單片機開發(fā)商深圳英銳恩分享單片機技術在電氣傳動控制系統(tǒng)中的應用與研究。

摘　要：本文從單片機的技術應用角度出發(fā)，提出了一種用80C196系列單片機實現(xiàn)數(shù)字調(diào)速的系統(tǒng)控制方案，并在實際中驗證了本方案的可行性，同時對80C196單片機的一些關鍵技術作了深入研究，以期開發(fā)出更高性能的單片機系統(tǒng)。
    關鍵詞：80C196　單片機　RL196　PWM　C96

0　引　言
　　單片機進入中國10余年以來，以其體積小、功能強、擴展靈活、使用方便等特點，逐漸應用到各行業(yè)的工程實際應用中。目前，大多數(shù)系統(tǒng)以51系列的8位單片機為首選，但是在一些比較復雜的、性能要求較高的系統(tǒng)中，它不得不讓位于16位單片機。本文采用的MCS－96系列的16位單片機特別適用于各類自動控制系統(tǒng)。如交直流調(diào)速機、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。本文以一直流伺服控制系統(tǒng)裝置為例，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改進了有關算法，實驗證明，此系統(tǒng)可以良好地跟蹤給定速度曲線，響應時間可控制在10－3s的數(shù)量級以內(nèi)。
1　硬件系統(tǒng)的構(gòu)成
1．1　電氣主回路
　　主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，采用雙極性的H橋構(gòu)成，用大功率硅管整流橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，采?br/>電壓型穩(wěn)壓方式（并入大容量電容）提供主電源，用IPM中的IGBT構(gòu)成H橋，采用PWM進行調(diào)速，其中富士通的IPM技術較為成熟，并具有多種保護功能。只需加入一定的周邊電路便可進行驅(qū)動。
1．2　單片機系統(tǒng)
　　本文采用MCS－96系列的80C196MC構(gòu)成16位總線的單片機系統(tǒng)，與MCS－51系列相比，此類型的單片機至少在以下幾方面提高了系統(tǒng)的實時性。
　?。?）CPU中的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)，CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。
　　（2）256字節(jié)寄存器中，24字節(jié)是專用寄存器，其余232字節(jié)均為通用寄存器。其通用寄

存器的數(shù)量遠比一般CPU的寄存器數(shù)量多。這樣可以為各中斷服務程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了中斷服務過程中保護和恢復現(xiàn)場所支付的軟件開銷，并大大方便了程序設計。

　?。?）80C196MC具有波形發(fā)生器（WG），不用外圍元器件即可生成PWM波形，而波形發(fā)生器（WG）具有靈活的死區(qū)調(diào)節(jié)功能。這對實用 PWM功率放大器很關鍵，它能防止雙極H型主電路四個IGBT“共態(tài)穿通”。所謂“共態(tài)穿通”即橋臂中的一個IG－BT沒有退出飽和而另一個IGBT已導通而形成電源短路的現(xiàn)象。
　?。?）有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)，可采用20M赫茲的時鐘，并新增加了EPA（事件處理器陣列），PTS（外設事務服務器），再加上其內(nèi)帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器，從而可以快速完成電流和轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換過程，滿足對系統(tǒng)動態(tài)響應時間的要求。
　　其中，16位單片機的系統(tǒng)構(gòu)成如下：由于伺服系統(tǒng)電流控制調(diào)節(jié)器采樣周期短、計算量大，所以80C1 96MC系統(tǒng)采用16位系統(tǒng)總線以提高系統(tǒng)的吞吐能力。二片EPROM27C256地址分配為：2000H～7FFFH；二片RAM62256地址分配為：A000H～FFFFH；由于采用16位地址數(shù)據(jù)總線，二片存儲器共用同一地址，具體聯(lián)接如下：系統(tǒng)地址總線A0不用，A1與EPROM、RAM的 A0連接，A2與A1連接，……依此類推，A15與A14連接。當CPU讀存儲器高位地址時，同時選中高、低位的存儲器，高8位、低8位的數(shù)據(jù)同時讀入 CPU，由CPU正確選擇高8位的數(shù)據(jù)作為操作數(shù)，舍去低8位的數(shù)據(jù)；讀低8位時情況也一樣。RAM的片選信號由INST和A15通過與非門構(gòu)成（RAM ＝INST＋A15———），其中要注意的是INST在讀程序存儲器時為低電平，但要避開2000－ 2080的地址，因為在讀取中斷向量時，INST引腳為高電平。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2　軟件系統(tǒng)
　　采用C與ASM的混合編程模式，下面著重于其協(xié)同開發(fā)和算法的改進進行闡述。

2．1　C程序與匯編程序的協(xié)同開發(fā)
　　匯編語言的難點在于數(shù)據(jù)處理。由于匯編語言不直接支持單精度的浮點運算，而現(xiàn)在單片機開發(fā)日趨復雜，在許多地方必須應用高精度的復雜算法。C96直接支持單精度的浮點運算，對于大多數(shù)場合已經(jīng)夠用，并且可以方便的通過算法擴展到雙精度。算法的設計上已有大量的C程序可供選用，基本不用重新開發(fā)。在這些模塊中應用C96可以盡快地解決問題。然而，完成同樣的功能，C96程序經(jīng)編譯連接生成的代碼比匯編生成的代碼稍長。在需要實時響應的場合，開發(fā)者往往從執(zhí)行速度的角度出發(fā)，把這些模塊用匯編代碼實現(xiàn)。其實，筆者認為凡是匯編實現(xiàn)的功能用C96都能實現(xiàn)，只是一個熟練程度的問題，而且據(jù)最新資料，新版的 C96編譯器的效率可以達到1．1。在單片機項目中應用C96，更重要的是開發(fā)周期可以大大縮短，一般來說，一個資深的C96程序員，他只要花費匯編程序員的一半不到的時間就可以完成開發(fā)任務，而兩者的執(zhí)行速度相差無幾，如果不是有特別苛刻的要求，用C96開發(fā)程序?qū)⑹鞘掳牍Ρ丁?br/>    例如：
    Timer1＝0x33f8；
    而在匯編中則需要寫成：
    LD1CH，33F8H
    ST1CH，1F7A［00H］
　　顯然，C96寫出來的程序具有良好的可讀性，并方便日后的修改和維護，而匯編大多數(shù)則要靠注釋來解讀，而且個人注釋風格不同，會帶來調(diào)試工作和日后的軟件升級的困難，加長了開發(fā)時間和人力投入。
　　在開發(fā)單片機的項目時，經(jīng)常會遇到關于匯編模塊和C模塊相互調(diào)用的問題，下面從兩個方

面加以闡述：
　?。?）如果不涉及參數(shù)傳遞,則可以采用在程序中嵌入ASM｛…｝偽指令實現(xiàn)（適用于C96和C51 ） 。
　?。?）當涉及參數(shù)傳遞的時候，下面以C語言作主程序為例，說明一個相互調(diào)用的實例；（只適用于C51）。
    主程序：

　　但在A－FUNC．A51文件中則需按照C51與匯編語言的接口規(guī)則進行書寫，完成相應的功能。
    NAMEA－FUNC
    ；聲明函數(shù)名稱
 
    ；聲明外部函數(shù)代碼段名
    PUBLICA－FUNC
    ；外部公共符號　
    RSEG？DT？－a－func？A－FUNC
    ？－a－func？BYTE：
    ；可覆蓋局部數(shù)據(jù)段
    x？00：　DS　2；定義傳遞參數(shù)字節(jié)
    RSEG？DT？A－FUNC？A－FUNC
    －A－FUNC：
    …；程序代碼體
    END
    ；A－FUNC函數(shù)結(jié)束
　　因此，我們可以很方便地在程序代碼體處加入所期望的匯編程序。
　　最后，全部程序編譯鏈接通過后，應仔細查看生成的M96或M51文件，有無溢出或沖突的情況，數(shù)
據(jù)存儲區(qū)與程序存儲區(qū)是否定位恰當。對于C196來說，C96程序的代碼段、參數(shù)段可以設成是浮動定
位還是絕對定位的，當C96代碼段、參數(shù)段與匯編程序沖突時，應用RL196的編譯控制選項ram（…），rom（…），romcode（…），romdata（…）來精確定位代碼數(shù)據(jù)段解決沖突。
    例如：

　以上定義了模塊MOD2的代碼的常量數(shù)據(jù),MOD3的代碼放在ROM1中,即（2000－3FFFH）處。main、mod1、mod3的代碼和常量放在第二段ROM（4000－FFFFH）中，MOD1的常量數(shù)據(jù)放在（4000－5FFFH）的ROM中。STACK堆棧段的值應根據(jù)最后的 M96文件顯示的總共占用的內(nèi)存RAM，設為最大可用的堆棧段（用STACKSIZE控制項），C96的子程序調(diào)用最好不要超過三級，以免堆棧溢出。經(jīng)實踐證明，這些C96程序與匯編語言作到了真正意義上的“無縫鏈接”。
2．2　算法的改進
2．2．1　波形發(fā)生器工作原理簡介
　　波形發(fā)生器WG是80C196MC單片機最具特色的外設，在PWM伺服系統(tǒng)中起到關鍵的作用。80C196MC的WG可產(chǎn)生三相（三路）正弦PWM （SP－WM）波形用于三相交流同步電機的變頻調(diào)速，這種情況的WG工作方式稱為中心對準方式；也可產(chǎn)生斬波調(diào)壓的PWM用于直流電機調(diào)壓調(diào)速，這種工作方式稱為邊沿對準方式。下面對PWM伺服系統(tǒng)采用的邊沿對準方式給予簡要介紹。

工作于邊沿對準方式，不考慮死區(qū)時間的影響的工作波形見圖3。有關的幾個寄存器意義如下：

　　（1）WG－RELOAD：重裝載寄存器，決定載波周期。
　?。?）WG－COMPX（X＝1，2，3）：相位比較寄存器，決定波形占空比。
　?。?）WG－COUNT：雙向計數(shù)器，為WG的時基（邊沿對準時，只向上計數(shù)）。
　　當WG－COUNT的值一直與WG－RELOAD的值比較，當?shù)扔赪G－RELOAD的值時，WG復位到1，又重新開始計數(shù)。同時WG－COUNT的值也一直與WG－COMPX的值比較，當WG－COUTN的值等于WG－COMPX的值時改變輸出引腳（WGX）的電平，輸出PWM波形。當WG－COUNT復位為1時，引發(fā)一次WG中斷，CPU響應WG中斷時，根據(jù)電流環(huán)運算得出的新的WG－COMPX的值，改寫WG－COMPX的值，改變輸出波形的占空比，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。
　　（4）WG－CON：控制、死區(qū)時間寄存器，決定WG的工作方式和死區(qū)時間。
　　前文已談到H型PWM電路中的一個橋臂，當其中的一個IGBT沒有退出飽和時，另一個IGBT又開始導通，會造成電源直接短路的“共態(tài)導通”現(xiàn)象，這是絕對不能出現(xiàn)的故障。要避免這一現(xiàn)象的發(fā)生
就是設置合適的死區(qū)時間，即當一個IGBT關斷后，經(jīng)歷一個死區(qū)時間，另一個IGBT接著導通，這樣就
可避免“共態(tài)導通”現(xiàn)象出現(xiàn)。
2．2．2　算法改進的思路
　　實際上，在轉(zhuǎn)速和電流環(huán)的計算中并不是全部計算都需要用到浮點運算的方式，為簡單起見，下面論述只考慮轉(zhuǎn)速環(huán)（電流環(huán)當成一比例環(huán)節(jié)）：
　　因為采用的是轉(zhuǎn)速編碼器采樣轉(zhuǎn)速信號，而80C196MC系列的單片機用相移計數(shù)器的方式即可
以獲得時間T內(nèi)的轉(zhuǎn)速值，而這個值一定是整數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的跟蹤精度實際上取決于轉(zhuǎn)速編碼的精度，當T時間取一較小的時間間隔，我們完全可以用時間T內(nèi)獲得的脈沖數(shù)PL作為轉(zhuǎn)速值，實際上此時的轉(zhuǎn)速為：PL／T，我們以時間T作為速度環(huán)控制回路采樣周期，當給定速度同樣在整數(shù)值給出時，如圖4所示，由于輸出PWM周期一定（WG－RELOAD取為100μs），輸出比較寄存器WG－COMP1也只能在整數(shù)范圍變化，PI控制器的輸入為整數(shù)SP－GIVEN－SP－NOW，輸出同樣為整數(shù)，所以只需調(diào)整PI的參數(shù)就可達到對轉(zhuǎn)速環(huán)的控制。

　　實際上，我們不難證明給定轉(zhuǎn)速如果換算成在T時間內(nèi)脈沖數(shù)不是整數(shù)的話，其控制作用同整數(shù)值的效果是一樣的。但是PI參數(shù)經(jīng)常以浮點數(shù)的方式出現(xiàn)，我們在調(diào)試過程中先用浮點數(shù)計算定下P、I參數(shù)的值之后，再利用C96的賦值運算符賦予一整型變量，這樣即充分利用了C96的浮點運算庫，又精簡了代碼，提高了運算速度。對于電流環(huán)同樣可以依照以上方法確定電流環(huán)的P、I參數(shù)并進行電流控制。
2．2．3　程序框圖和實驗結(jié)果
　　在以上思路的指引下，我們設計了如下程序框圖并對轉(zhuǎn)速環(huán)進行了驗證，可以控制轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)時間在數(shù)量級以內(nèi)。

（文源網(wǎng)絡，侵刪）