全球主流8位MCU芯片詳細(xì)解剖No.3:微芯 PIC16F877

　　3 基于PIC單片機的ECU系統(tǒng)設(shè)計

　　圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　3.1 ECU工作原理

　　系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個系統(tǒng)由車載 12V蓄電池供電，ECU工作時，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機的相應(yīng)端口， 單片機根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對這些數(shù)據(jù)分析處理，以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過驅(qū)動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅(qū)動電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測到的電機實際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常，單片機將驅(qū)動EPS燈亮進行報警提示，同時斷開繼電器、離合器，退出電動助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動助力模式［3］。

　　3.2 PIC16F877單片機簡介

　　該款機型是美國Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性（執(zhí)行速度可達(dá) 120ns），PIC16F877內(nèi)部自帶看門狗定時器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2 個脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。

　　3.3 直流電動機的選擇

　　無刷直流電機在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢。本項目采用永磁式無刷直流電機做為驅(qū)動源。

　　3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇

　　本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號外，還提供方向盤位置信號，為回正和阻尼邏輯的開發(fā)提供了便利。

　　3.5 電動機驅(qū)動控制電路的設(shè)計

　　電動機驅(qū)動控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實時性和可靠性的要求。本項目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機PWM控制方式有多種，根據(jù)電機工作的實際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運行可靠性高、不需附加延時電路、開關(guān)頻率相對較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動慣量、可靠性要求較高的直流電機控制的場合。

　　3.5.1 電機驅(qū)動電路

　　電動機的驅(qū)動電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動電路、電機驅(qū)動線路上的電流傳感器和繼電器構(gòu)成。

　　FET橋式電路主要由四個大功率MOSFET功率管組成，要求功率管具有良好的開關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動電流、且具有較長的使用壽命，根據(jù)電機的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性，我們采用四個相同的N溝道IRFP250功率管來構(gòu)成H橋電路。

　　FET 基極驅(qū)動電路選用MOSFET專用柵極集成電路IR2109作為核心模塊，該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動電源數(shù)目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)可靠性 ［4］。

　　驅(qū)動電路如圖3-2所示，兩個IR2109的IN端為驅(qū)動H橋同臂上下兩個功率管的信號脈沖輸入端，分別通過具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機的兩個PWM脈沖輸出端口；兩個SD端分別與單片機的一個I/O口相連，控制電機停車操作；每個芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連，控制電機轉(zhuǎn)速；VB端通過自舉二極管UF1005與+12V 電源相連，為了阻斷特殊電路中所承受的全部電壓，此處選用具有超快恢復(fù)特性的二極管UF1005。

　　圖3-2 電機驅(qū)動電路

　　3.5.2 電機電流采樣電路

　　系統(tǒng)進行電流采樣有兩方面用途，一是為電動機提供保護；二是通過電流傳感器反饋電樞電流的信號，以便對電樞電流進行閉環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過的電流，在 PWM 系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。標(biāo)準(zhǔn)電阻一般采用錳銅或硅錳銅制成。在采樣電路中，選用AD626把采樣信號放大10的n倍送至單片機相應(yīng)端口，具體電路如圖 3-3。

　　圖3-3 電機電流采樣電路

　　3.6 繼電器控制電路

　　如下圖3-4所示，CPU控制信號經(jīng)CPU端口PSP0輸出后，開關(guān)管 Q1導(dǎo)通并驅(qū)動功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節(jié)點，繼電器節(jié)點閉合后可給電機、離合器供電。CPU輸出的高低電平信號分別控制繼電器的合開操作。

　　圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計

　　4 結(jié)論

　　本文在對EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過程的分析基礎(chǔ)上，對 EPS 控制系統(tǒng)的硬件電路進行了研究設(shè)計，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機；探索了在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，低壓、低速、大電流永磁式無刷直流電機的控制方法。采用精密電阻進行電機電流采樣的方法，實現(xiàn)了對直流電機輸出扭矩的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計和軟件編程后，按照預(yù)定的助力特性曲線，對EPS系統(tǒng)進行了臺架試驗，試驗結(jié)果表明：電子控制單元信號采集的實時性較高，對電機閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個系統(tǒng)具有良好的電動助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。

　　超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　在自主行走機器人系統(tǒng)中，機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走，必須實時采集環(huán)境信息，以實現(xiàn)避障和導(dǎo)航，這必須依靠能實現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機器人中得到廣泛應(yīng)用。由于超聲波測距方法設(shè)備簡單、價格便宜、體積小、設(shè)計簡單、易于做到實時控制，并且在測量距離、測量精度等方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的機器人采用三方超聲波測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機器人識別其運動的前方、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運動距離的信息。

　　1　超聲波測距原理

　　超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個壓電片和一個共振板組成。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，就成為超聲波接收器。超聲波測距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比，測量電壓即可測量距離；②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，根據(jù)被測距離s=vt？2來得到測量距離，由于超聲波速度v與溫度有關(guān)，所以如果溫度變化比較大，應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?p>　　本測量系統(tǒng)采用第二種方法，由于測量精度要求不是特別高，所以可以認(rèn)為溫度基本不變。

　　本系統(tǒng)以PIC16F877單片機為核心，通過軟件編程實現(xiàn)其對外圍電路的實時控制，并提供給外圍電路所需的信號，包括頻率振動信號、數(shù)據(jù)處理信號等，從而簡化了外圍電路，且移植性好。系統(tǒng)硬件電路方框圖見圖1。

　　由于本系統(tǒng)只需要清楚機器人前方、左方、右方是否有障礙物，并不需要知道障礙物與機器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設(shè)定一距離閥值，使障礙物與機器人的距離達(dá)到某一值時，單片機控制機器人電機停轉(zhuǎn)，這可通過軟件編程實現(xiàn)。

　　2　超聲波發(fā)射電路

　　超聲波的中心頻率為40kHz，該頻率可以通過以下程序產(chǎn)生（部分源程序）：

　　2.1　超聲波發(fā)射電路

　　超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當(dāng)單片機上電時，單片機從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，但是此時該信號無法通過與非門進入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開關(guān)S1時，從RA1口發(fā)射出一門控信號，該信號的頻率為4kHz，同時啟動單片機內(nèi)部的定時器TMR1，開始計數(shù)。該門控信號每發(fā)射一個周期的波形，超聲波就會發(fā)射10個完整的波形，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms，而門控信號的周期為1（4kHz）=0125ms。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動機器人的距離。當(dāng)超聲波接收頭收到反射回來的超聲波時，計數(shù)器停止計數(shù)，時間t可以根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)與門控信號的周期求出。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動控制超聲波的發(fā)射和停止。本系統(tǒng)的電路還包括人工復(fù)位電路，由單片機的MCLR引腳接S2來控制，超聲波發(fā)射電路圖見圖2。

　　2.2　門控電路（RS觸發(fā)器）

　　為實現(xiàn)對超聲波發(fā)射和接收的自動控制，須在電路中加一門控電路，該門控信號頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門信號，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過閘門，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個數(shù)。

　　門控電路由RS觸發(fā)器組成，當(dāng)輸入端R=1（S=0）時復(fù)位，即輸出端Q=0;當(dāng)R=0（S=1）時置位，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機的RA2口相連。