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电机驱动电路
如图2.12所示电路中电机的转动方向由I/O1和I/O2的电平来决定。
当I/O1和I/O2为00时,VT1,VT2导通,VT3,VT4截止,加在电机两端上的电压差为0V,电机不转。
当I/O1和I/O2为01时,VT1,VT4导通,VT2,VT3截止;
当I/O1和I/O2为10时,VT1,VT4截止,VT2,VT3导通。
这两种情况流经电机上的电流方向互为相反,电机转动方向也相反。
当I/O1和I/O2为11时,VT1,VT2截止,VT3,VT4导通,加在电机两端上的电压差为0V,电机不转。
当I/O1和I/O2悬空时,+5V经R1,TLP521的内部发光二极管、LED1,R4,VT3形成零点几毫安的电流,使VT3一定程度地导通,该电流使光耦TLP521输出端微弱导通,从而拉低VT1基极点的电位,使VT1一定程度地导通;
同理,VT2和VT4也一定程度地导通,从而+V电源经过VT1,VT3和VT2,VT4短路到地,会损坏功率管,故I/O1和I/O2不允许悬空。
R1和R8阻值的选择原则是,使流经发光二极管的电流为10~15mA;
R3,R4,R5,R6的选择原则是,能够为功率管提供足够的驱动电流;
功率管的选择由电机的工作电压和工作电流决定,因电机启动瞬间存在浪涌电流,故功率管的电流限额应是电机正常工作电流的4~5倍。
2010年2月11日
智能车设计基础——软件
1、汇编语言与c语言
汇编语言是用符号指令书写程序的语言,是依赖于硬件平台的语言,对于不同架构的CPU都会有相应的汇编指令。
汇编语言可以直接操作CPU内部的寄存器以及各种外围设备,对于单片机启动开始运行或者对于时序要求严格的I/O操作必须采用汇编语言编写,在启动开始运行时汇编语言创建系统的运行环境。
C语言的特点就是可以使程序员尽量少地对硬件进行操作,具有很强的功能性、结构性和可移植性。
由于C语言具有语言简洁、紧凑,使用灵活、方便,运算符和数据类型丰富,可以直接访问物理地址,进行位操作,能实现汇编语言的大部分功能,可以直接对硬件进行操作,因此C语言既具有高级语言的功能,又具有汇编语言的功能,对于编写与硬件相关的应用程序而言具有明显的优势。
在绝大多数场合,采用C语言编程即可完成预期的目的,但是对实时时钟系统、要求执行效率高的系统就不适合采用C语言编程,对这些特殊情况进行编程时要结合汇编语言。
汇编语言具有直接和硬件打交道、执行代码的效率高等特点,可以做到C语言所不能做到的一些事情,例如对时钟要求很严格时,使用汇编语言便成了唯一的选择。
这种混合编程的方法将C语言和汇编语言的优点结合起来,已经成为目前单片机开发最流行的编程方法。
2、控制算法
PID(ProportionalIntegralDifferential)控制是比例、积分、微分控制的简称。
在自动控制领域中,PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。
PID控制器的原理是根据系统的被调量实测值与设定值之间的偏差,利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出对广义被控对象的控制量。
图3.1是常规PID控制系统的原理框图。
其中虚线框内的部分是PID控制器,其输入为设定值y(t)与被调量实测值r(t)构成的控制偏差信号:
(3.1)
其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合,也即PID控制律:
(3.2)
式中,Kp为比例系数;
Ti为积分时间常数;
Td为微分时间常数。
1、数字PID算法
在连续生产过程控制系统中,通常采用如图3.1所示的PID控制,其对应的传递函数表达式为
(3.7)
对应的控制算法表达式为
(3.8)
式中,Kp为比例增益;
Td为微分时间常数;
u(t)为控制量;
e(t)为被控量与设定值y(t)的偏差。
为了便于计算机实现PID算法,必须将式(3.3)改写为离散(采样)式,这可以将积分运算用部分和近似代替,微分运算用差分方程表示,即
式中,T为采样周期;
k为采样周期的序号();
和分别为第和第k个采样周期的偏差。
将式(3.9)和式(3.10)代入式(3.8)可得相应的差分方程,即
(3.11)
式中,
为第k个采样时刻的控制量。
如果采样周期T与被控对象时间常数比较相对较小,那么这种近似是合理的,并与连续控制的效果接近。
模拟调节器很难实现理想的微分,而利用计算机可以实现式(3.10)所表示的差分运算,故将式(3.11)称为理想微分数字PID控制器。
基本的数字PID控制器一般具有以下两种形式的算法。
(1)位置型算法
模拟调节器的调节动作是连续的,任何瞬间的输出控制量u都对应于执行机构(如调节阀)的位置。
由式(3.11)可知,数字控制器的输出控制量也和阀门位置相对应,故称为位置型算式(简称位置式)。
相应的算法流程图如图3.5所示。
由图3.5可以看出,因为积分作用是对一段时间内偏差信号的累加,因此,利用计算机实现位置型算法不是很方便,不仅需要占用较多的存储单元,而且编程也不方便,因此可以采用其改进式——增量型算法来实现。
(2)增量型算法
根据式(3.6)不难得到第个采样周期的控制量,即
(3.12)
将式(3.11)与式(3.12)相减,可以得到第k个采样时刻控制量的增量,即
(3.13)
Ki为积分系数,
;
Kd为微分系数,
。
由于式(3.13)中对应于第k个采样时刻阀门位置的增量,故称式(3.13)为增量型算式。
由此,第k个采样时刻实际控制量为
(3.14)
为了编写程序方便,将式(3.13)改写为
(3.15)
式中,
由此可见,要利用
和
得到
,只需要用到
和
三个历史数据。
在编程过程中,这三个历史数据可以采用平移法保存,从而可以递推使用,占用的存储单元少,编程简单,运算速度快。
增量型算法的程序流程图如图3.6所示。
增量型算法仅仅是在算法设计上的改进,其输出是相对于上次控制输出量的增量形式,并没有改变位置型算法的本质,即它仍然反映执行机构的位置开度。
如果希望输出控制量的增量,则必须采用具有保持位置功能的执行机构。
数字PID控制器的输出控制量通常都是通过D/A转换器输出的,在D/A转换器中将数字信号转换成模拟信号(4~20mA的电流信号或0~5V的电压信号),然后通过放大驱动装置作用于执行机构,信号作用的时间连续到下一个控制量到来之前。
因此,D/A转换器具有零阶保持器的功能。
2010年2月12日
智能车机械设计
通过对参赛智能车机械设计的调查分析发现,并不是所有的调整都对提高智能车的性能具有明显的作用,其中前轮定位参数优化、转向舵机力臂增大和底盘重心位置对于智能车的机械性能有着较大的影响。
电路板设计:
2.PCB板设计的注意事项
(1)采用自动布线在原理图阶段应注意的事项
原理图画完后一定要进行错误检查。
若有错误,则一定要修正到没有错误为止;
在PCB板上用到的接插件也要在原理图中画出来并设定好封装;
电源正负号和电源地符号的网络标号一定要设为不同的名称。
(2)元件、铜膜导线咬合栅格的设定
若板上元件以分立元件占多数且元件密度较低,则可设定元件封装咬合栅格为50mil,以方便各元件封装的对齐。
铜膜导线的咬合栅格可设为10mil(铜膜导线较密时)或25mil(铜膜导线较稀时),以便于铜膜导线穿过两相邻焊盘的空挡,也便于从焊盘的中心开始布铜膜导线。
(3)布局应注意的事项
l热敏感元件应远离发热元件;
l功率器件尽量放在板边沿;
l较重的大型器件可锁在机箱上由导线接到线路板;
l高电压器件之间及其引脚之间距离加大,以防爬电;
l在板边缘2~3mm范围内不要放置元件封装,以便流水线生产;
l可调元件及插拨元件应放置在方便操作之处;
l高频元件之间应尽可能缩短走线,并要注意避免相互之间的电磁干扰;
l每个功能电路以核心器件为中心,围绕它进行布局;
l同类型元件轴向一致,排列整齐。
(4)布线应注意的事项
l铜膜导线的宽度要足够,地线要尽量宽,线宽可根据每平方毫米铜膜导线的截面积可通电流6~10A(铜膜导线厚度通常为0.035mm,0.05mm和0.07mm,以0.05mm厚度为多见)来计算;
l铜膜导线拐弯不要用锐角,以防尖端放电,尽量用135°
角拐弯或圆弧拐弯,高频线路则必须用圆弧拐弯;
l单面板铜膜导线线宽至少为20mil,个别特殊地方也至少为15mil;
l避免使用大面积铜箔,否则,板材因发热产生挥发性气体,该气体致使铜箔膨胀或脱落,若要用大面积铜箔,则应在铜箔上加透气孔或用栅格状铺铜;
若铜膜导线传输的信号电压较高,则应加大间距,如电压为220V,则间距至少为1mm;
l单面板的焊盘尺寸最好大于80mil×
80mil,少数特殊情况也应至少为60mil×
80mil,以具备足够的焊接强度和满足单面板生产工艺要求,必要时也可采用补泪滴方式,以便加强焊盘焊接强度;
l在散热器底下避免走过孔,否则容易导致由散热器引起的短路;
l为方便调试和维修,应在适当的地方放置测试点。
(5)常用的抗干扰措施
l只要线路板的空间允许,尽量加粗电源线的宽度,特别是电源地;
l数字地和模拟地分开走线,可从电源输入端的滤波电容的负端引一条数字地铜膜导线和一条模拟地铜膜导线;
l在每个芯片的电源输入端接一个0.1μF的去耦电容;
l对关键的信号线加包地;
l电容引线尽量短,特别是高频旁路电容引线应更短;
多级放大电路中,同一级放大电路应采用“一点接地法”。
这样工作比较稳定,不易产生自激。
2010年2月13日
单片机系统
随着大规模集成电路的出现及发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,因此单片机早期的含义称为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer),直译为单片机,又称为微控制器(Microcontroller)或嵌入式控制器(EmbeddedController)。
单片机最小系统
所谓单片机最小系统,是指在单片机外部增加尽可能少的元件电路,组成一个让单片机可独立工作的系统。
以MCS-51系列单片机为例,图5.1和图5.2所示的分别是使用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成的单片机最小系统。
在图5.2中,8031的程序存储器是通过使用外部程序存储器EPROM实现的。
74LS373是一种8D透明锁存器,其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM取指令用的低8位地址。
这两个最小系统的复位电路均由10mF的电容器与正电源相连,构成上电复位电路。
时钟电路均采用内部振荡方式,外接一个频率为12MHz的晶体振荡器。
图5.2中,从接地,我们可以得知程序存储器在单片机外部,因此,对外部程序存储器来说,单片机的取指令操作有效的。
单片机系统的扩展
在单片机应用系统硬件设计中,虽然单片机的最小应用系统拥有较高的性价比,但在功能很复杂的系统中,最小系统往往不能满足要求,往往需要连接各种设备,形成各种接口通道。
因此,单片机系统的扩展成了单片机应用系统硬件设计中最常遇到的也是不可避免的问题。
单片机系统的扩展包括数据存储器(RAM)扩展、程序存储器(ROM/EPROM)扩展、输入/输出(I/O)扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。
1.程序存储器扩展
单片机系统扩展中,最常见的是程序存储器扩展,在扩展时需注意以下几方面的问题:
(1)可分配地址空间。
在MCS-51系列单片机中,程序存储器可占用0000H~FFFFH间64K的存储空间。
虽然地址可与数据存储器或I/O口重叠,但它们实际上是两个相互对立的存储空间。
硬件上程序存储器通过使用PSEN而不是用RD进行控制读操作;
软件上用MOVC而非MOVX执行读操作命令。
(2)地址译码电路。
随着大规模集成电路的发展,程序存储器的容量越来越大,仅需使用一两片芯片就可满足系统对容量的要求,因此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。
但是,在扩充多片程序存储器时,地址译码一般采用译码器方式,以获得地址范围连续而又不相重叠的片选信号。
这是因为程序机器码在存储空间中需要连续放置,因此各存储器占用的程序存储器空间必须相互连续。
另外,分配给程序存储器的地址范围还必须包含单片机的启动程序。
(3)程序存储器扩展方法。
其他接口扩展芯片与程序存储器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。
其中控制总线有ALE低8位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储器读控制。
EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示。
图5.3(a)中系统只扩展一片EPROM,可将EPROM的片选端直接接地;
图5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM,若P2.i等于0,就选择了EPROM
(1),若P2.i等于1,就选择了EPROM
(2)。
(4)常用程序存储器芯片。
程序存储器芯片最常见的是Intel公司的典型系统芯片2716(2K×
8),2732(4K×
8),2764(8K×
8),27128(16K×
8),27256(32K×
8)和27512(64K×
8)等。
近年来大容量EPROM芯片不断涌现,2764以上的大容量芯片在单片机应用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的使用。
2.数据存储器扩展
在单片机系统扩展中,最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存储器SRAM的扩展,在扩展时应注意以下几个方面的问题:
(1)存储器地址空间。
在MCS-51系列单片机中,任何扩展的数据存储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠,但可以和程序存储器地址重叠。
因为数据存储器与I/O口是统一编址的,共用0000H~FFFFH间的64K地址空间。
(2)数据存储器读写控制。
数据存储器与I/O口的读/写控制可以通过RD和WR指令,地址总线和数据总线则与程序存储器共用。
(3)数据存储器扩展方法。
图5.4所示的是数据存储器扩展电路。
除了在读写控制上使用不同信号和不同指令外,数据存储器扩展方法与程序存储器扩展方法是一样的。
(4)常用数据存储器芯片。
目前常用数据存储器芯片有SRAM6116(2K×
8),6264(8K×
8)和62256(32K×
8)等。
另外,电可擦除只读存储器、E2PROM2816(2K×
8)和E2PROM2864(8K×
8)等也可作为数据存储器使用。
3.输入/输出(I/O)口扩展
大部分单片机应用系统设计中都不可避免地要进行I/O口扩展。
因为单片机本身能提供的有限的I/O口中的许多都有复用功能,当这些口被复用功能占用后,留给用户系统的I/O口就不多了。
在进行I/O口扩展时,应注意以下几个方面的问题:
(1)I/O口寻址空间。
在MCS-51系列单片机应用系统中,扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64K存储空间,而与外部程序存储器空间无关。
指令上扩展I/O口具有与数据存储器相同的寻址方式,且地址总线、数据总线与控制总线的连线也与数据存储器相同。
(2)单片机提供的I/O口。
当单片机本身的I/O口在复用功能未被使用时,这些口可当作普通的I/O口使用。
图5.5所示的是用TTL芯片扩展的简单I/O口电路。
图5.5(a)中通过锁存器74LS273扩展8位并行输出口。
在通过数据总线扩展输出口时,锁存器被视为一个外部RAM单元,输出控制信号为WR,使用MOVX@DPTR,A指令。
当单片机向锁存器输出数据时,地址信号P2.7和写信号WR同时有效,使或门输出低电平接入锁存器CLK端。
当WR由低变高时,锁存器CLK端的信号上升沿将数据总线上的数据锁存到输出端,完成输出操作。
图5.5(b)所示为用三态门74LS245通过数据总线扩展的8位并行输入接口。
三态门由P2.7和RD进行或控制,使用MOVX@DPTR,A指令。
当单片机产生地址信号和RD信号,经或门产生低电平信号时,控制三态门打开,输入信号便可经数据总线送入单片机内部。
(3)常用I/O口扩展芯片
常用的I/O口扩展的TTL芯片有三态门(74LS241,74LS244,74LS245)、锁存器(74LS273,74LS273,74LS374)、串行输入/并行输出移位寄存器(74LS164,74LS595)、并行输入/串行输出寄存器(74LS165,74LS166)和可编程I/O接口芯片(8255,8155)等。
4.其他外围芯片扩展
在单片机应用系统中,除了程序存储器、数据存储器及I/O口这些系统主要部件外,还有一些满足系统应用的十分有用的外围芯片,如中断系统、定时/计数器、键盘、显示控制器及串行通信控制器等。
这些外围芯片内部大都设有与微处理器芯片的接口电路,接口电路主要由控制命令逻辑电路、状态存储器与设置电路、数据存储与缓冲电路三部分组成,用来实现单片机信号与外围芯片内部信号的转换工作。
由于大部分外围芯片能与微处理器芯片直接相连,因此在单片机应用系统中扩展,接口电路比较简单。
图5.8所示为外围芯片与微处理器芯片连接的典型电路,中央处理器CPU与外围芯片连接的信号主要是总线信号,包括地址信号、数据信号、读写控制信号、定时信号、中断信号和复位信号等。
此外,有些外围芯片(接口芯片)专门用来控制微处理器芯片与外围设备的连接,它们与外围设备连接的信号主要是输入/输出控制信号和数据信号。
不同的控制方式下,接口信号的复杂程度也不同。
由于中断接口与DMA接口的控制信号更为复杂,因此通常要由接口芯片提供专用控制信号才能完成数据传输。
在单片机应用系统中用到的外围芯片较常见的有:
可编程控制器8259,可编程直接存储器存取控制器(DMA)8237,8257;
可编程CRT控制器8275,8276,MC6845,MC6847,可编程键盘、显示接口8279;
可编程通信接口8250,8251;
可编程定时器8253,8254;
点阵式打印机控制器8295;
A/D和D/A转换芯片等。
2010年2月14日
系统调试
在大学生电子设计的过程中,一般的调试步骤为:
电源调试——单板调试——联调。
调试不仅包括软件调试,还包括硬件调试。
在调试中出现故障,需要随时排除,下面仅就调试的技巧进行两点说明。
1.调试的常用方法
(1)电路检查法
具体分为加电检查和不加电检查两种情况。
不加电检查的目的主要是查电路板线条间有无短路、粘连、虚焊、元件引脚触碰的情况。
加电检查可以观察故障现象,如电源不能启动、屏幕显示不正常等,据此判断故障的大体部位。
(2)电压测量法
利用万用表测电路的工作电压,将测得值与参考值对照,利用电压差值来判断故障。
参考值可通过经验估计、查电气手册等方式获得。
测试时需要注意一下万用表电压挡的量程和类型等参数。
(3)电流测量法
一般采用外接稳态电源供电,从稳态电源的电流表上观测电流值。
通过测量工作电流,将测得值与参考值对照,来判断故障。
(4)电阻测量法
在不通电的情况下,用万用表电阻挡测有关测试点的正、反向电阻,用于检查电路有无开路、短路,若出现电阻值异常,可以初步判断该器件已经出现损坏。
(5)信号注入法
在输入端加有源信号,在输出端观察电路响应,该方法可用于分段检查电路故障。
采取信号注入法时应当注意,测试前应掌握输入信号的大小和对应的正确输出波形,用示波器观测真实输出后加以比对,并加以分析。
(6)其他方法
“看”:
看元件有无明显的机械损坏,如破裂、烧黑、变形等;
“听”:
听工作声音是否正常,是否存在异响。
“闻”:
检查是否有异味,如是否存在烧焦的气味、电容电解液的味道等。
“摸”:
用手试探器件的温度是否正常,如器件太热或太凉。
一些功率器件,工作起来会发热,若手摸上去为凉的感觉,基本可以判定该器件没有工作。
2.调试的基本思路
一个故障的出现,可能涉及许多因素,在检测时,应采取排除法,逐一排除引发故障的各种可能因素,最后查出故障的所在。
排查故障的一般过程为:
首先确定检查故障的线索,先抓住主线索,一查到底;
并且线索不能中断,中断了便不能深入下去。
在排除故障时,还应遵循“由表及里”、“先易后难”、“先电源后负载”、“先静态后动态”的原则。
在智能车的调试过程中,还常常需要考虑如下几点特殊的注意事项:
(1)外界环境的影响
外界环境如环境光线、赛道材质等因素对智能车的影响很大。
以光电管型智能车为例,如果由于外界的光线频繁变化,导致小车对赛道的黑白部分区分不清晰,就
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