测控题目部分技术简介课件

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1、84,1,测控相关技术简介,林培杰 2009.7,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,5,84,2,1.概述,一般测控系统的基本组成部分,84,3,2.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

2、,4,2.1 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 ,84,5,2.2 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） 开发较容易 价格适中 DSP的缺点： 需要仿真器 可选型号： TMS320LF2407 TMS320LF2812,84,6,2.3 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

3、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,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

4、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）,84,8,2.4 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

5、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,84,9,2.5 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）,84,10,3. 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

6、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 ,84,11,3.1 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,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,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

7、光进行锁相检测。 一体化红外接收管如图所示。当接收管接受到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。,84,15,3.2 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器组成。,超声波发生

8、器 超声波接收器,84,16,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,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,超声波传感器主要用于探测前方物体和测距。超声波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

9、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。,84,19,3.3 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,光敏电阻是一种阻值随光照强度变化而变化的电阻。其优点包括灵敏度高，光谱特性好，体积小，重量轻和成本低等。,84,21,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

10、管光电流大很多。,84,23,3.4 CCD/CMOS摄像头,典型的USB摄像头组成框图,左：CMOS 传感器 右：CCD 传感器,84,24,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,84,25,4. 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

11、电机 步进电机,84,26,4.1 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,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

12、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,直流电机的PWM调速通常由H桥实现。,84,30,常用H桥芯片：L298N（电流2A）,84,31,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：红外接收器或光敏器件,84,32,直流电机控制系统：,84,33,4.2 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

13、情况下需要使用步进电机专用驱动器,84,34,4.2.1 步进电动机种类,84,35,(1)结构分析,定子,4.2.2 步进电动机的工作原理,84,36,转子,转子,84,37,(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,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

14、不能与B相定子齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3,84,39,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,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,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,84,42,84,43,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

15、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,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,因此，如果定子A、B、C三相按 ABCA 的顺序依次通电，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,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

16、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。,84,47,三相六拍运行方式 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,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,(4)步进电机有如下特