1、 分 类 号 密 级 学校代码 1 学 号 0408030417 题目： 基于 ARM 的工业监控平台研究 直流电机的转速监控系统 作者： 摘 要 目前，基于 ARM 技术的嵌入式系统几乎已经深入应用到各个领域，是当今 32 位嵌入式系统应用的主流。 ARM 在工业控制领域 的应用 也受到越来越多的关注。 本课题设计了一个基于 ARM 的嵌入式直流电机转速监控系统 。 该系统 使用 PHILIPS公司 的以 ARM7TDMI-S 为 内核的 LPC2124 芯片 作为 控制核心，配置相应的外设及接口电路，运用性能价格比较好的集成电机控制芯片 L298 作为 直流电动机的 PWM驱动器件；采用光
2、电 编码器实现对转速信号的采集； 采用 LPC2124 内部集成定时器的捕获功能 对编码器 生成的脉冲序列 信号进行测量；采用 74LS74 作为鉴相器而 识别 电动机实时 转向 ； 采用单闭环 PI 控制调节转速； 采用 LCD1602 系列 显示屏 即时显示 电动机的转动信息 ； 采用 44 矩阵键盘 对 转速及转向 进行 设置和控制 。 系统软件主要使用 C 语言编写，遵循模块化 设计的原则，编写了转速 的 测量、 转速的 PWM 驱动、 转速的 PI 调节、 转速 的 显示、键盘输入等程序模块，程序代码具有良好的易维护性和可移植性。 最后使用 Proteus ISIS仿真工具 对系统仿
3、真，并在仿真平台上对系统性能进行测试与分析。 本系统的设计精度可以满足一般 工业 控制 的 要求， 能够应用到 实际的 生产生活中，满足现代化生产的需要。 而且能够防止用户的误操作，增强了系统运行的安全性 和稳定性 ，具有一定的实用性和较高的社会推广价值。 关键词： ARM； 嵌入式系统 ； 直流电机 转速控制 ； LPC2124 ABSTRACT At present, the embedded system that based on the ARM technology almost has been used on each field, and this technology is
4、the mainstream of current 32 bits embedded system. Applications of ARM in the field of industrial control have also been attracted more and more attention. This article designed an embedded system of DC motor speed control which based on ARM. This system take the ARM7TDMI-S core to the PHILIPSLPC212
5、4 chip as the control core, configured corresponding outside to suppose and the interface electric circuit, uses the integrated motor controller L298 as the PWM driven device which with high performance price ratio; uses the photoelectric encoder to achieve the speed signal acquisition; uses the cap
6、ture of integrated timer internal LPC2124 to measure the pulse sequences which generated by encoder; uses the 74LS74 as a phase detector to real-time identify the direction; uses the LCD1602 screen to real-time display the information of the motor rotation; uses the 4 4 matrix keyboard to set and co
7、ntrol the speed and direction. The software of this system written in C programming language mainly, follow the principles of modular design, including the speed measurement, speed PWM drive, speed PI-conditioning, speed display, keyboard input, and other procedures module. The code has easy mainten
8、ance and great probability. Finally, uses the Proteus ISIS simulation tool to implement the emulation of this system, then test and analysis the systems performance on the simulation platform. The accuracy of the system can satisfy the general demand of general industrial control, and can be applied
9、 to the actual production and living, satisfy the requirement of modern production, prevent the wrong operation of users, improve the safety and stability of the system, have the certain usability and a higher social promoting value. Key Words: ARM; embedded systems; speed control for DC motor; LPC2
10、124 - I - 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题引入 . 1 1.2 本课题研究背景和意义 . 2 1.3 本课题的主要任务及工作 . 2 1.4 嵌入式系统概述 . 2 1.4.1 嵌入系统的定义、特 点 . 3 1.4.2 嵌入式系统的发展状况 . 3 1.4.3 嵌入系统的发展趋势 . 4 2 系统的总体方案设计 . 5 2.1 系统分析 . 5 2.1.1 系统功能分析 . 5 2.1.2 系统 原理结构 . 5 2.1.3 技术方案可行性研究 . 6 2.2 系统硬件体系结构设计 . 7 2.2.1 嵌入式系统的硬件 . 7 2.2.2 系统硬件体系结构 . 7 2.2.3
11、 核心控制电路 . 8 2.2.4 电动机接口电路 . 8 2.2.5 用户接口电路 . 8 2.3 系统软件体系结构设计 . 8 2.3.1 嵌入式系统的软件 . 8 2.3.2 系统软件体系结构设计 . 9 2.3.3 后台程序组成 . 9 2.3.4 前台程序组成 . 9 2.4 本章小结 . 10 - II - 3 系统硬件的详细设计 .11 3.1 微控制器电路 .11 3.1.1 ARM 微处理器介绍 .11 3.1.2 ARM 微处理器的工作模式和异常处理 . 12 3.1.3 ARM 寄存器 . 14 3.1.4 ARM 微处理器的选型 . 15 3.2 PWM 电动机驱动电路
12、 . 16 3.2.1 PWM 基本原理 . 16 3.2.2 PWM 调速控制系统介绍 . 17 3.2.3 PWM 控制电路 . 18 3.2.4 PWM 驱动电路 . 20 3.3 转速检测电路 . 22 3.3.1 光电编码器介绍及选择 . 22 3.3.2 转速检测电路 . 23 3.3.3 转向识别电路 . 23 3.4 LCD 显示电路 . 25 3.5 键盘电路 . 26 3.6 本章小结 . 26 4 系统软件的详细设计 . 27 4.1 ADS1.2 集成开发环境简介 . 27 4.2 系统启动流程 . 28 4.3 主程序模块 . 28 4.4 转速检测模块 . 29 4
13、.4.1 转速测量原理 . 29 4.4.2 转速检测程序 . 30 4.5 PWM 驱动模块 . 31 4.5.1 PWM 方案选择 . 31 - III - 4.5.2 PWM 的寄存器介绍 . 32 4.5.3 PWM 初始化子程序 . 33 4.5.4 PWM 脉宽控制子程序 . 33 4.6 液晶显示模块 . 36 4.6.1 1602 显示原理 . 36 4.6.2 1602 液晶显示流程 . 38 4.7 键盘扫描模块 . 39 4.8 本章小结 . 39 5 系统的仿真 . 41 5.1 Proteus ISIS 介绍 . 41 5.1.1 Proteus ISIS 的特点 .
14、 41 5.1.2 Proteus 仿真注意事项 . 41 5.2 系统电路仿真图设计 . 42 5.3 各子系统仿真设计 . 43 5.3.1 转速检测电路仿真 . 43 5.3.2 电机驱动电路仿真 . 44 5.3.3 键盘输入仿真 . 44 5.4 系统仿真的运行流程 . 45 5.5 仿真性能测试及分析 . 47 5.5.1 性能测试 . 47 5.5.2 性能分析 . 47 5.6 本章小结 . 48 结束语 . 49 致谢 . 50 参考文献 . 51 - 1 - 1 绪 论 1.1 课题引入 ARM(Advanced RISC Machines)， 既可以认为是一个公司的名字，
15、也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1990 年 ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。 该公司的产品“ ARM 嵌入式内核”已被全球各大芯片厂商采用，基于 ARM 的开发技术也席卷了全球嵌入式市场，已成为嵌入式系统的主流技术之一。 基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75以上的市场份额， ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面 1。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者
16、所接受，更具有竞争力。 到目前为止 ， ARM 以高性能、低价位、低功耗、小体积等特色广泛地进入 各个领域： 1) 工业控制领域 由于 ARM 在网络通信功能的增加及嵌入式系统的支持，使得许多控制系统的控制由 X86 系列向 ARM 系列发展。 2) 通信产品 一般的 ARM SoC 都支持嵌入式操作系统。 ARM 在通信产品上已经有了完整的解决方案，如网络电话 (VoIP)、 ADSL Router 和 IP Router 等 。 3) 无线通讯领域 目前已有超过 85%的无线通讯设备采用了 ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 4) 安全控制系统 网络摄影机
17、、 4/16 压缩处理机、数码录放机等安全自动化，也已逐渐采用 ARM 的核心技术。 5) 消费类电子产品 ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 除此以外， ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。 所以掌握和应用该系列单片机，对于学习高性能单片机系统设计，嵌入式系统，生产过程参数处理，工业自 动化处理具有重要意义。 - 2 - 1.2 本课题研究背景和意义 在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的
18、发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越 广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点 2。 自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、
19、制动性能，宜于在广泛的范 围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。 在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直 流调速系统 3。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。 近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为一大趋势。 1.3 本课题的主要任务及工作 通过设计一个基于 ARM 的嵌入式 直流电机 转速监控系统，掌握 ARM7TDMI 内核
20、的工作原理及 ARM 在工业控制领域的应用流程 ，熟悉 ARM 芯片 上的各种硬件资源及其所具备的各种功能，并能将其运用到实际的开发项目中，为以后进一步开发各种基 于 ARM的嵌入式系统打下良好的基础。 要求所 设计的转速监控系统具有较高的精度和可用性，能 够达到 一般的 工业控制标准，满足实际生产的 要求。 1.4 嵌入式系统 概述 嵌入式系统是一个很广义的概念，总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分。硬件一般由高性能的微处理器和外围接口电路组成，软件一般由实时操系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由中间层连接。 - 3 - 1.4.1 嵌入系统的定义、特点 1) 嵌入式系统 定
21、义 根据 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)的定义， 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置” (devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。这主要是从应用上加以定义的。嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。目前国内普遍认同的定义是 ： 以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的
22、专用计算机系统 4。 由于嵌入式系统本身是一个 外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它下一个准确的定义。因此目前常说的嵌入式系统概念的重心放在“系统”上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器和外围接口电路组成，软件一般由实时操作系统和其上运行的应用软件构成，软件和硬件之间由所谓的中间 (BSP 层，板级支持包 )层连接。 2) 嵌入式系统具有以下特点 ： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的 。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导 体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物 。 系统内核小 (uC/OS II 内核源码只有 5500 行 )。 专用性强 。 系统精简 。 交叉平台开发 (cross-platform development)
