作者：趙政春 ， 陸綺榮 ， 葉漢民

隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)小型直流電機(jī)的需求量越來(lái)越大。這一類直流電機(jī)在出廠前往往需要對(duì)其電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。具體的方式是給電機(jī)提供多種占空比的PWM控制信號(hào)，在不同的占空比下分別測(cè)試電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的測(cè)試方法需采用多臺(tái)通用儀器：用信號(hào)發(fā)生器提供電機(jī)所需的PWM信號(hào)，通過電阻采樣電機(jī)的電流，并送電壓表頭顯示，使用光電感應(yīng)的方法測(cè)轉(zhuǎn)速，通過示波器觀察波形。目前在我國(guó)采用的大多是傳統(tǒng)的測(cè)試方法，傳統(tǒng)方法要求在車間的每個(gè)生產(chǎn)線上設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)只能測(cè)量一種占空比下PWM信號(hào)控制的電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速。因此，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都要配備測(cè)試員和一套完整的測(cè)試儀，使得成本很高。而且在測(cè)試過程中，要完成一個(gè)電機(jī)的測(cè)試必須經(jīng)過多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)都要測(cè)試員插拔電機(jī)的接線，使得測(cè)試效率很低。因此，傳統(tǒng)的測(cè)試方法嚴(yán)重制約了直流電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的效率。針對(duì)這種狀況，設(shè)計(jì)了一種基于DSP控制器TMS320F2810的新型直流電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)給電機(jī)提供各種占空比的PWM控制信號(hào)，通過DSP采樣電機(jī)的電流信號(hào)和輸出脈沖信號(hào)，計(jì)算出電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速，并送到顯示屏上顯示，同時(shí)還通過CAN總線把數(shù)據(jù)送到上位機(jī)保存和分析，并能通過上位機(jī)給各個(gè)控制接點(diǎn)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)試多個(gè)電機(jī)，在一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上一次接線就能完成所有占空比下的電流和轉(zhuǎn)速的測(cè)試，大大提高了測(cè)試效率。

1.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和TMS320F2810簡(jiǎn)介

系統(tǒng)結(jié)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)及監(jiān)控軟件、基于PCI總線的CAN智能網(wǎng)絡(luò)通信適配器及與其相配套的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（WDM）、現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)單元和基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線其他功能模塊組成。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

TMS320F2810是TI公司的高集成高性能DSP，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，工作頻率150MHz，低功耗和3.3V閃存編程電壓，支持邊界JTAG掃描，高性能32位CPU能進(jìn)行16x16和32x32 MAC運(yùn)算，16x16雙MAC。片內(nèi)存儲(chǔ)器有多達(dá)128Kx16閃存，128Kx16 ROM，1Kx16 OTP ROM，L0和L1為2個(gè)4Kx16區(qū)塊，每個(gè)為單存取RAM（SARAM），H0為8x16 SARAM區(qū)塊，M0和M1為1Kx16 2個(gè)區(qū)塊，每個(gè)是SARAM，引導(dǎo)ROM為4Kx16外接接口能連接高達(dá)1M總存儲(chǔ)器和可編等待狀態(tài)，有看門狗計(jì)時(shí)器模塊，三個(gè)外接中斷和三個(gè)32位CPU計(jì)時(shí)器， 最高采樣率為12.5MSPS，自動(dòng)排序器可以提供高達(dá)16路的通道自動(dòng)切換，也可以分成兩個(gè)獨(dú)立的8通道自動(dòng)切換。F2810最多可提供16路PWM波形輸出，支持SCI、SPI、MCBSP、eCAN 等多種通信方式。多達(dá)56個(gè)單獨(dú)編程的復(fù)接GPIO輸出引腳，有先進(jìn)的仿真和調(diào)試特性，工作溫度從-40℃到85℃和從-40℃到125℃， F2810可用于要求嚴(yán)格的控制系統(tǒng)中［1］［4］。

2.系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)硬件組成

系統(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以同時(shí)測(cè)試四個(gè)電機(jī)。硬件部分主要包括：電機(jī)的電流和輸出脈沖（OP）信號(hào)采集和信號(hào)調(diào)理電路、PWM輸出電路、復(fù)位上電電路、組合邏輯電路CPLD，CAN通信和鍵盤顯示接口等部分。其中DSP采用的是TI公司的高集成高性能DSP芯片TMS320F2810。CAN通信部分采用了PHILIPHIS公司的集成CAN控制芯片SJA1000（CAN總線控制器）和PCA82C250（CAN總線收發(fā)器），系統(tǒng)中設(shè)置CAN總線的最大傳輸量為500Kb/s，且晶振頻率定為16MHZ，CAN總線系統(tǒng)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大距離為130M，此時(shí)總線定時(shí)BTR0值為00H，BTR1值定為1CH。當(dāng)IMP708復(fù)位上電時(shí)， F2810控制器通過通用I/O（GPIO）口給電機(jī)加電，同時(shí)通過F2810片內(nèi)的PWM模塊輸出占空比可調(diào)的矩形波信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的電流信號(hào)和輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理芯片MAX472進(jìn)入到F2810的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供DSP處理。DSP計(jì)算出來(lái)的電流和轉(zhuǎn)速值顯示在液晶顯示器上，同時(shí)通過CAN總線傳送到上位PC機(jī)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過鍵盤可以輸入測(cè)試參數(shù)，包括PWM信號(hào)的占空比、轉(zhuǎn)速和電流的上下限參數(shù)等，也可以通過CAN總線由上位PC機(jī)設(shè)置。

圖2 測(cè)試節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電機(jī)電流和輸出脈沖信號(hào)的采集調(diào)理電路

由于所檢測(cè)的電機(jī)的電流會(huì)因型號(hào)不同而差別很大，范圍在幾十毫安到二、三安培。本系統(tǒng)中，采用了美國(guó)MAXIM公司的雙向精密電流傳感放大器MAX471［2］。MAX471內(nèi)置35mΩ的精密傳感電阻，可測(cè)量的電流范圍是±3A，在工作溫度范圍內(nèi)，其精度為2%，其響應(yīng)時(shí)間、速度和漂移等指標(biāo)均很理想，可以適應(yīng)3A以內(nèi)的各種規(guī)格直流電機(jī)的電流測(cè)量。電流信號(hào)通過RS+和RS-輸入到MAX471的采樣電阻RSENSE上，MAX471通過一個(gè)2kΩ的輸出電阻將電流轉(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號(hào)，直接送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換器中。 輸出脈沖信號(hào)是從電機(jī)的I/O端直接輸出的一串方波信號(hào)，其頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，用于檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。輸出脈沖信號(hào)是電壓信號(hào)，經(jīng)電阻分壓轉(zhuǎn)換到0～3V內(nèi)，然后經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器傳送到F2810的A/D輸入端。

2.2 PWM輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

F2810片內(nèi)的事件管理器模塊可以提供多達(dá)16路的PWM輸出信號(hào)，最小的死區(qū)時(shí)間寬度是一個(gè)CPU時(shí)鐘周期，最小的PWM脈沖寬度和脈寬的增減量為一個(gè)CPU時(shí)鐘周期，可以很方便地用來(lái)控制直流電機(jī)［5］。由于電機(jī)要求的PWM控制信號(hào)的幅值是5～10V，因此從DSP輸出的PWM信號(hào)還需經(jīng)過一個(gè)高速開關(guān)管反向器升壓后送至電機(jī)的PWM控制端。

2.3 復(fù)位電路

系統(tǒng)的復(fù)位電路采用IMP708芯片，該芯片有上電復(fù)位、看門狗和電源監(jiān)控功能。在系統(tǒng)的程序由于外部干擾導(dǎo)致“跑飛”時(shí)，IMP708的看門狗在一可選擇的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)熱啟動(dòng)系統(tǒng)。IMP708具有電源監(jiān)控功能，通過IMP708和DS1556的雙重監(jiān)控能夠保證使系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

2.4 鍵盤和液晶顯示電路（LCD）

鍵盤采用標(biāo)準(zhǔn)的PS/2口的小數(shù)字鍵盤，用來(lái)輸入設(shè)置參數(shù)。鍵盤和DSP之間采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）作譯碼電路，將鍵盤的掃描碼映射到DSP的I/O擴(kuò)展地址0x8001。當(dāng)有鍵按下時(shí)，CPLD發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)到DSP，然后DSP從I/O擴(kuò)展地址0x8001讀取掃描碼。液晶顯示模塊（LCD）和DSP之間通過CPLD譯碼，將命令控制I/O映射到地址0x8001，將數(shù)據(jù)控制I/O地址映射到0x8003和0x8004［6］。因?yàn)長(zhǎng)CD是5V器件，所以其8位數(shù)據(jù)線不能和3.3V的DSP直接相連，需要在數(shù)據(jù)線上加電平隔離和轉(zhuǎn)換芯片74LS245。

3.CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN遵從OSI層模型，按照OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，它們由CAN控制器的硬件實(shí)現(xiàn)電平變換和幀的封裝。CAN網(wǎng)絡(luò)中包括4種不同類型的幀。其中，數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器;遠(yuǎn)程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送以請(qǐng)求具有相同ID標(biāo)志符的數(shù)據(jù)幀;出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以控制總線錯(cuò)誤;而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。另外，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀空間同先前幀隔開。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要建立自己的上層協(xié)議。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用簡(jiǎn)單實(shí)用的“命令項(xiàng)加數(shù)據(jù)項(xiàng)”結(jié)構(gòu)［3］，其完整數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3示。考慮到工在業(yè)控制中，功能一般不多，因此命令項(xiàng)的長(zhǎng)度設(shè)定為1B（可描述128種命令）。而在本控制系統(tǒng)中，命令所需參數(shù)一般不會(huì)大于7B，故數(shù)據(jù)項(xiàng)長(zhǎng)度直接設(shè)為7B。

圖3　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的CAN應(yīng)用節(jié)點(diǎn)部分采用的是BasicCAN程序，它包含初始化子程序、發(fā)送子程序、接收子程序三個(gè)部分。DSP軟件編寫采用的是TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS2000，它支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編程。為了保證程序運(yùn)行效率，核心算法FFT程序和中斷向量表程序采用匯編語(yǔ)言編寫，而其它程序都采用C語(yǔ)言編寫，使本系統(tǒng)軟件具有模塊化、結(jié)構(gòu)化、可移植性好和調(diào)試方便的特點(diǎn)。系統(tǒng)的軟件執(zhí)行過程是：首先是系統(tǒng)初始化工作，即設(shè)置寄存器、配置GPIO、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。然后檢測(cè)GPIO有沒有啟動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后，從另一個(gè)GPIO發(fā)出控制信號(hào)給直流電機(jī)加電。從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號(hào)數(shù)據(jù)，再通過求平均值得到電機(jī)的電流值;對(duì)輸出脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，求出基波的頻率，再根據(jù)電機(jī)的具體型號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后把測(cè)試電流和轉(zhuǎn)速送給LCD顯示，啟動(dòng)CAN總線傳輸，把測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)缴衔籔C機(jī)，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了以CAN總線構(gòu)建了自動(dòng)化小型直流電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中以DSP芯片F(xiàn)2810為核心的自動(dòng)測(cè)試單元能利用DSP的多路模擬量輸入通道和多路PWM輸出通道以及高速計(jì)算能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電機(jī)的準(zhǔn)確、高效率的測(cè)試。該系統(tǒng)在測(cè)試速度、性價(jià)比和可維護(hù)性等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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