基于msp430步进电机控制器的设计

基于msp430步进电机控制器的设计内容摘要：

的可移植性 3易操作性：图形化、语音化、让信息大多可自动生成，便于操作。 4安全性：系统具有较完善的安全防范措施。 5实用性：系统具有强大的中断功能、功能实际等特点，使整个系统有很强的 实用性 第三章 控制系统硬件的设计 6 第 3 章 控制系统硬件的设计 MSP430 系列单片机简介 近几年来，随着微电子技术的日 新月异，世界上的许多芯片制造商纷纷推出自己的新产品，品种极为丰富。 由于竞争激烈，其中串行接口多、低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能芯片将成为主流器件。 全球著名 DSP 制造商 — 美国德州仪器 (TI)公司所生产的新型芯片 MSP430 系列，以其独特的性能和丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠。 MSP430 系列单片机功能特性 TI公司 MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。 它们具有 16 位 RISC 结构， CPU 的 16 个寄存器和常数发生器使 MSP430 微控制器能达到最高的代码效率。 灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。 数字控制的振荡器 (DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μ s 的时间内被激活到正常的工作方式。 MSP430 系列单片机的 16 位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力． MSP430 单片机具有如下特点： (1)低电压、超低功耗 MSP430 系列单片机，在 ～ 、 1MHz 的时钟条件下运行，工作电流 (在 ～400μ A 之间 )因不同的工作模式而不同；具有 16 个可以任意嵌套的中断源，使用灵活方便：将 CPU置于省电模式时，用中断方式可唤醒程序，其过度响应时间小于 6 us，编制出的源代码程序实时性较高。 (2)强大的处理能力 MSP430 系列单片机为 16 位 RISC 结构，具有丰富的寻址方式 (7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址 )、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在晶振频率为 8MHz 驱动时，其指令周期为 125μ s。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 (3)系统工作稳定 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 7 上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时问。 然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。 如果晶体振荡器在用作 CPU时钟 MCLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可以用看门狗将其复位。 (4)丰富的片内外设 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是以下一些外围模块的不同组 合：看门狗 (WDT)、定时器 A(Timer_A)、定时器 B(Timer_B)、比较器、串口 0、1(USARTO、 1)、硬件乘法器、液晶驱动器、 l0/12 位 ADC、 48 个 I/O 端口、基本定时器 (Basic Timer)，可在线仿真的 FLASH 内存， 7 路 PWM 输出，以及内嵌的 LCD 驱动等。 本设计所选用的主控芯片 MSP430F149 就包含了： FLL+(频率锁相环 )时钟系统，看门狗，精密模拟比较器 (Comparator)，带有 3 个捕获／比较寄存器的 16 位定时器 (Timer_A ) 串口、 0， 1，48 个 I/O 通用引脚 、并且端口 Pl、 P2 有中断能力。 (5)高效的开发方式 MSP430 支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大。 具有 FLASH 存储器型的单片机，利用其本身具有 JTAG 接口，可以在一台 PC 机及一个 JTAG 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和存储器的内容，对开发人员来说将大大提高程序的调试效率。 MSP430 系列器件均为工业级的，运行环境温度为． 40℃～ +85℃。 图 31 MSP430F14X 单片机的内部结构 第三章 控制系统硬件的设计 8 由图 31 MSP430F14X 系列单片机内部结构图可以看出， MSP430 系列单片机由很多模块组成。 在 MSP430 系列单片机中，与其它的单片机最大的区别就是系统各个模块完全是独立运行的，定时器 (Timer)、输～输出口 (I/O Port)、 A/D 转换 (以芯片型号的不同而有无 )、看门狗 (WOT)、液晶显示器 (LCD)等都可以在主 CPU休眠的状态下独立运行。 当需要主 CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤 醒 CPU，从而使系统运行在最低功耗上。 这一点是MSP430 系列单片机突出的优点。 此外由于 MSP430 系列单片机具有 LCD 驱动、 A/D 转换、模拟比较器、多路中断和定时器、多组串行通信口，因而其用途极广。 MSP430 系列单片机的应用 MSP430 系列单片机有如此独特的性能，因而一问世便受到广大用户的欢迎，有了MSP430 系列单片机，人们再也不用为那些使用干电池的仪器仪表耗电太快而犯愁了，用户可以设计出只用一节 3V 电池便能工作数年的智能工业仪表，也可以设计出从设备端口(如计算机并口或串口 )信号线直接 获取电能的无源智能仪器等等。 总之， MSP430 系列单片机可用于工业及民用的诸多领域：如在工业控制中可以用于各种机床控制、电机控制、航天导航系统控制等；在智能化仪器仪表中用于包括温度、湿度、流量、电压、频率等各类仪器仪表中，使仪器仪表数字化、智能化，功能大大提高；在日常生活中使用的电器产品中可用于电子秤、彩电、冰箱、洗衣机、智能玩具等，还可以用于如火警智能探头、便携仪器仪表、保险柜、汽车单元控制器等方面。 本文就是利用 MSP430F149 型单片机做 为主控制器设计的机车通信系统。 MSP430F149型单片机 MSP430F149 的引脚图 MSP430F149 的引脚图如图 32 所示： 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 图 32 MSP430F149 的引脚图 MSP430F149 的微处理器 CPU MSP430F149 型单片机 CPU具有一个 16 位的 RISC 精简指令计算机结构，对应用是高度透明的。 所有的操作，除了程序流程指令，都是通过源操 作数的 7 种寻址模式和目标操作数的四种寻址模式的组合对寄存器进行的。 CPU 集成了 16 个寄存器，减少了指令执行时间。 寄存器到寄存器操作的执行时间是一个 CPU 周期。 4 个寄存器 (程序计数器、堆栈指针、状态寄存器、常数发生器 )用作特殊用途，其余的都可以用作通用寄存器。 外围模块通过数据、地址、和控制总线与 CPU相连。 通过所有存储器操作指令可以很容易的对它们进行控制。 工作方式 通过对不同模块操作模式和 CPU状态的智能化管理， MSP430 芯片的工作方式可以适应多种超低功耗的需求，即便在中断处理期间也是一样。 MSP430 单片机的各个模块运行是完全独立的，定时器、输入 /输出端口、 A/D 转换、看门狗、液晶显示等都可以在 CPU休眠的状态下独立运行。 当需要 CPU 工作时，任何一个模块都可以通过中断唤醒 CPU，从而使系统以最低功耗运行。 这一特点是 MSP430 单片机最突出的优点，也是与其它的单第三章 控制系统硬件的设计 10 片机的最大区别。 一个中断事件可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过 RETI 指令返回到中断以前的工作状态。 系统适用的时钟信号有三种 ACLK(晶振的频率信号 )、 MCLK和 SMCLK(ACLK 的倍频信号 )。 具体有以下六种运行模式： 1)活动模式 AM：可由软件设定，所有的时钟都是活动的。 2)低功耗模式 0(LPMO)： CPU 关闭， ACLK 和 SMCLK 信号保持活动， MCLK 可以用于模块， FLL+锁相环保持活动； 3)低功耗模式 l(LPM1) CPU 关闭， MCLK 可用于模块， FLL+锁相环关闭； 4)低功耗模式 2(LPM2) CPU 关闭， ACLK 保持活动， MCLK 和 FLL+锁相环、 DCO 被禁止； 5)功耗模式 3(LPM3) CPU 关闭， ACLK 保持活动， MCLK 和 FLL+锁相环、 DCO、 DCOCLK 被关闭； 6)低功耗模式 4(LPM4) CPU 关闭， ACLK 信号关闭， MCLK 和 FLL+锁相环、和 DCOCLK 被禁止， DCO 的 DC 发生器被禁止； 系统处于何种工作模式下主要取决于状态寄存器 SR 中的 4 位用于控制 CPU和系统时钟发生器的控制位，即 CPUOff,OSCOff,SCG0 和 SCG1。 如果用软件将 4 位控制位全部复位，这时系统进入活动模式 (AM)， CPU、时钟处于活动状态。 不同的运行模式由软件控制内部时钟系统来控制。 表 是各种低功耗工作模式的控制位一览表。 时钟系统通过硬件和软件的大量组合达到应用的最低功耗和成本最优化。 由下表可见，在低 功率方式下， CPU均停止了工作。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 11 表 各种低功耗工作模式的控制位 SCG1 SCG2 OSCOff CPUOff LPM0 0 0 0 1 LPM1 0 1 0 1 LPM2 1 0 0 1 LPM3 1 1 0 1 LPM4 x x 1 1 MSP430系列在电源为 3V时活动方式下的工作电流大约为 300μ A，而在低功耗模式 3(LPM3)下则可低到 0． 9μ A。 在任何低功耗方式下均支持中断操作，一旦中断发生即可将系统从当前低功耗模式中唤醒进入活动方式，而且可在中断处理结束后返回原先的 低功耗方式。 在 LPM3 方式下， 32768Hz 晶振、 ACLK、基本定时器、复位逻辑和部分选定的外设保持工作，本设计利用这种方式来降低电池的消耗 步进电机 步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。 单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。 多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。 使用多相步进电动机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在 经功率放大后分别送入步进电动机各 相绕组。 每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。 由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 步进电机的特性 步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。 从 20 世纪 80 年代开始开发出了专用的 IC 驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等 的 OA 装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。 总体上说，步进电机有如下优点： 第三章 控制系统硬件的设计 12 1．不需要反馈，控制简单。 2．与微机的连接、速度控制（启停和反转）及驱动电路的设计比较简单。 3．没有角累积误差。 4．停止时也可保持转距。 5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。 6．即使没有传感器，也能精确定位。 7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。 但是，这种电机也有自身的缺点： 1．难以获得较大的转矩 3．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。 4．超过负载时会破坏 同步，高速工作时会发出振动和噪声。 步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类： 表 步进电机分类 类别 结构 步距 力矩 动态性能 反应式步进电动机（ VR） 采用高导磁材料构成齿状转子和定子 小 小 较差 永磁式步进电动机（ PM） 转子采用多磁极圆筒形的永磁铁，其外侧配置齿状定子吸引和排斥力产生转动 大 大 好 混合步进电动机（ HB） 这是 PM 和 VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构 小 大 好 永磁步进电机的控制原理 在本 设计以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机。 图 33 是 CZ2801型永磁步进电机的外形图，图 34是该电机的接线图。 南京工业大学本科生毕业设计（论文） 13 图 33 CZ2801型永磁步进电机外形图 图 34 CZ2801型永磁步进电机接线图 从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共 有 5 根引出线。 要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。 将 COM 端标识为 C，只要 AC、 BC 或 /AC、 /BC，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如。