基于MSP430的控制電機并測速度系統(tǒng)設計與調試

　　前言

　　最近在調一個MSP430單片機控制電機并測速度的電路。整個電路從設計制作到調試成功，花了將近四天時間，中間Bug多多，不過最后都一并解決了。

　　廢話不多說，直接進入主題，先說說我這個系統(tǒng)。下面Figure 1是MSP430主控制部分，用的芯片是MSP430G2553單片機（11、12號引腳是反過來滴），第一個是Pro Download接口，顧名思義，就是程序下載口，我用的MSP430G系列的launchPad 開發(fā)板連接到我設計的板子上的，通過這幾個接口利用launchPad 即可下載程序，為了方便布線，我打亂了這幾個接口的順序。PWM1和PWM2接口是連接到H橋的兩個接口，這里使用了G2553的定時器A1產生PWM。CAP_P12是光電對管連接到比較強后輸入到單片機的一個捕獲接口，因為這里可以用定時器A0的捕獲接口，使用定時器的捕獲功能，可以使得程序設計更為簡單。整個系統(tǒng)利用了兩個定時器，并結合中斷，使得整個系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，功耗可以做得比較低（但由于電機和12864的存在，這里的低功耗程序設計顯得毫無意義額。。。）。另外還有一個12864的串行外部接口（SPI）三根線。

　　再放一個三線控制13864的圖。由于MSP430x2xx系列是3.3V的器件，這里用到了一個245芯片來轉換電平電壓（CS和SCLK的順序反了，后來布線的時候改的）。初學者往往會遇到一個問題，就是為什么我的12864的滑動變阻器調了，12864的亮度都不變呢，我在這里只提一點：注意你的復位引腳的電平。

　　H橋電路太常見，百度出來一抓一大把。

　　至于H橋原理神馬的，我就不在這里多說了。不懂就百度吧，實際上學過三極管的，稍微靜下心來分析一個，都可以看得懂的。下面是一個比較器的電路，用的是光電對管發(fā)射信號，經黑線反射以后PHOTO上產生一定的電壓值，做電路的時候實測　LM358的輸入電壓高達0.6V（哈哈，其實也不高…），右邊的LM358構成一個比較器，VCC為5V電壓，經10K和50歐姆電阻分壓以后LM358的2號引腳的電壓大致為0.5V0.6V，滿足電路設計要求。后加一個1K電阻保護后級單片機（哈哈，這個電阻方便了我后面的濾波）下面說說問題所在吧。

　　調試的時候發(fā)現(xiàn)了一個非常糾結的問題。數(shù)據(jù)總是莫名其妙地顯示200轉/s甚至是1000轉每秒，實際上，我這個電機的轉動速度最大也就110轉每秒，這些個數(shù)據(jù)顯然都是錯誤的。反復檢查定時器的捕獲程序，檢查了好幾遍，加上有寫了一年的430單片機程序的經驗，對這個G2553的內部寄存器相當熟悉，反復分析，100%確定程序沒有任何問題。那么問題在哪里呢？后來分析了一段代碼。

　　這個函數(shù)是將捕獲到的定時器的脈沖計數(shù)值送到12864的一個中間轉換函數(shù)，temp顯示的轉速，由于CPU 時鐘用的1MHz，電機那里有四個黑帶，所以實際的轉速應該是250000/tempData，得到這個數(shù)據(jù)后轉換成ASCII碼，再送到12864顯示。問題出現(xiàn)在這里，12864顯示數(shù)據(jù)1000+，說明temp = 1000+，比實際的數(shù)據(jù)100+大了10倍。那么也就意味著tempData的數(shù)據(jù)比實際的真實數(shù)據(jù)小了10倍，也就是說定時器兩次捕獲時間的間隔比常規(guī)的要小很多，為什么會小了那么多倍呢。

　　思來想去，靈光一閃，哎呀，對了！由于電機的膠布粘貼得不均勻，產生了大量的不均衡噪聲，使得比較器的輸出含有大量的高頻分量，由于噪聲的存在，使得定時器的捕獲時間間隔變??！從而出現(xiàn)了顯示數(shù)據(jù)偏大的結果。想到問題所在，那么怎么解決掉呢。查看原理圖，發(fā)現(xiàn)運算放大器的輸出端接有一個1K的電阻，哎呀瑪雅，靈感方案突然就來了，做個簡單的RC低通濾波器不久完了？想到方案以后那么電容的值又該怎么選了？在草稿紙上做個簡單的分析，現(xiàn)將草稿紙上的內容mathtype搬到Word上來。

　　電容的阻抗表達式：

　　把運放的輸出結果看成一個電壓源，其輸出電壓等于RC濾波網(wǎng)絡的輸入電壓假設其值為：

　　那么上圖所示的Vout的輸出表達式為

　　為了方便分析，我們假設Vi為1V，并且不考慮相位問題，取Vout的模可得

　　輸出表達式與輸入頻率的關系找到了，那么我們的電容值又該怎么設計呢？考慮到我們的光電管經過比較器輸出以后的頻率最大為500Hz，那么我們設計一個‐3dB在500Hz左右的濾波器即可。用MATLAB寫個小程序。

　　R = 1000;

　　f = 0:0.01:1000;

　　w = 2*pi*f;

　　C1 = 0.001 * 10^-6;%%uF

　　C2 = 0.01 * 10^-6;%% uF

　　C3 = 0.1 * 10^-6;%% uF

　　C4 = 1 * 10^-6;%% uF

　　C5 = 0.3 * 10^-6;%% uF

　　y1 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C1^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C1）/（1+w.*w*R^2*C1^2））.^2）;

　　y2 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C2^2））.^2 +

　　（（w*R*C2）/（1+w.*w*R^2*C2^2））.^2）;

　　y3 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C3^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C3）/（1+w.*w*R^2*C3^2））.^2）;

　　y4 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C4^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C4）/（1+w.*w*R^2*C4^2））.^2）;

　　y5 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C5^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C5）/（1+w.*w*R^2*C5^2））.^2）;

　　plot（f，y1，f，y2，f，y3，f，y4，f，y5）;

　　title（‘RC濾波器設計’）;

　　legend（‘0.001uF’，‘0.01uF’，‘0.1uF’，‘1uF’，‘0.3uF’）;

　　xlabel（‘頻率/Hz’）;

　　ylabel（‘輸出幅頻/V’）;

　　在測試C的時候從1nF開始測試，得到下面的輸出曲線，從圖中我們可以看到，從0Hz到1000Hz，輸出幾乎都是1，不變，1nF的電容不符合我們的設計要求。再加大，測試104電容,104電容即0.1uF，得到的輸出幅頻特性曲線如下，顯然不符合我們的設計要求，500Hz‐3dB處還差一點點，再加大10倍，測試1uF.

　　下面這張是1uF的測試圖，顯然‐3dB小于500Hz了。也不符合設計要求，經過反復測試并結合手頭上有額電容容值，選定474電容，得到幅頻特性曲線也較為理想。敲定電容值以后已經迫不及待把電容焊上去了。焊接完畢以后，長時間觀察，12864沒有再出現(xiàn)200轉/秒或者1000轉/秒的顯示值，也就是說設計的濾波器已經起到效果了！做成以后興奮了一小下。興奮之余，想到既然是高頻噪聲的影響，那么何不看看它的頻譜圖呢，一想到，果斷從科協(xié)搬來一臺數(shù)字示波器，測試了安裝RC濾波器前的FFT圖形和安裝RC濾波器后的FFT圖形，現(xiàn)貼在這里。從兩個圖中，很明顯地可以看到安裝濾波器前裙子噪聲非常明顯，安裝后，裙子噪聲基本沒有了?。?！，看到這里，我又忍不住興奮了一下。

　　解決所有問題以后大松一口氣，終于想通了復位電路與簡單的RC濾波電路。相比51單片機的高電平復位電路，其實原理也是一樣的——高通濾波器。