3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制芯片

選擇單片機(jī)作為本控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)本系統(tǒng)所要完成的功能，要求我們所用的控制芯片需具備以下功能或接口，PWM 輸出功能、A/D 轉(zhuǎn)換功能、串行通訊接口。此外，為了完成某些控制算法，需要有較高的速度，還要求具有較低的功耗和較高的性價(jià)比，能夠進(jìn)行硬件調(diào)試，軟件開發(fā)簡單。AVR 單片機(jī)是Atmel 公司推出的較為新穎的8 位單片機(jī)，采用了RISC 結(jié)構(gòu)，其顯著的特點(diǎn)為高性能、高速度低功耗。它取消機(jī)器周期，以時(shí)鐘周期為指令周期，實(shí)行流水作業(yè)。內(nèi)部集成32 個(gè)通用寄存器，每一個(gè)都相當(dāng)于51 里面的一個(gè)累加器A，避免了累加器瓶頸，進(jìn)一步提高了運(yùn)行速度和代碼效率。AVR 單片機(jī)指令以字為單位，且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執(zhí)行本指令功能，同時(shí)完成下一條指令的讀取。通常時(shí)鐘頻率用1～16MHz，最短指令執(zhí)行時(shí)間為63ns。AVR 單片機(jī)指令代碼較為簡練，其編譯器都C 語言進(jìn)行了優(yōu)化，具備ISP和IAP(In Application Program，在應(yīng)用編程)。與傳統(tǒng)的51 系列相比，AVR 單片機(jī)在速度、功耗、性價(jià)比上具有極大的優(yōu)勢，因此，我們選擇AVR 單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制芯片。

3.1.1 ATmega16 的特點(diǎn)

ATMEL 公司的AVR 單片機(jī)現(xiàn)有50 多個(gè)品種，分為低、中、高三個(gè)不同檔次。我們選擇了AVR 單片機(jī)中性價(jià)比較高的一款-ATmega16 作為系統(tǒng)控制芯片。ATmega16 屬于高檔AVR 單片機(jī)，是一款性能完善、使用更加方便和功能更加強(qiáng)大的新型AVR 單片機(jī)。其性能及內(nèi)部資源如下：

(1)高性能和低功耗的先進(jìn)RISC 型8 位微控制器。

(2)32 個(gè)8 位通用工作寄存器，只需2 個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器，工作于

16MHz 時(shí)性能高達(dá)16MIPS。

(3) 內(nèi)部集成16KB Flash，1KB 的SRAM 和512B 的E2PROM。

(4)32 個(gè)準(zhǔn)雙向I/O 引腳，20 個(gè)中斷源，其中外部中斷源為2 個(gè)，1 個(gè)SPI

接口和1 個(gè)USART，2 個(gè)8 位定時(shí)器和一個(gè)16 位定時(shí)器，3 個(gè)PWM 通道，8

路10 位的A/D 通道。

(4) 具有空閑、省電、掉電、等待和ADC 降噪等多種功作模式和上電復(fù)位、

外部復(fù)位、看門狗復(fù)位和BOD(電源電壓欠壓和過壓檢測)等多種復(fù)位電路。。

(5) 符合IEEE1149.1 標(biāo)準(zhǔn)的JTAG 接口，可實(shí)現(xiàn)對片內(nèi)存儲(chǔ)器的編程和程

序調(diào)試。具備ISP 和IAP 功能。

(6)系統(tǒng)時(shí)鐘為0-16MHz，可外接晶體振蕩器，也可用片內(nèi)振蕩器，ATmega16

提供0-8MHz 可校準(zhǔn)的內(nèi)部時(shí)鐘，在對時(shí)鐘要求不很嚴(yán)格的場合可用內(nèi)部時(shí)鐘，

可以節(jié)省成本和降低EMI。

(7)工作電壓、速度及功耗。ATmega16L：2.7-5.5V，0-8MHz，ATmega16：

4.5-5.5V，0-16MHz。ATmega16L 在1MHz，3V，25℃時(shí)功耗為：正常模式：1.1mA，

空閑模式0.35mA，掉電模式：小于1μA。

(8)DIP40 或TQFP44 封裝。

3.2 AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)

AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路和ISP 下載下線接口及ATmega16構(gòu)成。如下圖3-1 所示。

雖然AVR 單片機(jī)內(nèi)部帶有0-8MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘，但為了系統(tǒng)時(shí)序穩(wěn)定，工作可靠，這里采用了由8MHz 的石英晶振構(gòu)成的振蕩器作為單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘。R23、C23 和S1 構(gòu)成上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路。P14 為AVR 單片機(jī)的ISP 下載接口。C27、C24，L1、C26 分別構(gòu)成數(shù)字電路和內(nèi)部模擬電路電源濾波電路，C25 為A/D 轉(zhuǎn)換所用內(nèi)部參考源的濾波電容。單片機(jī)的管腳分配如下表3-1 所示。

3.3 雙極性PWM 波形產(chǎn)生與死區(qū)發(fā)生

3.2.1 PWM波的產(chǎn)生

PWM 波形由控制芯片ATmega16 的定時(shí)器T/C1 產(chǎn)生，從OC1A(PD5)引腳輸出。ATmega16 的T/C1 是一個(gè)可編程的16 位雙向的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，既可以在系統(tǒng)時(shí)鐘作用下作為16 位定時(shí)器使用，也可以對T1 引腳上的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以在OC1A 和OC1B 引腳上輸出兩路PWM 波形，并可在ICP 引腳上輸入脈沖作用下捕捉一次TCNT1 中瞬時(shí)計(jì)數(shù)值。這里我們不詳細(xì)介紹T/C1 的所有功能，只闡述其產(chǎn)生PWM 的波形的過程。與T/C1 有關(guān)的工作寄存器有：T/C1 計(jì)數(shù)器TCNT1、輸出比較匹配寄存器OCR1A 和OCR1B 以及輸入捕捉寄存器ICR1，均為16 位，由相應(yīng)的8 位I/O 寄存器拼裝而成;T/C1 控制寄存器TCCR1A 和TCCR1B，用于設(shè)定T/C1 的工作模式。T/C1 的工作模式由一般模式、比較匹配時(shí)清零定時(shí)器(CTC)模式以及兩種PWM 等15 種。PWM 模式中，又可分為8 位、9 位、10 位PWM，其中又有快速模式和相位頻率可調(diào)模式。PWM 波形位數(shù)越高，則其波形輸出精度也越高，但其相應(yīng)頻率也越低。為使電機(jī)電流連續(xù)，PWM 波形頻率不能太低。在快速PWM 模式下，TCNT1 為加“1”計(jì)數(shù)器，可以從0000H 一直加到TOP值，并在下個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)清零，然后再從0000H 開始加“1”計(jì)數(shù)，并重復(fù)上述過程。相比于其他兩種PWM(相位可調(diào)及相位頻率可調(diào))模式，快速PWM模式頻率要高出一倍，適合功率調(diào)節(jié)、電機(jī)控制等。因此我們選擇快速PWM模式。

OC1A 或OC1B 引腳上PWM 輸出波形的頻率由下式確定，式中的N 取值為1、8、64、254 或1024(分別代表分頻系數(shù))。

fCLK_IO 為時(shí)鐘頻率，為8MHz，取N=1，即不對時(shí)鐘進(jìn)行分頻，TOP 值代表CNT1 計(jì)數(shù)的最大值，跟PWM 位數(shù)有關(guān)，當(dāng)選擇8 位快速PWM 模式時(shí)，TOP=255，則輸出頻率為31.25KHz;選擇9 位快速PWM時(shí)，TOP=511，則輸出頻率為15.6KHz，綜合比較，選擇9 位快速PWM 輸出模式，能同時(shí)滿足頻率和精度的要求。頻率確定后，還需確定占空比(波形)。引腳OC1A 或OC1B 的輸出波形取決于觸發(fā)器OC1A 或OC1B。在T/C1 設(shè)置成反向比較匹配輸出模式下時(shí)，若TCNT1 中計(jì)數(shù)值和OCR1A 或OCR1B 中比較值匹配相等時(shí)，OC1A 或OC1B 觸發(fā)器被清零，OC1A 或OC1B 引腳輸出低電平;若TCNT1 中計(jì)數(shù)值繼續(xù)計(jì)數(shù)到TOP 值并由此而返回0000H，則OC1A 或OC1B 被置位，OC1A 或OC1B 輸出高電平。工作時(shí)序如圖3-2 所示。當(dāng)TCNT1 中的計(jì)數(shù)值達(dá)由TOP 值變?yōu)?000H 時(shí)，T/C1 產(chǎn)生溢出中斷，置位中斷標(biāo)志位TOV1，若中斷是開放的，則MCU 會(huì)立即轉(zhuǎn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序。TOV1 也由硬件自動(dòng)清零，向該標(biāo)志位寫”1”則由軟件清除該標(biāo)志位。在中斷服務(wù)程序中改變OCR1A 的值，則其PWM 波形占空比會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化 。圖3-2 T/C1 反向比較匹配輸出模式工作時(shí)序本系統(tǒng)中，我們只需要一路PWM 信號即可，這里用OC1A 引腳產(chǎn)生，采用9 位快速PWM 模式，頻率為15.6KHz，當(dāng)要改變輸出占空比時(shí)，改變OCR1A的值即可。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)信號形成及死區(qū)發(fā)生

H橋要由4 路其中兩路反向的波形來驅(qū)動(dòng)，因此需將PWM 波形進(jìn)行反向處理。此外，還需加入防止H 橋上下臂直通的延時(shí)電路。如圖3-3 所示。

EN 為PWM 輸出使能信號，當(dāng)EN 為低電平時(shí)，封鎖輸出與門，輸出全為低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)。同時(shí)輸出與門也起著整形的作用。PWM 信號一路直接輸入與門，另一路經(jīng)反向后送入與門，增加其驅(qū)動(dòng)能力。D1、R5、C9，D3、R9、C12構(gòu)成死區(qū)發(fā)生，利用阻容充電，使波形緩慢上升，再利于與門的閾值電壓(VCC/2,這里為2.5V)對波形進(jìn)行整形。下降沿時(shí)，電容通過二極管進(jìn)行快速放電，這樣就行成了導(dǎo)通延時(shí)。各點(diǎn)波形如圖3-4 所示。更新OCR1A或OCR1B的值，置位TOV1中斷標(biāo)志標(biāo)志位TCNT1OC1A或OC1B死區(qū)時(shí)間為△t，對MOSFET，死區(qū)時(shí)間可取0.2-1μs。本文將R5 和R9 用可變電阻代替，將死區(qū)時(shí)間設(shè)為500ns。

經(jīng)過該電路處理后，一路PWM 信號變成4 路PWM 信號，其中PA、PC 同相，PB、PD 也同相，這兩組信號互為反相且存在死區(qū)。

圖 3-4 死區(qū)波形