基于GP32的直流电机控制器测试系统

1．系统的整体设计

本系统用于测试直流电机控制器的功能和性能。测试内容主要包括测试控制器的电流 值、速度值和PWM 输出的波形变化等。测试系统采集到这些值后，通过串口发送给PC 方 显示，能够方便用户监看、分析。本系统可以实现测试直流串励电机控制器和直流他励电机 控制器的性能和功能。

本测试系统硬件系统部分由主控芯片 MC68HC908GP32 最小系统电路、电源转换电路、 SCI 通信电路、光电隔离控制电路、A/D 转换电路和继电器驱动电路等部分组成。该系统能对多种模拟量进行采集，通过信号转换电路转换为0-5V 的电压信号，再将电压信号送入A/D 转换电路，实现数据的采集。为了节约I/O 口，本系统的A/D 转换芯片采用2 片TLC2543 , 第I 片用于模拟量输入，负责采集各传感器的值，第II 片用于采集各开关的状态;本测试系 统经常要读取电机的当前速度，且精度要求比较高，所以采用输入捕捉的方式采集测功机的 转速;同时系统需要采集24V 开关的状态，而负责采集的MCU 子系统的工作电压是SV，为 了保障MCU 的正常工作，所以需要采用光电隔离电路来实现24V 到5V 的转换。

2.系统的硬件设计

本系统选择了 Freescale Semiconductor 公司的MC68HC908GP32 处理器作为整个测试系 统的主控芯片，它是Motorola 的新型08 系列单片机中的一种通用芯片。具有一速度快、功 能强和价格低等优点，并且向下兼容原有的M68HC05 系列单片机，极大地维护了用户的利 益，而目‘新一代的M68HC08 系列机种按各种型号带有小同大小的片内闪速(FLASH)存储器，具有非常高的性价比。根据小同的应用，08 系列单片机分出很多型号，而本设计采用 的MC68HC908GP32 单片机在标准08 单片机核心的基础上，增加了增强型的串行通讯接口 SCI 和串行外围接口SPI。

2.1 串行通信SCI 电路

串行通信是计算机系统中常用的通信机制之一，在MCU 中，若用RS-232C 总线进行串行通信，则需外接电路实现电平转换。在发送端需要用驱动电路将TTL 电平转换成RS-232C 电平，在接收端需要用接收电路将RS-232C 电平转换为TTL 电平。电平转换器小仅可以由 品体管分立元件构成，也可以直接使用集成电路，本系统中使用MAX232 芯片来实现。 MAX232 芯片简单易用，单+5V 电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL 电平到RS-232 电平的转换， PC 通过设置不同的协议同时与本系统和电机控制器进行串行通信。PC 发出 的数据，通过 MAX232 进行电平转换，本系统和电机控制器同时收到，然后根据帧头决定是否对这些数据进行处理。本系统和电机控制器发出的数据由PC 接收。SCI 通信电路原理图如图2 所示。

数据发送过程:MCU 的TxD ( TTL 电平)经过MAX232 的11 ( T1IN)送到MAX232 内部， 在内部TTL 电平被“提升”为232 电平，通过14 CTIOUT)发送出去。接收过程:内音下， 在内部狗RxD，进入外部232 电平经过MAX232 的13 (R1IN)进入到MAX232 的232 电平 被“降低”为TTL 电平，经过12 CR10UT)送到MCUMCU 内部。

2.2 A/D 转换电路

模拟量采集是测控系统的一个重要组成部分，本系统采用2 片TLC2543，第I 片用于模 拟量输入，负责采集各传感器的值，第II 片用于采集各开关的状态。图3 给出了利用SPI 及MCU 的PTC 口的PTCO-PTC 1 扩展两片TLC2543 的电路原理图。其中第I 片TLC2543 的片选接MCU 的PTCO、第II 片TLC2543 的片选接MCU 的PTC l。每片TLC2543 可接 11 路模拟量输入，这样本系统中的A/D 转换电路可外接22 路模拟量。当有更多路数模拟量 需要输入时，可以按此方法继续扩展。该电路适用于模拟量路数较多、且对实时性要求不是 太高的数据采集系统。

由于 TLC2543 对采样的模拟数据的分辨率为12 位，包括TLC2543 及其他IC 的电源端 必须用一个0.1 uF 的陶瓷电容连接到地，用作去耦电容。在噪声影响较大的环境中，也可以在0.1 uF 的陶瓷电容端再并联一个lOuF 的钮电容，以减小噪声对器件的影响，其电路设计图如图3 所示。

图3 基于SPI 的A/D 转换扩展电路

2.3 电源转换电路

本系统是 24V 直流电压供电，而MC68HC908GP32 是5V 供电，使用的光电编码器需 12V 工作电压，所以需要设计将24V 转换为5V 和12V 的电压转换电路。系统使用的是 LM2575 系列开关稳压集成电路，LM2575 是美国国家半导体公司生产的1A 集成稳压电路， 其原理图如图4 所示。

3.电机控制系统软件设计

系统的软件采用模块化设计，实现功能细分，一方面可提高软件的移植性和升级性，另 一方面增强软件的易测试性。软件的总体架构包括二部分:主程序、相关子程序和辅助文件， 全部采用08C 语言编程。软件结构是以主程序为主，通过函数调用和全局变量与子程序进行参数传递。主控MCU 方软件主程序是一个死循环结构，MCU 方软件主程序的流程图见前面章节中的图5，每一次控制过程的衔接通过定时器中断来完成。子程序包括了芯片初始 化程序、A/D 转换程序、输入捕捉程序、PWM 输出程序、串行通信程序、开关驱动程序和中断处理程序。

3.1 芯片初始化子程序

芯片初始化子程序_C08Setup.c 主要是完成内部总线频率Fbus 的设置、I/O 口初始化、 串行口初始化、A/D 转换初始化、中断控制和状态寄存器初始化、定时器初始化的工作。由于MC68HC908GP32 外部晶振f=32.768kHz ， 则系统产生内部总线时钟频率为 fbus=2.4576MHz。程序首先设置CONFIG2=Ob00000001，CONFIGI=Ob00111101 接下来进 行PLL 的编程，过程如下:

① 禁止 PLL:清零PLL 控制寄存器PCTL

② 将 P, E 写入PCTL

③ 将 N 写入PMSH, PMSL

④ 将 L 写入PVRS

⑤ 将 R 写入PRDS

⑥ 置 PCTL.PLLON=1,启动PLL 电路并激活VCO 时钟CGMVCLK

⑦ 置 PBWC. AUTO=1 (即:自动带宽控制位)，自动方式

⑧ 置 PCTL.BCS=1，选择PLL 为时钟源，CGMOUT=CGMV CLK/2

3.2 A/D 转换子程序

模拟量采集是测试系统的一个重要组成部分。系统要求底层软件能够对模拟量和开关量信号进行监控，同时也要求能够对部分信号进行高速数据采集。每当运行A/D 转换程序 ADC11P.c 时，MC68HC908GP32 通过SPI 模块控制A/D 转换器的工作。首先， MC68HC908GP32 将A/D 转换通道号放入控制字的高字节，并定义输出数据的格式为16 位， 以MSB 方式送出二进制数据;接着将控制字写到SPI 的数据寄存器，发送给TLC2543，在控 制字传送过程中，MC68HC908GP32 保持等待状态，直到其发送完毕，至此发送过程结束。 随后等待接收TLC2543 发送过来的数据，当判断接收标志位为1 时，从SPI 的数据寄存器 接收数据，并将该数据存放到预先分配好的内存空间。由十每次从TLC2543 取出的数据是上一周期的数据，所以上述过程中NE64 所取得的数据仅仅是上次转换结果的高字节。接下 来，MC68HC908GP32 只要通过向SPI 的数据寄存器中写入任意的字节，并重复上述发送等 待和接收等待的过程，即可取得上次转换结果的低字节，将其存入紧接高字节之后的地址空间，其流程如图5 所示。

3.3 串行通信子程序

串行通信子程序 SCL.c 主要完成SCI 初始化，波特率设置、通信格式设置、发送接收数据方式的设置等，由SCI 初始化、接收1 字节、发送1 字节、接收n 字节和发送n 字节函数组成。在上下位机通过RS232 进行串行通讯之前，需要对串口工作方式以及所采用的波特率进行设置:

（1）串行口工作方式设定:将串行口设置为工作方式即10 位为一帧的异步串行方式。共包 括1 个起始位，8 个数据位和1 个停止位，允许SCI、正常码输出、8 位数据、无校验，即 设SCC1=Ob01000000; 同时设置允许发送、允许接收，查询方式收发， 即设 SCC2=0b00001100。

(2)波特率设定:本控制器采用的波特率为9600，经过计算有SCBR=0b00000010。

4．结论

本文创新点：本文在MCU MC68HC908GP32 的基础上设计并实现了平台及外围电路的设计，并给出MCU 方软件实现的总体原则，接着对各个子程序功能进行了分析与设计，最 后给出数据采集与数据传送过程中的串行通信协议设计的思想。鉴于目前国内外各科研单位所研制的主要是电机自动测试系统，它仅用于电机的某特定试验，功能比较单一，本系统在 该领域有一定独创性。