有關(guān)單片機(jī)化電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

1.前言

單片機(jī)即微控制器，于1971年由Intel公司首次推出，由于其簡(jiǎn)便輕巧、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定可靠及其價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。無(wú)論是交通、通訊還是電子領(lǐng)域、辦公自動(dòng)化或電氣設(shè)備等都可以看到單片機(jī)的存在。電氣設(shè)備即是變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的統(tǒng)稱，其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用，然而傳統(tǒng)電氣設(shè)備的控制線路中觸點(diǎn)較多，使得控制線路在使用過(guò)程中可靠性變差，且使用壽命也會(huì)因此而明顯降低。自單片機(jī)推出后，即被廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的線路控制中，更進(jìn)一步提高了電氣傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，且操作更為簡(jiǎn)便，由此可知單片機(jī)對(duì)于電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的重要性，為此，我們應(yīng)尋求一套行之有效電氣轉(zhuǎn)動(dòng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使單片機(jī)在電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的到充分發(fā)揮。

2.單片機(jī)化電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的概念

2.1 單片機(jī)的概念以及結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，單片機(jī)技術(shù)是指將把中央處理器（CPU）、只讀內(nèi)存（ROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要部件在一個(gè)芯片上集成[2]。單片機(jī)不僅僅只是一個(gè)芯片，它具備了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成結(jié)構(gòu)以及主要功能。因此，它可同時(shí)滿足兩個(gè)及兩個(gè)以上控制領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

單片機(jī)從他的組成和功能角度可以分為兩個(gè)基本的結(jié)構(gòu)形式。一是Princeton結(jié)構(gòu)，又稱馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)都是共用一個(gè)存儲(chǔ)空間的。二是Harvard結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間與前面結(jié)構(gòu)不同，它們是分開(kāi)的。由于單機(jī)片主要以控制功能為主，并具有簡(jiǎn)便的主要特點(diǎn)，因此當(dāng)前單機(jī)片通常采用最多的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)的結(jié)構(gòu)形式，也就是Harvard結(jié)構(gòu)形式。

2.2 電氣傳動(dòng)控制的概念

電氣傳動(dòng)控制技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)十分重要的技術(shù)之一，它主要是以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置或系統(tǒng)為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制技術(shù)的自動(dòng)化。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、信息裝置以及控制裝置所組成，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)系到科學(xué)合理使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能以及控制工業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（速度、位置等），實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗目的。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，逐漸增多的新型控制策略使得電氣傳動(dòng)控制技術(shù)得到了不斷的革新。在控制方法上，自動(dòng)化的控制代替了傳動(dòng)手動(dòng)控制；在操作以及功能上，實(shí)現(xiàn)了信息化和智能化控制處理。

2.3 單片機(jī)電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)

單片機(jī)的電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)指的是把單片機(jī)嵌入系統(tǒng)中，使之成為系統(tǒng)中的一個(gè)零部件，且單片機(jī)嵌入的同時(shí)系統(tǒng)本身不需要額外增加能耗或者體積等[3]。在對(duì)單片機(jī)電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)了解到單片機(jī)并非傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)，而是一種新型的嵌入式控制器，如此一來(lái)才能充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出性價(jià)比高、性能好的系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)方案的確定是硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行的基礎(chǔ)，即想要進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，就要先確定電氣系統(tǒng)的方案，硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

（1）單機(jī)片的選擇。日前單片機(jī)的品種比較多，大致可分專用型與通用型兩大類。專用型比較容易開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，且專業(yè)型芯片具備一些特殊功能，所以，在選擇芯片時(shí)應(yīng)盡可能的選擇合適的專用型芯片。通用型芯片具有供貨市場(chǎng)范圍大、全國(guó)各地都可買到的優(yōu)勢(shì)，且掌握通用型芯片的人員相對(duì)較多，有利于開(kāi)發(fā)工作全體的組成。在電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)中，8位機(jī)通常便可滿足需要。必須使用16位機(jī)的有少數(shù)，也有些用4位機(jī)便可很好的工作。具體選擇哪種單片，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。

（2）其他芯片的選擇。當(dāng)程序以及數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)單元超出了芯片內(nèi)的只讀內(nèi)存（ROM）或者沒(méi)有只讀內(nèi)存時(shí)，就得對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)充。一般使用EPROM，比如2764和2716等。假如需要處理的數(shù)據(jù)量偏大時(shí)，則需對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)充，可采用6116、2441等靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）。如果數(shù)據(jù)量非常大時(shí)，也可選擇6264、2464或62256等芯片。擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者程序存儲(chǔ)器還可選擇E2PROM如2864和2816等，也可使用具有掉電保護(hù)功能的靜態(tài)RAM，如9964等。除此外，有時(shí)還需要使用到各種數(shù)字集成電路芯片以及可編程序借口芯片、信號(hào)調(diào)理模塊等。其他芯片選用的原則是，最大程度的簡(jiǎn)化線路，特別是采用各種專用型單片機(jī)時(shí)，應(yīng)對(duì)其特殊功能進(jìn)行充分的利用。

（3）地址空間的分配。地址空間分配方式主要是根據(jù)各個(gè)芯片里的地址單元數(shù)量以及可尋址芯片數(shù)量來(lái)確定的。假如所選用的單元數(shù)比較多，則選用全譯碼方式，地址空間要依照順序來(lái)依次進(jìn)行分配。假如所選用的單元數(shù)比較少，則選用線選法，其地址空間不必連續(xù)分配，采用P2口的某些線選通芯片。選通如果確定，那么地址就確定了。然而地址在此時(shí)是浮動(dòng)的，編程時(shí)對(duì)于這點(diǎn)應(yīng)引起注意。

（4）系統(tǒng)硬件（線路）圖的畫出。在對(duì)由專用型單片機(jī)組成的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，依照輸入輸出的信息、所需功能和希望達(dá)到指標(biāo)選擇使用合適的芯片是其最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。芯片在選定完畢之后，以單片機(jī)為主要核心，根據(jù)其所需的外圍電路以及前、后通達(dá)便可設(shè)計(jì)出硬件（線路）圖。

系統(tǒng)如果使用了通用型芯片，可通過(guò)三種總線把各組成部分分別聯(lián)系起來(lái)形成系統(tǒng)線路。系統(tǒng)地址總線由P0口和P0口或者P2口組成。P0口的地址信號(hào)要通過(guò)鎖存器連接到片外存儲(chǔ)器或者端口的地址線上，鎖存器采用ALE作為鎖存信號(hào)。數(shù)據(jù)總線采用P0口，將他與存儲(chǔ)器和端口的數(shù)據(jù)連接起來(lái)[4]。其他的I/O口可與外界直接聯(lián)系，且其地址在芯片內(nèi)的胡數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間里，使用較簡(jiǎn)便?？刂凭€的選用根據(jù)實(shí)際需要決定。

4.程序的編制設(shè)計(jì)

程序的編制過(guò)程主要分為兩大步驟（程序編制過(guò)程如圖1所示）：首先，按照系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的硬件線路及其要求把程序分為用于接口、系統(tǒng)管理以及系統(tǒng)工作等部分，研究分析每一部分又可分為哪些模塊，模塊與模塊之間有什么關(guān)聯(lián)，根據(jù)分析結(jié)果建立數(shù)學(xué)模式。在有些數(shù)學(xué)關(guān)系較簡(jiǎn)單的程序可將這一步忽略不計(jì)，但對(duì)于電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)，這一步通常是很必須的。在對(duì)數(shù)學(xué)模式進(jìn)行建立時(shí)，應(yīng)充分考慮到功能的完成，并要滿足抗干擾以及容錯(cuò)的要求；其次，按照數(shù)學(xué)模型擬定程序的思路，并用圖形的形式將它表現(xiàn)出來(lái)，一般采用流程圖。流程圖要由始至終的的依次細(xì)化，直至能夠具體反映程序的時(shí)候便可編制程序。有些專用型單片機(jī)采用梯形圖，其可直接直接反映程序的過(guò)程，或采用狀態(tài)流程圖，無(wú)需經(jīng)過(guò)多次細(xì)化便可編程。在進(jìn)行編制程序時(shí)按照系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象以及開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇語(yǔ)言，一般選擇匯編語(yǔ)言，如果程序量比較大也可選用C語(yǔ)言或者PLM語(yǔ)言。

編制完畢的程序也有可能存在缺陷，要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的所在，并修改程序和流程圖將缺陷予以糾正。經(jīng)過(guò)調(diào)試后的程序可嘗試進(jìn)行運(yùn)行。假如運(yùn)行結(jié)果不滿意，應(yīng)修改數(shù)學(xué)模式，并對(duì)程序進(jìn)行重新編制。

5.其他方面的設(shè)計(jì)

（1）抗干擾的措施。電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)運(yùn)行的場(chǎng)所往往會(huì)存在較大的電磁干擾，它可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作造成影響，甚至引起事故的發(fā)生。為確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)原則進(jìn)行接地。另外，為使得抗干擾的性能得到提高效果，還應(yīng)采取低通濾波器、數(shù)字濾波以及隔離變壓器、光電鍋合等措施，也可使用抗干擾的編程方法和Watehdog技術(shù)等。

圖1 程序編制過(guò)程

圖2 數(shù)控鎖相環(huán)

（2）脈沖產(chǎn)生方法。電氣系統(tǒng)所需要的脈沖有時(shí)要求其頻率可調(diào)，可以通過(guò)在硬件上安置震蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可由單片機(jī)的計(jì)數(shù)器或者定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果感覺(jué)單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖會(huì)隨著分辨率的提升而變差，可以借助單片機(jī)中的計(jì)數(shù)器、定時(shí)形成一個(gè)數(shù)控鎖相環(huán)（如圖2所示），假如要求可以對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如PWM，也可由單片機(jī)的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果采用8XC562或8XC552等芯片，為使得PWM信號(hào)產(chǎn)生而進(jìn)行的硬件和軟件設(shè)計(jì)均可大為簡(jiǎn)化。

6.結(jié)束語(yǔ)

將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)中，可使系統(tǒng)控制線路更加準(zhǔn)確可靠，且通過(guò)對(duì)單片機(jī)運(yùn)行程序的改革，可實(shí)現(xiàn)不一樣的電路控制要求。單片機(jī)化電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及其他方面的設(shè)計(jì)是緊密相連的，不應(yīng)單獨(dú)將他們分割開(kāi)來(lái)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到實(shí)際需要，并需大量參考單片機(jī)等相關(guān)資料，將最好的電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)，最大程度的將其功能進(jìn)行充分利用。

[1]吳巖.單片機(jī)在電子技術(shù)中的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[J].黑龍江科技信息,2011,20(09):724-729.

[2]李柱濤.單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及其在設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2011,19(24):672-675.

[3]梁凱淋.單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2009,15(04):541-546.

[4]肖金鳳,扶文靜,徐祖華,伍云政.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,13(04):355-358.