斷中實現(xiàn)。這里采用了循環(huán)數(shù)組來儲存接受的數(shù)據(jù)，循環(huán)數(shù)組有三個屬性：CharsInBuf指示數(shù)組中存儲的元素個數(shù)，CircIn指示要存儲數(shù)據(jù)的數(shù)組下標(biāo)，CircOut指示要讀取的數(shù)據(jù)的數(shù)組下標(biāo)。每接收一個數(shù)據(jù)并且存儲到數(shù)組中，CharsInBuf++，CircIn++，當(dāng)從數(shù)組中取出一個數(shù)據(jù)時CircOut++，當(dāng)CircIn、CircOut等于數(shù)組長度時，重新設(shè)置其值為0。

這里重點介紹一下中斷服務(wù)子程序，其實現(xiàn)如下：

void __ISR(_UART2_VECTOR, ipl2) IntUart2Handler(void)

{

if(mU2RXGetIntFlag()) //判斷中斷是否為接收中斷

{

mU2RXClearIntFlag(); //接收中斷標(biāo)志位清零

if(CharsInBufUART0_LEN) //將串口中的數(shù)據(jù)寫入Buffer中

{

Buffer[CircIn] = (char)ReadUART2();

if(CircInUART0_LEN-1) CircIn++;

else CircIn=0;

CharsInBuf++;

}

}

if ( mU2EGetIntFlag() ) //判斷中斷是否為錯誤中斷

{

mU1EClearIntFlag();

}

if ( mU2TXGetIntFlag() ) //判斷中斷是否為傳送中斷

{

mU2TXClearIntFlag();

}

}

}

5.2.1.2 PWM驅(qū)動設(shè)計

PWM驅(qū)動完成PWM模塊的初始化和PWM占空比的設(shè)置。PWM模塊初始化按照數(shù)據(jù)手冊內(nèi)容調(diào)用相應(yīng)庫函數(shù)進行設(shè)置即可，PWM模塊可產(chǎn)生PWM信號。PWM占空比設(shè)置函數(shù)為SetPWMdutycycle(int v)；

5.2.1.3 直流電機驅(qū)動設(shè)計

直流電機驅(qū)動主要完成電機速度采樣和控制。為了精確采樣，電機上安裝有正交編碼器，電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，輸出400個脈沖。現(xiàn)將計數(shù)器設(shè)為邊沿觸發(fā)，則采樣精度進一步提高，相當(dāng)于電機轉(zhuǎn)速放大了400倍。

因為PIC32MX460F512L內(nèi)核沒有內(nèi)嵌QEI模塊，所以需要通過軟件采樣正交編碼器傳來的脈沖信號。Initmdc( )配置與采樣相關(guān)的定時器/計數(shù)器。這里配置TIMER4為16位定時器，定時采樣周期；配置TIMER5為16位計數(shù)器，計數(shù)采樣周期內(nèi)正交編碼器傳來的脈沖信號。

調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速在采樣中斷處理函數(shù)中完成，其原理前面已介紹，主要思想是當(dāng)電機一定時，電機速度與占空比成線性關(guān)系。當(dāng)PWM脈沖周期一定時，脈沖寬度與占空比成正比，所以電機轉(zhuǎn)速與PWM脈沖寬度成線性關(guān)系。代碼實現(xiàn)位函數(shù)void Setspeed( )如下

void Setspeed()

{

PWMValue=(unsigned int)ReadDCOC2PWM(); //讀取當(dāng)前狀態(tài)的pwm的占空比

if(PrPumpstatus==0) SetPWMdutycycle(0); //判斷當(dāng)前的電機狀態(tài)是否為停止，停止設(shè)占空比為0

else

{

if(MotorSpeed > PrPumpMTRSpeed )//當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值

{

if( MotorSpeed - PrPumpMTRSpeed >(PrPumpMTRSpeed*0.01))

{

width=PWMValue*(PrPumpMTRSpeed)/MotorSpeed;

if(width==0) width=1;

SetPWMdutycycle(width);

}

}

else

{

if( PrPumpMTRSpeed-MotorSpeed>(PrPumpMTRSpeed*0.01))

{ //當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值的0.01

if(MotorSpeed==0)

SetPWMdutycycle(0x0fff);

else

{

width=PWMValue*(PrPumpMTRSpeed)/MotorSpeed;

if(width>4095) //4095為占空比最大值

width=4095;

if(width==0) width=1;

SetPWMdutycycle(width);

}

}

}

}

}

其中，PWMValue為當(dāng)前PWM脈沖正相部分寬度，MotorSpeed為當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，PrPUMP.MTRSpeed為設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

5.2.1.4 溫度檢測驅(qū)動設(shè)計

溫度檢測驅(qū)動主要使能與LMD18200 pin9相連的引腳，使其可接受電機熱報警信息，并提示用戶，這里根據(jù)LMD18200熱報警低電平輸出特性，采用了低電平中斷觸發(fā)機制。當(dāng)中斷發(fā)生時，通過蜂鳴器告知用戶。

5.2.1.5 蜂鳴器驅(qū)動設(shè)計

MCU通過對一GPIO引腳的控制來控制蜂鳴器的響停。這里主要實現(xiàn)了引腳的初始化及一個簡單的服務(wù)（蜂鳴器響一段時間）。

5.2.1.6 ADC驅(qū)動設(shè)計

ADC驅(qū)動實現(xiàn)了壓力檢測和電機電流取樣功能，包括ADC模塊初始化，壓力采樣檢測和電機電流采樣檢測三部分。ADC模塊初始化配置了兩個采樣序列分別采樣壓力信號和電機電流信號，兩個采樣序列的觸發(fā)方式不同，壓力信號的采樣序列觸發(fā)方式為處理器觸發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)需要，在需要的時候觸發(fā)即可得到獲得壓力信息；電機電流信號的采樣序列觸發(fā)方式為定時器觸發(fā)，不受用戶控制，主要為了保護電機，需要兩個中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)采樣。

電流采樣需要在時間中斷配合使用：定時器定時觸發(fā)ADC采樣序列0，ADC中斷完成采樣信息的處理，當(dāng)過流時簡單地使電機停止轉(zhuǎn)動，其控制流程如下：

圖5-14 電流采樣處理流程

5.2.2 應(yīng)用層設(shè)計

5.2.2.1 通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議實現(xiàn)函數(shù)為HandleProtocol()，主要解析了三條簡單命令，實現(xiàn)了泵的轉(zhuǎn)動，泵的停止和泵速度的設(shè)定。命令解析主要通過字符串匹配，本設(shè)計中采用case語句匹配字符串，需要增加命令時只需增加case語句即可，為后續(xù)開發(fā)提供方便。

表5-1 串口命令解析

注：a.表中X代表任一字符，？代表任一數(shù)字。

5.2.2.2 Main()設(shè)計

Main()函數(shù)協(xié)調(diào)前臺應(yīng)用程序，其處理流程如下：

圖5-15 Main()處理流程

Main()根據(jù)用戶需要輸出壓力轉(zhuǎn)速信息，轉(zhuǎn)速為全局變量，其控制實際在速度采樣中斷中完成；壓力信息的獲取只是簡單的調(diào)用了ADC驅(qū)動文件中的壓力獲取函數(shù)GetPress()。

初始化主要完成全局變量，時鐘及相應(yīng)驅(qū)動初始化，這里需要注意的是，與定時器協(xié)調(diào)工作的模塊的初始化要放到定時器初始化前面。

5.2.2.3 上位機用戶界面

上位機用戶界面主要是便于操作人員和高壓平流泵控制系統(tǒng)的交互。實時地直觀的顯示出系統(tǒng)反饋的相關(guān)信息和方便的設(shè)置調(diào)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

6測試

6.1測試

6.1.1 軟件仿真

通過開發(fā)工具的仿真功能對系統(tǒng)做功能仿真和時序分析。

6.1.2實物調(diào)試

通過調(diào)試電機，了解到PWM脈沖周期直接影響電機穩(wěn)定性

6.2測試數(shù)據(jù)

6.2.1 串口測試

串口主要實現(xiàn)功能就是通信，一方面輸出程序需要輸出的數(shù)據(jù)，另一方面輸入數(shù)據(jù)時根據(jù)需要輸出數(shù)據(jù)。這里只是簡單地讓系統(tǒng)輸出速度設(shè)定值，當(dāng)設(shè)定值改變時，輸出亦改變。測試結(jié)果如下：

圖6-1 串口測試

由測試結(jié)果知，系統(tǒng)很好地完成了串口功能。

6.2.2 ADC測試

ADC模塊主要用于采集電流、壓力。PIC32MX460F512L的ADC模塊為10位，滿量程3.3v時分辨率高達3.3v/1024=3.2mv。這里以采樣電流測試，當(dāng)與電流相對的電壓大于2639（相當(dāng)于7A電流，377uA/A *1k *7A=2.639 v =2639 mv）時輸出“The Current over”。通過調(diào)節(jié)電阻，數(shù)據(jù)輸出結(jié)果如下：

圖6-2 電流采樣測試

由測試結(jié)果知，系統(tǒng)的ADC模塊精度高。

6.2.3電機速度采樣與調(diào)速測試

系統(tǒng)采樣電機速度，并根據(jù)采樣結(jié)果對電機進行相應(yīng)調(diào)速。現(xiàn)給出1000rpm和3000rpm時調(diào)試結(jié)果，系統(tǒng)向上調(diào)速時輸出“100plu”，向下調(diào)速時輸出“100min”，如下圖。

圖6-3 1000rpm 測試 圖6-4 3000rpm 測試

由測試結(jié)果可知，系統(tǒng)調(diào)速精度在1.0%內(nèi)，當(dāng)超出此范圍時就調(diào)速，使系統(tǒng)維持在設(shè)置速度1.0%內(nèi)。