寧金銥

摘 要：本文使用飛思卡爾公司推出的KinetisEA系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要介紹了控制系統(tǒng)組成；在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件，編制了系統(tǒng)軟件；并從硬、軟兩方面采取了抗干擾措施。在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中具有很重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：KinetisEA系列單片機(jī)；電機(jī)控制；KEA系列評(píng)估板；

中圖分類號(hào)：TP271.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-01-00-02

目前，電機(jī)控制應(yīng)用具有多種解決方案，包括8位，16位和32位的單片機(jī)作為主控芯片，其內(nèi)部包含的各種模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的控制。隨著控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)單片機(jī)的要求也越來(lái)越高，尤其需要其有很強(qiáng)大的運(yùn)算能力和更大的存儲(chǔ)容量以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)不斷升級(jí)和擴(kuò)展的需求。

飛思卡爾公司推出的KinetisEA系列單片機(jī)提供了基于ARM的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。并具有相對(duì)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和高達(dá)128K的閃存。能符合更復(fù)雜系統(tǒng)不斷升級(jí)和擴(kuò)展的需求。

一、KinetisEA系列單片機(jī)簡(jiǎn)介

KinetisEA系列單片機(jī)是飛思卡爾公司在2014年推出的一款面向汽車行業(yè)應(yīng)用單片機(jī)，該系列單片機(jī)提供了基于ARM的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。該系列包含一組功能強(qiáng)大的模擬、通信、定時(shí)和控制外設(shè)，提供各種閃存規(guī)格和引腳數(shù)。這些可擴(kuò)展的器件高度可靠，具有增強(qiáng)的EMC/ESD性能，可為低成本汽車應(yīng)用提供相應(yīng)的解決方案。

此外，該系列還提供多個(gè)開(kāi)發(fā)工具、軟件和硬件參考選項(xiàng)，幫助客戶輕松的開(kāi)始設(shè)計(jì)。整個(gè)KinetisEA系列引腳兼容，該系列還將與未來(lái)的Kineits的其他產(chǎn)品系列引腳兼容。為今后客戶的平滑升級(jí)提供便利。該系列單片機(jī)具有簡(jiǎn)單的工具、豐富的開(kāi)發(fā)環(huán)境和覆蓋-40至125°C溫度范圍的汽車級(jí)質(zhì)量認(rèn)證，可協(xié)助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，加快產(chǎn)品的上市速度。并附帶一套豐富的文檔、硬件和軟件工具及應(yīng)用說(shuō)明，有助于加速開(kāi)發(fā)，降低設(shè)計(jì)成本。

二、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成，電池組，開(kāi)關(guān)電路，中控板，電機(jī)接口電路，電機(jī)和傳感器電路。電池組通過(guò)開(kāi)關(guān)電路提供給中控板和電機(jī)控制電路及電機(jī)電源。開(kāi)關(guān)電路負(fù)責(zé)電源的通斷。主控板則起到最重要的控制作用，收到傳感器的信號(hào)后對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)正常工作。電機(jī)控制接口電路和電機(jī)則執(zhí)行主控板的指令進(jìn)而驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向，前后運(yùn)動(dòng)等控制動(dòng)作。傳感器和電機(jī)的數(shù)目可以不斷擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更復(fù)雜的需求。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

三、主控芯片板，KEA系列評(píng)估板

該系統(tǒng)使用的是StarterTRAK基于KinetisEA系列MCU的低成本開(kāi)發(fā)套件，能夠?qū)崿F(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)和工具的重復(fù)利用。TRK-KEA128開(kāi)發(fā)平臺(tái)基于KinetisEA系列32位ARM?MCU構(gòu)建，配備128KB閃存，適用于各種應(yīng)用，是本系列中最強(qiáng)大的平臺(tái)。這些可擴(kuò)展的低功耗器件擁有龐大的支持生態(tài)合作體系，包括軟件驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)、示例代碼和應(yīng)用說(shuō)明，能夠幫助開(kāi)發(fā)者迅速將設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

四、電機(jī)控制接口電路

采用可以驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)的帶光電隔離耦合的雙H橋控制電路。該電路可以實(shí)現(xiàn)電流為2A的雙路兩項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)的控制，和轉(zhuǎn)向的功能。邏輯部分電壓為5V，驅(qū)動(dòng)部分最大輸出電壓可達(dá)到35V，最大電流可以達(dá)到2A。光耦隔離功能可以有效的保護(hù)單片機(jī)。

五、電機(jī)

普通的直流電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，電壓范圍在3到12V之間，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)每分鐘作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)然電機(jī)的選擇可以根據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量和額定電流大小等多個(gè)設(shè)計(jì)考量來(lái)做折衷。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

六、傳感器

本系統(tǒng)使用了尋線傳感器和紅外開(kāi)關(guān)的避障傳感器，尋線傳感器電源電壓為3-6V，檢測(cè)距離為0-3cm，檢測(cè)到白色物體輸出為高電平，指示信號(hào)燈亮起。檢測(cè)到黑色物體輸出低電平，信號(hào)通過(guò)I/O口輸入到單片機(jī)。紅外開(kāi)關(guān)的避障傳感器電壓為5V，測(cè)量范圍可達(dá)到80cmNPN常開(kāi)型，檢測(cè)到目標(biāo)輸出是低電平，正常狀態(tài)是高電平輸出，通過(guò)上拉電阻接到單片機(jī)的I/O口。通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器的角度和數(shù)量用來(lái)實(shí)現(xiàn)最不同要求下物體的檢測(cè)。最大通道數(shù)可以由KEA128的I/O通道數(shù)決定。

七、電池組及開(kāi)關(guān)電路

電池組使用了5節(jié)5號(hào)鎳氫電池套裝搭配充電器，電壓為6V，電池容量1200mAH，可反復(fù)充電使用，一般為1000次左右。考慮到電機(jī)應(yīng)用，電池的容量越大越好，但是同時(shí)需也要考慮重量，尺寸，充電時(shí)間等其他因素進(jìn)行設(shè)計(jì)折衷。

八、軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用了程序結(jié)構(gòu)化和功能模塊化的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)軟件按結(jié)構(gòu)分主程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序及任務(wù)子程序等三部分組成。其主程序流程如圖2所示。定時(shí)器中斷服務(wù)程序是由軟件設(shè)置的定時(shí)中斷程序，主要用于檢測(cè)各種傳感器的輸入及進(jìn)行其它定時(shí)處理。任務(wù)子程序包括各種子任務(wù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和電機(jī)控制等等。本系統(tǒng)使用CodeWarrior開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)了軟件的開(kāi)發(fā)，該套件 是飛思卡爾公司提供的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，方便易用界面友好，可以協(xié)助快速的實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

九、抗干擾措施和低功耗設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方面采取了多種抗干擾措施。在硬件設(shè)計(jì)方面采取了接地處理、退耦濾波等措施。在軟件設(shè)計(jì)方面采取了數(shù)字濾波、重復(fù)執(zhí)行、主動(dòng)初始化、數(shù)字量輸入的封鎖和模塊編號(hào)等方法。

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間減少電池電力消耗，單片機(jī)使用進(jìn)入低功耗模式的方法來(lái)減少系統(tǒng)功耗，在待機(jī)狀態(tài)，單片機(jī)進(jìn)入特殊的低功耗模式，系統(tǒng)工作時(shí)再?gòu)牡凸哪Ｊ絾拘堰M(jìn)出正常工作模式。從而實(shí)現(xiàn)了更低的功耗，減少電池電力損耗。

十、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用KinetisEA系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制的應(yīng)用，介紹了基于飛思卡爾公司KinetisEA系列單片機(jī)和系統(tǒng)各個(gè)模塊的組成，該系列單片機(jī)提供了基于ARM的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。并具有相對(duì)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和高達(dá)128K的閃存。能符合系統(tǒng)不斷升級(jí)和擴(kuò)展的需求。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件，編制了系統(tǒng)軟件；并從硬、軟兩方面采取了抗干擾措施。在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中具有很重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]飛思卡爾KEA系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)，網(wǎng)址www.freescale.com.