步進電機式儀表與模擬電路電子式儀表相比，其分度均勻，指針的重復(fù)性能好、響應(yīng)速度快、抖動小、產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性有根本保證[1] ，因此步進電機式汽車儀表在我國逐漸普及。這種汽車儀表通常采用微控制器驅(qū)動步進電機帶動儀表指針轉(zhuǎn)動。微控制器控制步進電機一般需要外加驅(qū)動電路，而采用專用的汽車儀表步進電機驅(qū)動集成電路可以簡化汽車儀表的軟硬件設(shè)計，提高儀表的穩(wěn)定性和可靠性。本文介紹并比較了國內(nèi)常用的驅(qū)動器的性能特點，最后以飛思卡爾半導(dǎo)體生產(chǎn)的MC33991為實例設(shè)計了車速表。

1 常用儀表電機驅(qū)動芯片特點及性能比較

國內(nèi)常用的儀表步進電機驅(qū)動芯片包括瑞典SWITEC公司的X12.017、偉盈集團生產(chǎn)的VID66- 06和美國飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC33991等。

1.1 X12.017與VID66- 06的主要特點

SWITEC公司生產(chǎn)的X12.017在國內(nèi)應(yīng)用較廣，可以同時驅(qū)動4路十字線圈步進電機。VID66- 06控制方式和X12.017完全相同，其各項性能參數(shù)也基本相同。它們的主要特點如下。

a.以微步驅(qū)動，每個脈沖對應(yīng)電機輸出軸轉(zhuǎn)動（1/12）°。
b.每個電機只需要速度和方向2個控制端。
c.所有輸入腳都有干擾過濾器；低電磁干擾輻射。
d.工作溫度在- 40～105℃；工作電壓4.5～5.5 V.

這種驅(qū)動器控制簡單，輸入信號CW/CCW控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向，輸入信號F（ scx）的上升沿驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動一個微步。通過發(fā)送脈沖的頻率可以控制電機的轉(zhuǎn)動速度。

1.2 MC33991的主要特點
MC33991是單獨封裝，通過SPI （串行外設(shè)接口）進行通信，可同時控制2個步進電機的驅(qū)動電路。該電路也可以仿照氣隙磁通的運動，把普通電機轉(zhuǎn)化為步進電機來控制。它有以下主要特點[3].

a.有4 096個靜態(tài)指示位置，接收位置命令后驅(qū)動指針指示。
b.最大指針掃過范圍340度；最大指針?biāo)俣葹?00 deg/s；最大指針加速度為4 500 deg/s.
c.應(yīng)用微步距控制技術(shù)（每步細(xì)分為12個微步）。
d.指針回零校準(zhǔn)，能準(zhǔn)確地回零。
e. 16位SPI （ Serial Peripheral Interface） ，通信占用較少的I /O口。
f.內(nèi)部時鐘校準(zhǔn)功能；睡眠模式下的耗電量較小。
g.工作溫度- 40～125℃；供電電壓范圍6.5～26 V。

MC33991可設(shè)定步進電機最大轉(zhuǎn)速。其具有內(nèi)部狀態(tài)機，保證在正常操作時，驅(qū)動器接收到位置命令后，以恒定加速度到達最大速度，然后在合適的時間減速，并保證減速過程中不超過最大減速度，到達指定位置后速度等于零，避免指針抖動。此外， MC33991可以允許2個步進電機或其中之一工作。其內(nèi)部診斷功能可診斷單個步進電機是否過熱、電池電壓過高或者過低、指針歸零狀態(tài)驅(qū)動器內(nèi)部時鐘的工作狀態(tài)、確定儀表的指針是否在轉(zhuǎn)動。由以上性能特點可以看出， MC33991比X12.017和VID66-06功能更豐富，如過電壓和過熱診斷功能、回零校驗功能。且使用X12.017和VID66-06作為驅(qū)動時，為使儀表指針運行平滑，必須在微控制器程序中對步進電機速度進行細(xì)分，否則容易產(chǎn)生超調(diào)抖動。

2采用MC33991的汽車車速表設(shè)計

汽車在行駛過程中，汽車車速傳感器產(chǎn)生頻率與汽車車速成正比的脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)過濾波放大后送給微控制器，微控制器利用輸入捕捉通道捕捉2次脈沖信號的間隔時間，并根據(jù)間隔時間計算汽車行駛速度。最后，微控制器把計算得到的速度轉(zhuǎn)換成位置命令發(fā)送給MC33991， MC33991驅(qū)動步進電機指向?qū)?yīng)的刻度。

本設(shè)計選用微控制器MC68HC908GR16作為主控芯片，采用SWITEC公司生產(chǎn)的儀表用步進電機X15.288作為執(zhí)行器。MC68HC908GR16是飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位微控制器，片內(nèi)具有16 KBFLASH存儲器和1 KB RAM存儲器。其內(nèi)部鎖相環(huán)（ PLL）可以把外部32.768 kHz晶振頻率升頻至8 MHz內(nèi)部總線頻率。微控制器內(nèi)部集成了增強的串行通信模塊（ ESCI）、8路10位A/D模塊、SPI模塊、8位鍵盤模塊，擁有2個獨立的16位定時器，每個定時器都由1個定時計數(shù)器和2個輸入輸出通道組成。其內(nèi)部還集成了定時基模塊，可以定時把微控制器從STOP模式中喚醒。

MC33991內(nèi)部有6個寄存器，微控制器通過發(fā)送16位的SPI命令到這些寄存器來控制并讀取MC33991的工作狀態(tài)。16位SPI數(shù)據(jù)的15～13位是地址， MC33991接收到微控制器的命令后，把命令的15～13位與這些地址對比，并把數(shù)據(jù)放到對應(yīng)的寄存器。這些寄存器的地址與功能如表1所列。微控制器通過這些寄存器來控制電機的最大速度、指針位置、指針回零，并讀取電機的運行狀態(tài)、線圈是否過熱、電壓是否過高或過低。

2.1硬件電路設(shè)計

硬件電路包括速度傳感器信號調(diào)理電路、微控制器與MC33991的接口電路。

2.1.1速度脈沖檢測電路

車速傳感器把車速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，其頻率與車速成正比。此脈沖信號經(jīng)過調(diào)理電路送給單片機的T1 CH0 （ Timer 1 channel 0） ，速度脈沖的調(diào)理電路如圖1所示。在沒有脈沖信號輸入時，三極管集電極和發(fā)射極關(guān)斷，脈沖調(diào)理電路輸出高電平。有脈沖輸入時，三極管導(dǎo)通，調(diào)理電路輸出跳變到低電平。

2.1.2 MC33991接口電路

微控制器MC68HC908GR16與MC33991利用串行外設(shè)接口SPI通信。微控制器、MC33991和儀表用步進電機的接口電路如圖2所示。

表1 MC33991內(nèi)部寄存器


圖1 速度傳感器信號調(diào)理電路圖
 

圖2 MC33991與MCU接口電路圖
 
MC68HC908GR16的SPI時鐘引腳SPSCK、主機數(shù)據(jù)輸入從機輸出引腳MISO、主機數(shù)據(jù)輸出從機輸入引腳MOSI和I /O引腳PTC5, 分別接MC33991的SCLK、SO、SI、CS引腳, RSTB引腳與單片機的RST引腳連接。
 
2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 SPI通信程序

微控制器MC68HC908GR16 上電后要初始化MC33991。MC68HC908GR16的SPI設(shè)為主模式。發(fā)送數(shù)據(jù)的格式要符合MC33991接、發(fā)數(shù)據(jù)的時序,MC33991收發(fā)數(shù)據(jù)的時序如圖3所示。SPI無數(shù)據(jù)傳輸時CS=1, 時鐘信號保持低電平。有數(shù)據(jù)傳輸時,MC33991的SI引腳在SCLK時鐘的下降沿讀入1位數(shù)據(jù), 而輸出引腳SO在時鐘的上升沿輸出數(shù)據(jù)。設(shè)MC68HC908GR16的SPCR寄存器時鐘極性位COPL=0,時鐘相位控制位CPHA=1。設(shè)引腳PTC5方向寄存器DDRC5=1, 設(shè)為輸出。不與MC33991通信時令PTC5保持高電平。MC33991每次接收的數(shù)據(jù)必須是16,32, 48⋯位。


 
2.2.2 MC33991初始化流程

MC33991的初始化流程圖如圖4所示。微控制器先向PECCR發(fā)送命令關(guān)閉步進電機, 并在2個電機停止轉(zhuǎn)動的情況下發(fā)送時鐘校正命令。經(jīng)過時鐘校正后, MC33991內(nèi)部時鐘穩(wěn)定在1 MHz ( ±10%) ,校正時鐘后使能電機, 可允許2個或者其中一個工作, 然后向寄存器RTZCR發(fā)送命令設(shè)置指針回零速度, 向VECR寄存器發(fā)送命令控制電機的最大轉(zhuǎn)速。如果步進電機回零時指針不在一個整步位置或者磁場排列沒有對齊, MC33991回零檢測會發(fā)生錯誤,導(dǎo)致回零失敗。所以在發(fā)送電機回零命令前, 先使電機前進24微步或者30, 36, 42⋯微步, 以保持磁場排列整齊, 然后發(fā)送指針回零命令, 指針轉(zhuǎn)向電機的逆時針極端。每一時刻只能有一個指針回零,微控制器檢測回零狀態(tài)直至回零結(jié)束。



初始化時需要注意, 時鐘校正可選為1 MHz,單片機發(fā)送完時鐘校正命令后拉低引腳, 延時8 μs后再將其拉高。如果電機的齒輪減速比較低則選擇0.667 MHz, 這種情況需要延時12 μs。
 
2.2.3 車速檢測

MC33991初始化后設(shè)MC68HC908GR16的定時器1通道零為輸入捕捉模式, 在輸入脈沖的下降沿進入捕捉中斷, 并計算2次下降沿的計數(shù)差值Δt。本設(shè)計的車速儀表盤的最大車速為120 km/h,最高速度與最低速度對應(yīng)刻度盤的夾角為225 °, 對應(yīng)MC33991的靜態(tài)指示位為2 700。
 
汽車行駛速度可以利用以下公式計算

式中: n———2次速度脈沖間隔內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值之差; T———微控制器計數(shù)器時鐘源的周期;D———車輪外徑; μ———汽車輪胎變形系數(shù)( 一般取0.93～0.96) ; N———車輪轉(zhuǎn)一周, 車速傳感器發(fā)送的脈沖數(shù)。
 
微控制器根據(jù)計算得到的速度在儀表盤上的位置, 計算出MC33991的靜態(tài)指示位置, 并把靜態(tài)指示位發(fā)給MC33991, MC33991驅(qū)動儀表指向指定位置。為加快程序運行速度, 先根據(jù)車速、汽車車速儀表盤的參數(shù)計算出一個常數(shù)Con。



式中: vmax———汽車儀表盤指示的最大速度;C———用于調(diào)整指針指示誤差的常數(shù)。其中C用來調(diào)整車速表的指示位置, 使儀表指示速度不小于汽車的實際速度。車速表指針應(yīng)指向

的位置P0=Δt /Con, 由微控制器直接向MC33991發(fā)送此位置( P0) 命令, MC33991接到位置命令后即控制儀表電機旋轉(zhuǎn), 指向刻度盤的對應(yīng)位置。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種汽車車速表的設(shè)計方案,設(shè)計采用專用集成驅(qū)動芯片MC33991。此表在試驗臺運行測試時, 指針可以平滑轉(zhuǎn)動, 在加速度較高時也沒有超調(diào)抖動。與傳統(tǒng)機械式儀表相比, 這種儀表響應(yīng)速度快、抖動小、產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性高。與采用其它驅(qū)動芯片的步進電機式儀表相比,首先此表占用硬件資源少, 控制方便, 儀表響應(yīng)快; 其次能從任意位置以設(shè)定的速度恒速回零, 到達零點時無抖動; 最后儀表轉(zhuǎn)動時, 微控制器可以隨時通過MC33991讀取步進電機的工作狀態(tài)。