测控相关技术简介课件.ppt

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1、测控相关技术简介,林培杰2009.7,84,1,测控相关技术简介林培杰841,内 容,电机及驱动,4,概述,1,主控处理器选型,2,常用传感器介绍,3,供电系统,5,84,2,内 容电机及驱动4概述 1主控处理器选型2常用传感器介绍,1.概述,一般测控系统的基本组成部分,84,3,1.概述一般测控系统的基本组成部分843,2.主控处理器选型,目前可采用的主控处理器主要有: 单片机 (80C51，C8051F，PIC，） DSP （TI公司的TMS320C2000系列） 嵌入式处理器（ARM7：S3C44B0X，） FPGA （Xilinx公司的Spartan II系列, Spartan III

2、系列，）可用于扩展处理器外围逻辑的器件： CPLD （ Xilinx公司的XC9500系列，CoolRunner系列，）,84,4,2.主控处理器选型目前可采用的主控处理器主要有:844,2.1 单片机主控处理器,优点：使用简单价格便宜，外围电路简单缺点：功能相对简单大多数情况下需要仿真器和编程器可选型号：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列,84,5,2.1 单片机主控处理器优点：845,2.2 DSP主控处理器,TI公司用于电机控制等领域的DSP有如下优点：专为电机控制设计，具有许多电机控制所需要的片上外设，如PWM发生器，正交编码器外围电路简单（片上集成Flash和SRAM

3、）开发较容易价格适中DSP的缺点：需要仿真器可选型号：TMS320LF2407TMS320LF2812,84,6,2.2 DSP主控处理器TI公司用于电机控制等领域的DSP有,2.3 嵌入式主控处理器,嵌入式处理器目前应用很广，其优点有：性能较强，有丰富的片上外设，大多数处理器带有PWM模块可以移植操作系统（uClinux，Linux等），为使用USB摄像头等提供了可行方案有丰富的开发资料可以参考不需要仿真器嵌入式处理器的缺点：外围电路复杂，多数情况下需要扩展Flash和SDRAM如果采用现成的开发板成本较高基于操作系统环境，移植USB摄像头等难度较大,84,7,2.3 嵌入式主控处理器嵌入式

4、处理器目前应用很广，其优点有：,可选型号：ARM7 系列：三星公司的S3C44B0X （片上外设丰富，有PWM发生器，需要外扩Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飞利浦公司的LPC213X系列（更像一块高性能的单片机，片上外设丰富，有PWM发生器，片上集成Flash和SRAM，外围电路简单，不需要仿真器。）ARM9 系列：三星公司的S3C2410 （功能相当强大，系统复杂，有移植好的Linux，为使用USB摄像头等提供了可能）,84,8,可选型号：848,2.4 FPGA主控处理器,FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程器件，其优点有：器件可编程，可以根据自己需要

5、添加各种外设，使得开发具有极大灵活性在Xilinx公司的FPGA的一些系列FPGA上可以使用Picoblaze、Micoblaze等处理器软核，使得FPGA变成一片32位的嵌入式处理器，极大的方便了开发使用处理器软核可在线调试，不需要仿真器外围电路极其简单价格适中FPGA的缺点：不同于一般的MCU，开发过程中会使用到硬件描述语言，对没有基础的同学来说起步相对较难可选型号：Xilinx公司的SpartanII系列FPGA，如XC2S500等,84,9,2.4 FPGA主控处理器FPGA（现场可编程门阵列）是一种,2.5 CPLD用于外扩逻辑,CPLD也是一种硬件可编程器件，其工作原理和FPGA基

6、本一样，但CPLD门数较小，价格便宜，其用途有：扩展主控处理器没有的外设功能，如正交编码单元，PWM发生器等实现主控处理器与外设的时序转换实现各种数字逻辑，简化外围电路设计可选型号：Xilinx公司的XC9500系列（XC9572）,84,10,2.5 CPLD用于外扩逻辑CPLD也是一种硬件可编程器件,3. 常用传感器介绍,在测控题目中，传感器占有重要位置。在设计中，传感器通常可以完成寻线，视觉，测距，辨识目标等功能。常用的传感器有：红外传感器超声波传感器光敏传感器CCD,84,11,3. 常用传感器介绍在测控题目中，传感器占有重要位置。在设,3.1 红外传感器,红外传感器由红外发射二极管和

7、红外接收三极管构成。通常使用的红外光波长是940nm。,红外发射二极管 红外接收三极管,84,12,3.1 红外传感器红外传感器由红外发射二极管和红外接收三,为了提高抗干扰能力，发射管发射的红外光通常被调制到38KHz的频率。为了提高红外灵敏度和作用范围，通常调制波的占空比较小但幅值很大。,84,13,为了提高抗干扰能力，发射管发射的红外光通常被调制到38KH,红外接收管通常分为分离式红外三极管和一体化红外接收管。红外三极管集、射级加一电压，当接收到红外光时集射级电流较大，当没有红外光时集射级电流较小。使用较为麻烦，需要自己用锁相环对38KHz红外光进行锁相检测。一体化红外接收管如图所示。当接

8、收管接受到38KHz红外光时输出高电平或脉冲，否则输出低电平。使用简单，但体积略大。,84,14,红外接收管通常分为分离式红外三极管和一体化红外接收管。84,红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离。可用于探测目标物和电机测速。反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物或反光物质时，接收管收到反射回来的红外线才工作。可用于寻线，探测目标物等。常用型号HS0038A,HS0038B。,84,15,红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。,3.2 超声

9、波传感器,超声波传感器由超声波发生器和超声波接收器组成。,超声波发生器 超声波接收器,84,16,3.2 超声波传感器超声波传感器由超声波发生器和超声波接收,实际应用中，采用的超声波频率通常为40KHz，即加在超声波发生器两端的方波电压频率为40KHz。,84,17,实际应用中，采用的超声波频率通常为40KHz，即加在超声波,超声波接收器是一种无源器件，它能将接收到的超声波能量转化成电压信号输出。此输出电压幅值较小，需要经过放大并通过锁相环识别才能成为MCU能处理的逻辑信号。,84,18,超声波接收器是一种无源器件，它能将接收到的超声波能量转化成,超声波传感器主要用于探测前方物体和测距。超声波

10、发生器发出的超声波碰到前方障碍物后被反射回来并被超声波接收器接收。通过计算发出超声波与接受到超声波的时间差可以计算出前方障碍物的距离。和红外传感器相比，超声波传感器在测距和探测障碍物方面精准度和作用范围都好很多。通常超声波测距距离可达510米，精度可达0.1米。超声波在空气中的传播速度与声速相同，与温度有关。,84,19,超声波传感器主要用于探测前方物体和测距。超声波发生器发出,3.3 光敏传感器,常用的光敏传感器包括：光敏电阻光敏二极管光敏三极管光敏传感器可以用在可见光反射寻物，电机测速等方面。,84,20,3.3 光敏传感器常用的光敏传感器包括：8420,光敏电阻是一种阻值随光照强度变化而

11、变化的电阻。其优点包括灵敏度高，光谱特性好，体积小，重量轻和成本低等。,84,21,光敏电阻是一种阻值随光照强度变化而变化的电阻。其优点包括,光敏二极管和一般的二极管相似。但光敏二极管一般工作在反偏状态下。无光照时光敏二极管的反向电流很小，当有光照时反向电流增加。,84,22,光敏二极管和一般的二极管相似。但光敏二极管一般工作在,光敏三极管和红外接收管相似。它除了把光信号转换成电流信号外，同时又将电流信号加以放大。因此光敏三极管的光电流比相同管型的二极管光电流大很多。,84,23,光敏三极管和红外接收管相似。它除了把光信号转换,3.4 CCD/CMOS摄像头,典型的USB摄像头组成框图,左：C

12、MOS 传感器右：CCD 传感器,84,24,3.4 CCD/CMOS摄像头典型的USB摄像头组成框图左：,方案一：在uClinux/Linux下移植USB摄像头驱动 方案二：采用现成的USB摄像头，不用其接口芯片，而直接用MCU控制感光传感器，得到需要的视频信号。（例如采用CMOS传感为HY7131R/镁光 MI360的摄像头） 方案三：采用手机摄像头。（例如采用OV9650的摄像头）,注意： 如果采用方案二、三，最重要的是能否找到对应芯片的datasheet,84,25,方案一：注意：8425,4. 电机及驱动,测控中可能用到的电机包括：直流电机有刷直流电机无刷直流电机步进电机,84,26

13、,4. 电机及驱动测控中可能用到的电机包括：8426,4.1 直流电机,直流电机主要包括有刷直流电机和无刷直流电机。这里主要讨论有刷直流电机（下简称直流电机）。 直流电机的参数主要有： 功率W 输出力矩 N 最高转速rpm 电压V 电流I,84,27,4.1 直流电机 直流电机主要包括有刷直流电机和,直流电机的工作特性:转速 n=n0 keI (n0是空载转速，ke是转速常数，I是电流）输出转矩 T=kmI (km 是转矩常数，I是电流）电机电动势 Eken电流 I（UE）/r0 (U 是加在电机两端的电压，r0是电机绕组的内阻）,直流电机的工作特性曲线,84,28,直流电机的工作特性:直流电

14、机的工作特性曲线8428,直流电机多采用PWM（脉宽调制）方式进行控制。其加在电机两端的电压为PWM波：,由此可见,电机电压的平均值与PWM波的占空比成正比，可以通过调节占空比实现直流电机的调速。通常情况下，PWM波的频率为几十KHz。,84,29,直流电机多采用PWM（脉宽调制）方式进行控制。其加在,直流电机的PWM调速通常由H桥实现。,84,30,直流电机的PWM调速通常由H桥实现。8430,常用H桥芯片：L298N（电流2A）,84,31,常用H桥芯片：L298N（电流2A）8431,电机通常采用码盘反馈速度和转向：,光学式码盘： 码盘 发射端：红外发射器或可见光源 接收端：红外接收器或

15、光敏器件,84,32,电机通常采用码盘反馈速度和转向：光学式码盘：8432,直流电机控制系统：,84,33,直流电机控制系统：8433,4.2 步进电机,步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。其特点有： 可以根据控制转过精确的角度 无需反馈，是一个半闭环系统 步距误差不会积累 停止时有自锁功能 多数情况下需要使用步进电机专用驱动器,84,34,4.2 步进电机 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制,4.2.1 步进电动机种类,84,35,4.2.1 步进电动机种类8435,(1)结构分析,定子,4.2.2 步进电动机的工作原理,84,36,(1)结

16、构分析定子4.2.2 步进电动机的工作原理8436,转子,转子,84,37,转子转子8437,(2)工作原理,步进电动机结构原理图,齿距：步进电机的转子上均匀地分布着40个齿，齿间（齿距）夹角为9（360/40）,定子上有6个大齿，相差180的两个大齿组成一相，共有A、三相。每个大齿上有若干个与转子上一样的小齿。定子的每一相都有励磁绕组。,84,38,(2)工作原理步进电动机结构原理图齿距：8438,错位,步进电动机结构原理图,当A相定子齿和转子齿对齐，若和A相磁极中心对齐的转子齿为1号齿，因B相磁极与A相磁极差120，且120/9=13（1/3），故转子齿不能与B相定子齿对齐，只有13号小齿

17、靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3,84,39,错位步进电动机结构原理图8439,电机转动的工作原理,总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因,84,40,电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因844,步距角绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，即转过一定的角度。,步距角,84,41,步距角绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，即转过,目的,当定子绕组按一定顺序轮流通电时，转子就沿一定方向一步步转动。因此步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现该种轮流通电，要将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。,(3)步进电动机的控制原理,84,42,目的 当定子绕

18、组按一定顺序轮流通电时，转子就沿一定方向,84,43,8443,步进电机的运行方式三相三拍运行方式当A相通电时，B相、相不通电：A相定子上的齿与转子上的齿对齐（通电后磁场力作用的结果），迫使电机旋转3,B相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿3,C相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿6,84,44,步进电机的运行方式8444,当B相接通电时，A相、C相不通电：B相齿对齐，电机旋转3；C相超前3相超前当C相通电时，B相、A相不通电:C相齿对齐，电机旋转3；A相超前3；相超前6,84,45,当B相接通电时，A相、C相不通电：B相齿对齐，电机旋转3；,因此，如果定子A、B、C三相按 ABCA 的顺序依

19、次通电，则步进电机将不断地按顺时针方向转动。每一次通电转，每三次通电才走完一个齿距，因此叫三相三拍。 每一次通电转动的固定角叫步距角。 显然，三相三拍运行时，步距角。,84,46,因此，如果定子A、B、C三相按8446,假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相对齐后就停止转动，叫做位状态。 如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按 ACBA 进行时，则电机反时针旋转，叫反转。 可见控制步进电机正转反转只是三相绕组通电顺序不同而已。,84,47,假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相,三相六拍运行方式 当A相通电时，A相定子齿与转子齿对齐，此后，如果让A、B两相同时通电，可以发

20、现转子转动15。再让A相断电、B相通电，又可发现转子再转1.5。 所以按照 AABBBCCCAA 的顺序控制，电机将按顺时针方向旋转，每步转动15，即步距角=15，由于要经过6步才走完一个齿距（615=9），所以叫三相六拍。,84,48,三相六拍运行方式8448,如果要使步进电机反转，只要按 AACCCBBBA顺序通电就行了。 结论：从上面两种运行方式可看出，错齿是促使步进电机旋转的根本原因，当某相通电，相应的齿对齐，迫使电机旋转一个步距角，未通电的各相的齿出现了新的错位。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。 讨论：三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位更精确？,84,49,如果

21、要使步进电机反转，只要按8449,(4)步进电机有如下特点：给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。,84,50,(4)步进电机有如下特点：8450,423 步进电机控制系统原理,步进电机控制系统的组成图,84,51,423 步进电机控制系统原理步进电机控制系统的组成图,（1）步进控制器 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转向控制门等。 作用: 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。 采用计算机控制系统

22、，由软件代替步进控制器。 优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高。灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。（2）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。,84,52,（1）步进控制器 8452,84,53,用微型机控制步进电机原理系统图8453,两图相比：用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。,84,54,两图相比：8454,(1) 用软件的方法实现脉冲序列； (2) 步进电机的方向控制； (

23、3) 步进电机控制程序的设计。,424 系统主要解决几个问题,84,55,(1) 用软件的方法实现脉冲序列；424 系统主要,（1）脉冲序列的生成,脉冲序列图,84,56,（1）脉冲序列的生成脉冲序列图8456, 脉冲幅值由数字元件电平决定。 接通和断开时间可用延时的办法控制。 要求：确保步进到位。,84,57,8457,改变通电顺序可以改变步进电机的转向,（2）方向控制,84,58,改变通电顺序可以改变步进电机的转向 步进电机旋转方向与,用微型机输出接口的每一位控制一相绕组。【例如】用 8255 控制三相步进电机时，可用 PC.O、 PC.1、PC.2 分别接至步进电机的A、 B、 C 三相

24、 绕组。根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。 上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：,（3）步进电机通电模型的建立,84,59,用微型机输出接口的每一位控制一相绕组。（3）步进电机通电模型, 三相单三拍,84,60, 三相单三拍控 制 位 工 作 状 态 控 制 模, 三相双三拍,用 P1口 的 P1.2 、P1.1、P1.0 对应 C、B、A 相 进行控制 。,84,61, 三相双三拍用 P1口 的 P1.2 、P1.1、P1.0,同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型： 双三拍 03H，06H，05H 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以

25、上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。,84,62,同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：8462,425 步进电机与微型机的接口及程序设计,（1）步进电机与微型机的接口电路由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如 8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，例如ULN2800达林顿管；也可以是专门的驱动器，例如62803等。 光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，,84,63,425 步进电机与微型机的接口及程序设计（1）步进电机,由于步进电机运行时功

26、率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如下图,84,64,由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光,步进电机与微型机接口电路,0,0,1,0,1,1,1,0,0,84,65,步进电机与微型机接口电路0010111008465,只要按一定的顺序，改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。,84,66,只要按一定的顺序，改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，,步进电机程序设计的主要任务是： 判断旋转方向； 按顺序传送控制脉冲； 判断所要求的控制步数是否传送完毕。程序框图下面以三相双三拍为例说明这类

27、程序的设计.,（2）步进电机程序设计,84,67,步进电机程序设计的主要任务是：（2）步进电机程序设计8467,三相双三拍步进电机控制程序流程图,84,68,三相双三拍步进电机控制程序流程图8468,ORG0100HROUNT1：MOVA，#N；步进电机步数A JNB00H，LOOP2；反向，转 LOOP2LOOP1： MOVP1，#03H；正向，输出第一拍 ACALLDELAY；延时 DECA；A0，转DONE JZDONE MOVP1，06H；输出第二拍 ACALLDELAY；延时 DECA；A0，转DONE JZDONE MOVP1，05H；输出第三拍 ACALLDELAY；延时 DEC

28、A；A0，转LOOP1 JNZLOOP1,程序。根据上图可写出如下步进电机控制程序,84,69,ORG0100H程序。根据上图可写出如下步进电机控,AJMP DONE ；A0，转DONELOOP2： MOV P1，03H；反向，输出第一拍 ACALL DELAY ；延时DEC A；A0，转DON JZ DONE MOV P1，05H；输出第二拍 ACALL DELAY；延时 DEC A JZ DONE； MOV P1，06H；输出第三拍 ACALL DELAY；延时 DEC A ；A0，转LOOP2 JNZ LOOP2DONE： RETDELAY： ,84,70,AJMP DONE ；A,对于

29、节拍比较多的控制程序， 通常采用循环程序进行设计。,84,71,8471,作法：把环型节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中，逐一从单元中取出控制模型并输出。节拍越多，优越性越显著。 以三相六拍为例进行设计， 其流程图如下图所示。,（3）循环程序,84,72,作法：（3）循环程序8472,84,73,三相六拍步进电机控制程序框图ROUTN2LOOP0LOOP2,ORG8100HROUTN2：MOVR2，COUNT；步进电机的步数LOOP0： MOVR3，#00HMOV DPTR，#POINT；送控制模型指针JNB00H，LOOP2；反转，转LOOP2LOOP1： MOVA，R3；取控制模型MOV

30、CA，A+DPTRJZLOOP0；控制模型为00H，转LOOP0MOVP1，A；输出控制模型ACALLDELAY；延时INCR3；控制步数加1DJNZR2，LOOP1；步数未走完，继续RET,根据上图所示三相六拍步进电机控制程序如下：,84,74,ORG8100H根据上图所示三相六拍步进电机控制程序,LOOP2： MOV A，R3；求反向控制模型的偏移量 ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1DELAY： ；延时程序 POINT DB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H ；正向控制模型 DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H ；反

31、向控制模型COUNT EQU 30H, POINT EQU 0150H,84,75,LOOP2： MOV A，R3；求反向控制模型的偏移,426 步进电机步数及速度的确定方法,两个重要的参数:步数 N 控制步进电机的定位精度。延时时间 DELAY 控制其步进的速率。,84,76,426 步进电机步数及速度的确定方法两个重要的参数:84,小结：,步进电动机由定子和转子两大部分组成。错齿是促使步进电动机旋转的根本原因。每运行一拍，转子就转过一个步距角。单片机控制系统用单片机代替步进控制器。步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关,84,77,小结：步进电动机由定子和转子两大部分组成。8477,5.

32、 供电系统,测控系统可采用的供电方式主要是电池供电。常用的电池类型有： 碱性电池 镍氢电池 锂电池 电池选取的主要参数： 电池组电压 （ie:12V） 电池组的容量 （ie:2200mAH） 电池组的最大输出电流 （ie：10A）,84,78,5. 供电系统 测控系统可采用的供电方式主要是电,5.1 降压的实现措施,通常情况下，机器人使用的电池为十几伏，而很多芯片的供电电压为5V，3.3V，甚至1.8V。因此需要采用降压电路来得到需要的电压。降压电路分为两类： 线性降压电路 优点：简单，可靠性较高 缺点：效率低，器件发热厉害 开关型降压电路 优点：效率高，器件发热量小 缺点：电路较为复杂,84

33、,79,5.1 降压的实现措施 通常情况下，机器人使用的电池为十,LDO方案,84,80,LDO方案8480,采用LM2576得到5V电压的开关式降压电路,DC-DC器件方案,84,81,采用LM2576得到5V电压的开关式降压电路DC-DC器件,输入电容,电感,输出电容,84,82,输入电容电感输出电容8482,采用TPS767D318得到3.3V和1.8V电压的线性降压电路,专用电源芯片方案,84,83,采用TPS767D318得到3.3V和1.8V电压的线性,5.2 获得负电压的措施,一些模拟器件如运放等可能需要正、负双电源供电，这样就需要将正电压转换成负电压。电压极性转化常用BuckBoost型开关变换电路实现。,采用LM2576得到12V电压的典型电路,84,84,5.2 获得负电压的措施一些模拟器件如运放等可能需要正、负双,Class is over.Bye-bye!,84,85,Class is over.Bye-bye!8485,