维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第６期 电子工露师 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．６ ２００８年６月 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＥＮＧＩＮＥＥＲ Ｊｕｎ．２００８ 基于实验箱的步进电机转速的监控 杨辉媛 ，谭伟杰 ，满益彩 （１．湖南省吉首大学物理科学与信息工程学院，湖南省吉首市４１６０００； ２．湖南省慈利县第二职中，湖南省张家界市４２７２００） 摘 要：阐述了步进电机调速和测速的监控设计，立足于ＤＶＣＣ一８０８６ＪＨ微机原理实验箱的资源， 采用．ＮＥＴ编写控制端程序，以控制作为监控系统下位机的微机原理实验箱，结果表明本系统调速能 力好，测速精度高，有一定的实用价值，也是在新的技术条件下对Ｐｃ控制程序开发方法的一种探索。 关键词：步进电机；转速监控；ＰＣ控制；．ＮＥＴ ２．０ 中图分类号￣ＴＮ９９；ＴＭ３０１．２ ０引言 ａ）测速过程：在微机原理实验箱上，有一片定时／ 计数器８２５３芯片，它是测速的关键部件，对它编程使 ＤＶＣＣ一８０８６ＪＨ型微机原理实验箱是学生开展微 其工作在定时１ Ｓ的工作状态，每当延时结束，就向下 机原理实验的主要设备，该仪器增加了实验系统的开 位机主板的８２５９中断芯片申请中断。接着ＣＰＵ就会 放能力和灵活性，它不仅使一些典型的微机硬件接口 中断步进电机的控制主程序，转向测速中断处理程序。 实验更方便，而且对一些计算机硬件要求较高的专业 该中断处理程序的处理过程比较简单，它会读取步进 提供了锻炼学生的动手能力、发挥创造才能的实验平 电机的转动圈数寄存器，并把该数据封装成一个电机 台。步进电机的转动状态包括转速和转向，转速值以 状态数据包，通过串口发送出去，然后把转动圈数寄存 圈／ｓ为单位，而转向有顺时针方向和逆时针方向，分 器清零再返回。当上位机收到下位机传来的转速状态 别用正／反来表示。步进电机转动的快慢是由脉冲控 包后，就会从中解析出转速和转向信息，并经过一系列 制信号的频率决定的。实验箱上的控制信号一般通过 的处理后，送给控制界面中ｌａｂｌｅ控件显示给用户。其 计数／定时器８２５５传送，控制每步的延时，就可以实现 工作流程如图１（ａ）。 速度的调节。同时，若能对送出的脉冲信号在一定时 ｂ）调速过程：用户可方便地使用客户端界面中提 间内进行计数，就可以算出相应的速度值。计数／定时 供的控件进行调节速度值，速度值变化后会被封装成 器８２５３可精确产生这一时段，作为显示转速处理的中 数据包，通过串口发送给下位机，下位机检测到上位机 断源。在完成速度的测量和调节的过程中，实验箱必 的调速数据包时，再解析出转速和转向信息，分别给设 须通过串口把转速数据发送给控制机，同时也要及时 置相应转速和转向寄存器。速度寄存发送变化后，延 接收来自上位机的控制数据，实现监控系统的通信。 时参数随之发生变化。调速过程工作流程如图１（ｂ）。 １转速监控系统设计 ８２５３中断（每隔１ ｓ） 用户界面转速值 Ｉ Ｉ １．１系统组成及系统工作流程 读转速寄存器 送上位机的串口发送 转速监控系统由ＰＣ控制机的显控台和下位机的 ｛ Ｉ 电机控制系统两大部分组成。Ｐｃ控制机运行监控客 调串口发送该值 调下位机串口接收 Ｊ 户端，实现与用户交互功能，用户通过该界面观测步进 Ｉ 转速寄存器清零 回节步进电机脉冲延时 电机的转速和转向等状态信息，同时也可设置相应的 Ｉ Ｊ 状态值。下位机则实时将自身的转速及转向信息报告 ｌ 中断返回 用新延时运转电机 （ａ）测速过程工作流程 （ｂ）调速过程工作流程 给上位机，并及时检测上位机发来的指令，以调整自身 转动状态。 图１测速过程和调速过程工作流程 该系统主要完成测速和调速两大功能，其工作原 １．２协议数据 理流程如下： 协议数据是Ｐｃ控制机与下位机传递信息的载 收稿日期：２００８－０２—１４；修回日期：２００８－０５—１９。 体，由于本系统只在上下微机之间传递转速和转向信 ・７７・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
・电子技术应用・ 电子工程师 ２００８年６月 赛’内， 最高位用来指示转向，嘉 曼 剩余的比特位用来表示速 ２转速监控系统下位机控制部分的设计 尬皿 ｌ’ｌ Ｌ 删Ｈｐ万ＨＪ．汉 Ｉ 度。另外，在数据字节之前，加上了１个字节的地址， 这个地址在客户端被识别为设备编号。 ２．１系统硬件连接 系统硬件连接图如图２所示。 图２系统硬件连接 ２．２ ＤＶＣＣ－８０８６ＪＨ系统资源分配 微机原理实验箱作为监控系统的下位机，为步进 电机的监控提供了丰富的可利用资源。８０８８微机存 图３是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意 图。 储空间为１ ＭＢ，系统提供用户使用的空间为０００００Ｈ ～０ＦＦＦＦＨ，用于存放调试实验程序，具体分配如下：中 断矢量区为０００００Ｈ一００ＦＦＨ；系统数据区、系统栈区 为００１００Ｈ～００４ＦＦＨ；用户数据区为００５００Ｈ～ ００ＦＦＦＨ；用户程序区、用户栈区为０１０００Ｈ～０ＦＦＦＦＨ。 中断矢量区０００００Ｈ～０００１３Ｈ作为单步（Ｔ）、断 点ＩＮＴ３、无条件暂停（ＮＭＩ）中断矢量区，用户也可以 更改这些矢量，指向用户的处理，但失去了相应的单 步、断点、暂停等系统功能。 （ａ） （ｂ） （ｃ） 图３ 四相可变磁阻型的步进电机结构示意图 这种电机定子上有８个凸齿，每一个齿上有一个 线圈。线圈绕组的连接方式是对称齿上的２个线圈进 行反相连接。８个齿构成４对，所以称为四相步进电 机。它的工作过程如下：当有一相绕组被激励时，磁通 从正相齿经过软铁心的转子，并以最短的路径流向负 ２．３步进电机控制方式 步进电机控制系统由环形脉冲、功率放大等组成。 脉冲信号一般由单片机或ＣＰＵ产生，一般脉冲信号的 占空比约为０．３～０．４，电机转速越高，占空比则越大。 ．相齿，而其他６个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短， ７８・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３４卷第６期 杨辉媛，等：基于实验箱的步进电机转速的监控 ・电子技术应用・ 在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿 与被激励的一相对准。在图３（ａ）中Ａ相是被激励，转 子上箭头所指向的那个齿，与正向的Ａ齿对准。从这 后者控制速度范围的大小。因此，测试方案的制定将 围绕这２个参数展开。在测试方案表中，控制值是指 由上位机的客户端发下来的控制数据包中的控制值， 延时是指该控制值对应的下位机送给步进电机的延时 参数，对应的速度是提供给用户的速度值。测试方案 见表１。 表１测试方案表 个位置再对Ｂ相进行激励，如图３（ｂ）所示，转子向反 时针转过ｌ５。。若是Ｄ相被激励，如图３（Ｃ）所示，则 转子为顺时针转过１５。。下一步是Ｃ相被激励。Ｃ相 有２种可能性：Ａ．Ｂ—Ｃ．Ｄ或Ａ－Ｄ－Ｃ．Ｂ，一种为反时针转 动，另一种为顺时针转动，但每步都使转子转动ｌ５。。 电机步长（步距角）是步进电机的主要性能指标之一， 不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制 绕组数（相数）或极数（转子齿数），可以改变步长的大 小。它们之间的相互关系可由下式计算： Ｌ０＝３６０ＰＮ 式中：￡。为步长；Ｐ为相数；Ｎ为转子齿数。 在图３中，步长为ｌ５。，表示电机转一圈需要２４ 步。 当电机绕组通电时序为ＡＢ－ＢＣ－ＣＤ．ＤＡ或（ＡＢ— ＡＢ一 豆一ＡＢ）时，机电为正转，通电时序为ＤＡ．ＣＡ． ＢＣ－ＡＢ或（ＡＢ—ＡＢ—ＡＢ—ＡＢ）时，电机为反转。 ３转速监控系统上位机客户端部分设计 ３．１运行环境 客户端显控台是用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ｝≠编写Ｗｉｎｄｏｗｓ应用 程序，ｃ｝≠是微软公司推出的下一代程序开发语言，是 微软．ＮＥＴ框架中的的一个重要组成部分。微软的 ．ＮＥＴ平台堪称为新一代互联网平台。对于技术开发 人员来说，．ＮＥＴ平台的两大特性是非常卓越的：一是 其所提供的公共语言运行时，也就是公用语言运行平 台；二是其庞大而全面的统一编程类。Ｖｉｓｕａｌ Ｃ｝≠就是 通过调用这些类、对象来实现许多比较强大的功能。 当前．ＮＥＴ平台的最新版本是．ＮＥＴ ２．０，由于本软件 的串行口通信模块采用２．０中新增的串口类编写，所 以运行本软件必须安装了Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ．ＮＥＴ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ２．０版可再发行组件包，该组件支持常用的Ｗｉｎｄｏｗｓ 操作系统。 ３．２客户端数据处理流程 ＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类提供串口的收发功能，数据的处理以 它为基础，实现协议包的传递，而Ｍｏｔｏｒ则是对包中描 述的步进电机的抽象，它还原出了协议数据包描述的 步进电机状况。ＮｕｍｅｒｉｃＵｐＤｏｗｎ控件ＴｒａｃｋＢａｒ控件是 构建这个结构的数据来源。 ４系统测试和结果分析 系统经过实验准确地得到步进电机每圈所需的脉 冲以及每步的延时，前者将制约检测的转速的精度，而 速度的测量采用人工计数方式，即数够一定的转 动圈数，记录下对应的时问。这里选择了３次测量 １ ６００步用时的方法计算出速度值。速度测试见表２。 表２速度测试表 测试结果见表３。 表３测试结果表 通过表１、表２与表３的对比，可以看出，该软件 已达到了预期的设计目标。 ５结束语 在Ｐｃ控制的软件开发中，上位机与下位机的控 制方式、协议数据包以及划分双方数据处理功能是很 重要的几个方面，在采用．ＮＥＴ编写控制端时，一方面 要注意充分利用．ＮＥＴ的强大功能，同时也应更合理 地抽象出控制对象的类。只有在充分考虑各方面实 际情况的基础上，才能设计出完善的控制系统。 ．７９． 维普资讯 http://www.cqvip.com ・电子技术应用・ 电子工露师 社，２００２：５－１９３． ２００８年６月 参考文献 ［４］丁新民．微机原理及其应用［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００１：１４２—１６７． ［１］刘乐善．微型计算机接口技术及应用［Ｍ］ 武汉：华中科 技大学出版社，２００３：２６６－２８７． ［５］尹建华，张惠群，刘鲁源，等．微型计算机原理与接口技术 ［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００２：１９６－２７８． 杨辉媛（１９７５一），女，讲师，主要研究方向为电子学。 ［２］周明德．微型计算机系统原理及应用［Ｍ］ 北京：清华大 学出版社，２００４：３４１—３６４． ［３］孙志平 微机控制技术及应用［Ｍ］．北京：高等教育出版 Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｔｅｐ Ｍｏｔｏｒ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｂｏｘ ＹＡＮＧ Ｈｕｉｙｕａｎ ，ＴＡＮ Ｗｅｉｊｉｅ ，ＭＡＮ Ｙｉｃａｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｓｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｓｈｏｕ ４ １ ６０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｌｉ Ｃｉｔｙ，Ｚｈａｎｇｊｉａｊｉｅ ４２７２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｉｔ．Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ＤＶＣＣ一８０８６ＪＨ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｔｅｓｔｓ ｂｏｘ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ．ＮＥＴ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ—ｐｏｒｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅｓｔｓ ｂｏｘ ａｓ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｇｏｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｈｉｇｈ． Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｎｅｗ ａｔｔｅｍｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ＰＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ；ＰＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ；．ＮＥＴ ２．０ 蠢鲨连 堂落 兰 篮 ：堂鬈 （上接第６６页） 参考文献 ［４］国家技术监督局．ＰＡＬ—Ｄ制电视广播技术规范［Ｍ］．北 京：中国标准出版社，１９９６． ［１］冯化纲．数字视频编码器ＳＡＡ７１２０Ｈ在红外成像系统的应 ［５］Ｘｉｌｉｎｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｖｉａｅｘ一ⅡＰｌａｔｆｏｒｍ ＦＰＧＡ Ｕｓｅｒ Ｇｕｉｄｅ ［ＥＢ／ＯＬ］．ＵＧＯ０２（ｖ２．０）．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｘｉｌｉｎｘ．ｃｏｒｎ， ２ｏ０５． 用［Ｊ］．红外，２００４（１）：ｌ２－１５． ［２］Ｘｉｌｉｎｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｌａｓｈ Ｉｎ—ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ＰＲＯＭ［ＥＢ／ＯＬ］．ＤＳ１２３（ｖ２．７）．ｈｔｔｐ：／／ ｗｗｗ．ｘｉｌｉｎｘ．ｃｏｉｎ，２００５． 陈柘（１９６９一），男，博士后，主要研究方向为图像处理、模 式识别和计算机视觉。 ［３］Ｘｉｌｉｎｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｖｉｒｔｅｘ一Ⅱｃｏｍｐｌｅｔｅ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］． ＤＳ０３１（ｖ３．４）．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｘｉｌｉｎｘ．ｃｏｍ，２００５． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｃａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ａｎｄ ＡＤＶ７１２３ ＣＨＥＮ Ｚｈｅ 一，ＧＵＯ Ｙｕｚｈｏｎｇ。ＦＡＮＧ Ｂｏ。 ，（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７ １ ００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｘｉ ａｎ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ。Ｘｉ ａｎ ７１００６８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｒｄ ｕｓｉｎｇ ＦＰＧＡ ａｎｄ ＡＤＶ７ １ ２３ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｐｉｘｅｌ ｇｒａｙ ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ｉｍａｇｅ ｚｏｏｍ ａｎｄ ＰＡＬ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖｉｄｅｏ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｃｅｐｔｓ。ｈａｒｄｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＦＰＧＡ ｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ，ＦＰＧＡ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｒｄ ａｎｄ ｍａｓｔｅｒ ｂｏａｒｄ。ａｎｄ ｔｈｅ ＰＡＬ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖｉｄｅｏ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ＡＤＶ７ １ ２３ ａｒｅ ｄｉｓ— ｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｒｄ ｃａｎ ｂｅ ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｃａｒ－ ｒｙ ｏｕｔ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｕｓｉｎｇ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｌ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ；ｖｅｄｉｏ；ＦＰＧＡ；ＡＤＶ７ １ ２３ ・８Ｏ・
