在智能小車(chē)的研制開(kāi)發(fā)中,，很重要的一部分就是智能小車(chē)要能根據(jù)周?chē)系K物的情況自主的調(diào)節(jié)行駛速度和行駛方向,。本文中所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是智能小車(chē)的一個(gè)重要組成部分,，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由S3C44B0X處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N構(gòu)成，主要功能是驅(qū)動(dòng)小車(chē)的兩個(gè)車(chē)輪,，調(diào)節(jié)小車(chē)的行駛速,，通過(guò)改變兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速差調(diào)節(jié)行駛方向。
1 硬件設(shè)計(jì)
由ARM公司設(shè)計(jì)的采用RISC架構(gòu)的ARM處理器性能強(qiáng)，功耗低,，體積小,，支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集，指令執(zhí)行速度快,。目前ARM系列微處理器在32位RISC嵌入式產(chǎn)品中已經(jīng)占據(jù)75％以上的市場(chǎng)份額,。尤以ARM7TDMI系列應(yīng)用最廣，其性?xún)r(jià)比也是最高,。
1.1 S3C44B0X簡(jiǎn)介
S3C44B0X是由Samsung公司推出的基于ARM7TDMI核的16/32位RISC處理器,。此款處理器提供了豐富的通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置,。S3C44B0X具有6個(gè)16位定時(shí)器,，每個(gè)定時(shí)器可以按照中斷模式或DMA模式運(yùn)行。定時(shí)器0,，1,，2，3,，4具有PWM功能,，定時(shí)器5是一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器。定時(shí)器0和1,，2和3,，4和5分別共享一個(gè)8位的預(yù)分頻器(Prescaler)，預(yù)分頻值的范圍為0—255,，通過(guò)寄存器TCFG0設(shè)定三個(gè)預(yù)分頻器的值,；定時(shí)器0，1,，2，3還各擁有一個(gè)具有5個(gè)不同分頻信號(hào)（1/2,，1/4,，1/8，1/16,，1/32）的時(shí)鐘分割器（Divider）,，定時(shí)器4和5則各具有一個(gè)包含4個(gè)分頻信號(hào)（1/2，1/4,，1/8,，1/16）的時(shí)鐘分割器。這6個(gè)定時(shí)器的分割值通過(guò)寄存器TCFG1設(shè)定,。
定時(shí)器輸入時(shí)鐘頻率＝MCLK/Prescaler/Divider,。其中MCLK＝60MHz是系統(tǒng)的主頻。
1.2 硬件實(shí)現(xiàn)
為提高系統(tǒng)效率、降低功耗,，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式（PWM）的集成電路L298N,。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含二個(gè)H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器,，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào),，可驅(qū)動(dòng)46伏、2安培以下的電機(jī),，工作溫度范圍從－25度到130度,。其內(nèi)部的一個(gè)H橋原理圖如圖1所示。EnA是控制使能端,，控制OUTl和OUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn),， IN1、IN2腳接入控制電平,，控制OUTl和OUT2之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向,。當(dāng)使能端EnA有效，IN1為低電平IN2為高電平時(shí),，三極管2,，3導(dǎo)通，1,，4截止,，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1和IN2電平相同時(shí),，電機(jī)停轉(zhuǎn),。
另一個(gè)H橋的工作原理同上。由EnB控制OUT3和OUT4之間電機(jī)的停轉(zhuǎn),，根據(jù)IN3,、IN4腳的輸入電平情況控制OUT3和OUT4之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
由于S3C44B0X本身就帶有5個(gè)PWM輸出口,，直接輸出控制信號(hào)到L298N即可,，無(wú)須另加電路。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示,。系統(tǒng)中選用了工作在中斷模式下的定時(shí)器1和2作為產(chǎn)生PWM的定時(shí)器,。通過(guò)編程設(shè)定I／O口PE4和PE5作為定時(shí)器1，2輸出PWM的端口,，接入L298N的EnA和EnB端口,，根據(jù)定時(shí)器1，2輸出的PWM頻率分別控制兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。 PE6設(shè)定為輸出端口連接IN1并通過(guò)一反向器連接IN2,；同樣，PE7也設(shè)為輸出端口，接入IN3并經(jīng)一個(gè)反向器接入IN4,。通過(guò)接入反向器,，IN1和IN2，IN3和IN4就不會(huì)同時(shí)處于高電平或低電平,，即不會(huì)因?yàn)镮N1和IN2,，IN3和IN4電平相同而使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的停止操作可以通過(guò)調(diào)制脈沖寬度為0即占空比為0或者關(guān)閉定時(shí)器的使能位實(shí)現(xiàn),。這樣只需一路信號(hào)PE6就可控制IN1和IN2的狀態(tài),，PE7控制IN3和IN4的狀態(tài)，從而使得系統(tǒng)的控制信號(hào)得到減少,，在一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng),。為保證L298N驅(qū)動(dòng)芯片正常工作，還要在其與直流電機(jī)之間加入四對(duì)續(xù)流二極管
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 定時(shí)器工作方式
在S3C44B0X中,，每個(gè)定時(shí)器具有一個(gè)倒計(jì)時(shí)器，通過(guò)定時(shí)器時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)16位倒計(jì)時(shí)寄存器TCNTn,。定時(shí)器啟動(dòng)前,，要向定時(shí)計(jì)數(shù)緩沖區(qū)寄存器（TCNTBn）寫(xiě)入一個(gè)初始值，這個(gè)值在定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)載入到倒計(jì)時(shí)器TCNTn中,。在定時(shí)器的比較緩沖器寄存器（TCMPBn）中同樣也要寫(xiě)入一初始值,，運(yùn)行時(shí)用來(lái)載入到比較寄存器TCMPn中與倒計(jì)時(shí)器TCNTn的值相比較。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),，需要通過(guò)置手動(dòng)刷新位的方式,，將TCMPBn和TCNTBn這兩個(gè)緩沖區(qū)的值載入到TCMPn和TCNTn中。TCMPBn和TCNTBn這兩個(gè)緩沖區(qū)的應(yīng)用（即雙緩沖器）使定時(shí)器能夠在頻率和占空比同時(shí)變化時(shí),，仍然產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出,。一般啟動(dòng)定時(shí)器的步驟如下：
1），將初始值寫(xiě)入到TCNTBn和TCMPBn中,。
2）,，設(shè)置對(duì)應(yīng)定時(shí)器的自動(dòng)重載位
3），設(shè)置對(duì)應(yīng)定時(shí)器的手動(dòng)更新位,反向器置為off狀態(tài).
4）,，設(shè)置對(duì)應(yīng)定時(shí)器的啟動(dòng)位來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)清除手動(dòng)更新位,。
此時(shí)定時(shí)器TCNTn開(kāi)始倒計(jì)數(shù),，當(dāng)TCNTn具有與TCMPn相同的值時(shí)，TOUTn的邏輯電平由低變高,。當(dāng)計(jì)數(shù)器
2.2 調(diào)制PWM
脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation—PWM)是指將輸出信號(hào)的基本周期固定，通過(guò)調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來(lái)控制輸出功率,。對(duì)于一個(gè)定時(shí)器來(lái)說(shuō),，其時(shí)鐘源輸入頻率一般不變，即TCFG0（定時(shí)器預(yù)分頻值）和TCFG1（定時(shí)器分割值）的值設(shè)定后就不需改變,。這樣對(duì)于PWM提供了一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘源,。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,，因此電機(jī)的速度與占空比成比例,，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快,。系統(tǒng)中PWM脈沖頻率就由TCNTBn決定,，PWM脈沖寬度值則由TCMPBn的值來(lái)決定，而占空比即為T(mén)CMPn/TCNTn,。如果要使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降,，即得到一個(gè)比較低的PWM脈寬輸出值，可以減少TCMPBn的值,；要使電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,，即得到一個(gè)更高的PWM的輸出值，可以增加TCMPBn的值,。由于雙緩沖器的特性,，下一個(gè)PWM周期的TCMPBn值可以通過(guò)ISR（中斷服務(wù)程序）或其他手段在當(dāng)前PWM周期中低電平時(shí)的任何一點(diǎn)寫(xiě)入,即在程序中可以通過(guò)中斷重新設(shè)定TCMPBn的值來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。緩沖區(qū)TCMPBn,，TCNTBn的值不一定等于這個(gè)周期的TCMPn,，TCNTn的值，但一定是TCMPn,，TCNTn的下一個(gè)周期的值,。
2.3 程序代碼
本文中的應(yīng)用程序是在ADS1.2的開(kāi)發(fā)環(huán)境下交叉編譯后下載到Flash中運(yùn)行的。程序代碼（以定時(shí)器1為例）:
//初始化端口
void Init_PortE( )
{
rPCONE=0x5a00; //定義I/O口//PE4,PE5,PE6,PE7的//功能
rPUPE=0xf8; //禁止相應(yīng)位的電阻上拉使能
}
//啟動(dòng)A號(hào)電機(jī),，此電機(jī)由定時(shí)器1控制
void Start_MotorA ( )
{
rTCNTB1=Motor_CONT;//給兩個(gè)緩沖器//賦值
rTCMPB1=Motor_cont;
rTCON |=(0x01<<11); //定時(shí)器1自動(dòng)重載
rTCON |=(0x01<<9); //手動(dòng)刷新置位
rTCON &= ~ (0x01<<10); //關(guān)反向器
rTCON |=(0x01<<8); //啟動(dòng)定時(shí)器1
rTCON &= ~ (0x01<<9); //清手動(dòng)刷新位
}
//A電機(jī)停止
void Stop_Motor1()
{
rTCON &= ~ (0x01<<8); //清定時(shí)器1使能位
}
//改變電機(jī)占空比和轉(zhuǎn)向
void SetPWM (int valueA, int drct)
{
rPDATE=drct; // drct定義PE6口輸出高電平還是低電平,，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向
rTCMPB1=Motor_COUNT*valueA/0x64;//valueA為占空比,亦可設(shè)置valueA為0使電機(jī)A停//止轉(zhuǎn)動(dòng)。
}
另一電機(jī)的相關(guān)設(shè)置同上,。小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中可以同時(shí)改變兩組PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)小車(chē)的行駛速度,；通過(guò)設(shè)置兩組不同的占空比形成兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速差達(dá)到改變行駛方向的目的,。
在對(duì)比了100Hz，1KHz,，10KHz的PWM輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的情況發(fā)現(xiàn)：當(dāng)頻率為100 Hz時(shí),，電機(jī)運(yùn)行呈間隙轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)頻率為10KHz時(shí),，電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn),；當(dāng)頻率為1KHz時(shí)，不同占空比下電機(jī)運(yùn)行都很平穩(wěn),，轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)向改變迅速。圖3是由示波器產(chǎn)生的PWM頻率為1KHz,，占空比為30％,，電機(jī)反轉(zhuǎn)情況下的調(diào)制波形。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文中所設(shè)PWM的輸出頻率為1KHZ,，所用直流電機(jī)是120轉(zhuǎn)/分鐘,，額定電壓為12V（電機(jī)外不加其他感性負(fù)載）。本課題最終實(shí)現(xiàn)的是基于ARM的嵌入式智能小車(chē)系統(tǒng),，而直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制是其中一個(gè)重要的子系統(tǒng),。實(shí)驗(yàn)證明，Samsung公司的16/32位RISC處理器S3C44B0X對(duì)調(diào)制PWM實(shí)現(xiàn)方便,，可編程,，電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的改變迅速,，無(wú)停頓,，可以很好的為智能小車(chē)服務(wù)。