基于CAN總線汽車組合儀表的設(shè)計(jì)與研究

步進(jìn)電機(jī)(Step motor)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰芿(或線位移S)的開環(huán)控制元件，是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。工作原理是建立在被勵(lì)磁的定子電磁鐵吸引可選轉(zhuǎn)的銜鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)，即靠磁鐵引力作用把電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。脈沖的個(gè)數(shù)決定了轉(zhuǎn)角的大小，而脈沖的頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。一般步進(jìn)電機(jī)可分為二相、三相、四相和六相。


本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)選用深圳偉力驅(qū)動(dòng)有限公司的VID29系列二相汽車儀表步進(jìn)電機(jī)。 vID29-XX/VID29~xXp儀表步進(jìn)電機(jī)是一種精密的步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)置減速比180/1的齒輪系，主要應(yīng)用于車輛的儀表指示盤，也可以用于其他儀器儀表裝置中，將數(shù)字信號(hào)直接準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為模擬的顯示輸出。VID29步進(jìn)電機(jī)需要兩路邏輯脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)如下:


可以工作于3.5V一10V的脈沖下;
輸出軸的步距角最小可以達(dá)到1/12⁰，最大角速度600⁰/s，輸出轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為315⁰?？捎梅植侥Ｊ交蛭⒉侥Ｊ津?qū)動(dòng)。
選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)特種材料和汽車級(jí)特殊工程塑料，同時(shí)兼顧防火等安全性能;

采用具有最低噪聲和超低摩擦效果的特殊齒形，保證了馬達(dá)的長期運(yùn)轉(zhuǎn)壽命和性能。

步進(jìn)電機(jī)的分步驅(qū)動(dòng)控制模式:VID29步進(jìn)電機(jī)是經(jīng)三級(jí)齒輪減速轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的，驅(qū)動(dòng)要求是用標(biāo)準(zhǔn)的SV邏輯電路電壓，可以以分步驅(qū)動(dòng)模式直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，電流需求為20mA。在分步模式下，每個(gè)脈沖可以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)600(即輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/3度)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向取決于施加在電機(jī)左右線圈上的周期性脈沖序列的相位差。如下圖所示，左線圈電壓UL相位超前于右線圈電壓UR時(shí)(相位差為/3)，VID29一XX系列的電機(jī)輸出軸將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，VID29一XXP系列的電機(jī)輸出軸將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

分步驅(qū)動(dòng)模式脈沖序列如圖4一14所示:

微步驅(qū)動(dòng)模式(細(xì)分驅(qū)動(dòng))脈沖序列如圖4-15所示:

它的轉(zhuǎn)速n(或線速度v)與脈沖頻率f成正比。步距角越小，指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度越小，儀表顯示的精度越高。步距角與脈沖頻率的關(guān)系可用以下關(guān)系式來計(jì)算:

φ=180*f/(I*S)
式中φ:步進(jìn)電機(jī)的步距角
f:脈沖頻率
I:電機(jī)齒輪減速比
S:驅(qū)動(dòng)模式分布數(shù)(分步/微步)

步進(jìn)電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。

由于H128內(nèi)部集成了6個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所以無需擴(kuò)展電路即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與H128硬件接口電路的連接。通過分布驅(qū)動(dòng)模式，每個(gè)脈沖可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1/3度，滿足汽車儀表的精度要求(如需更高精度，可通過擴(kuò)展微步驅(qū)動(dòng)芯片，使步進(jìn)電機(jī)每個(gè)步為1八2度)。步進(jìn)電機(jī)與H128的硬件連接如圖4一16:

圖中PUO一PU7，PVO一PV7，PWO一PW7直接與H128的輸出引腳連接。由于各步進(jìn)電機(jī)直接由H128驅(qū)動(dòng)，所以可以通過修改程序數(shù)據(jù)輸出接口辦法改變步進(jìn)電機(jī)布置。

4.8 復(fù)位電路及E²PROM設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)通常是在一個(gè)特定的客觀環(huán)境下為完成或?qū)崿F(xiàn)某種功能而設(shè)計(jì)的，因此系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，勢(shì)必會(huì)受到各種外界干擾因素的影響。這種外界干擾因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò)，甚至?xí)?yán)重影響程序的運(yùn)行，使單片機(jī)受到干擾失控導(dǎo)致導(dǎo)致程序跑飛或陷入死循環(huán)，通過采取一定的軟硬件措施使程序脫離死循環(huán)或重新運(yùn)行。

本系統(tǒng)采取了外擴(kuò)芯片實(shí)現(xiàn)的硬件方式，選取xlc0R公司的x5045[sll。集成了看門狗定時(shí)器、EZPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、和電源監(jiān)測(cè)為一體，采用SPI的方式與MCU相連，用于低電壓復(fù)位信號(hào)的單片機(jī)(H128為低電壓復(fù)位)。因其體積小、占用UO口少等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域 。

CS:芯片選擇輸入端，當(dāng)CS為低電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)
50:串行數(shù)據(jù)輸出端，在串行時(shí)鐘的下降沿，數(shù)據(jù)通過50端移位輸出
Sl:串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的上升沿鎖存
SCK:串行時(shí)鐘，，為數(shù)據(jù)讀/寫提供串行總線定時(shí)
WP:寫保護(hù)輸入端，當(dāng)WP為低電平時(shí)，向X5045的寫操作被禁止，但器件的其他功能正常。
RESET:復(fù)位信號(hào)輸出端。

x5045除了wTD(看門狗)功能外，另一個(gè)重要的基本功能就是作為EZPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，內(nèi)部包含 512xs的串行EZPROM，以保證系統(tǒng)在掉電后仍可維持重要數(shù)據(jù)不變。x5045與H128采用SPI總線接口連接方式，程序，獲得準(zhǔn)確的脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)，并將此值傳送給X5045存儲(chǔ)。X5045是理想的自動(dòng)貯存非易失性SRAM，內(nèi)部含有EEPROM，存儲(chǔ)容量256bit，能夠在失去vCc的時(shí)候自動(dòng)執(zhí)行存儲(chǔ)操作 (SRAM—EEPRoM)，非常適合對(duì)里程的累計(jì)記錄。芯片內(nèi)部包含一個(gè)指令移位寄存器，該寄存器可以通過SPI來訪問。X5045與H128連接的電路如圖4一18所示: