O 引言

本設計要求對某火炮的水平和高低角進行控制，達到快速位置伺服系統的要求。而這個火炮角度控制系統首先要求有快速性，它的反應時間大于或等于12°／s；角度轉動控制精度小于或等于1’，水平角轉動范圍從一120°～+120°，高低角轉動范圍從0°～+85°；最后系統要有很好的穩定性和動態性能。

由于位置伺服系統一般是以足夠的位置控制精度、位置跟蹤精度和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標，系統運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化。所以對于這種快速位置伺服系統，要求整個系統各部分配合良好，其中的關鍵是控制器的選擇，綜合考慮高精度、抗干擾能力、靈活性、可靠性、實時性、性價比等各因素的情況下。選擇了Frees—cale公司的MC9Sl2DGl28B作為控制器。MC9Sl2DGl28B芯片是一款16位的單片機，功能強大，性能優越。本文采用該型號的單片機保證了所設計系統的穩定可靠。

1 系統控制方案

由于設計的角度伺服系統的負載比較大，而且相對于工業控制要求而言系統精度和快速性要求高，所以整個系統采用混合閉環的控制結構，所謂混合閉環的控制結構，就是系統內同時存在半閉環和閉環。半閉環起到控制作用，而全閉環只用于穩態誤差補償，兩者相結合可獲得較高的位置控制精度和跟蹤速度。包括：MJX40—14型光電編碼器、90LCX一3直流伺服電機、12A8型PWM直流伺服電機驅動器、單片機控制系統。單片機控制系統由MC9Sl2DGl28B單片機實現，使用Code Warrior for HCl2 V4．6編譯器，采用C語言編程。由于水平角和高低角的控制是一樣的，而且共用一個單片機，以角度控制方框圖(圖1)來說明。



如圖1所示，系統的任務是使光電編碼器測得的炮架轉動角度θ2與給出的指令θ1相等。當θ1≠θ2時，θ1一θ2的偏差信號在單片機里進行處理，放大后輸入到PWM直流伺服電機驅動器，由PWM驅動器驅動直流伺服電機，伺服電機帶動減速器，驅動炮架向著減少偏差的方向移動，直到θ1=θ2，電機停止轉動，達到目標。同時，炮架要準確的跟蹤目標，必須減少在跟蹤過程中可能出現的速度變化(如風速等原因)，因為直流伺服電機本身帶有測速機端，可以把速度反饋信號進行負反饋輸入到PWM伺服電機驅動器，這樣使轉動機械的轉速度變化很小，起著穩速的作用。

2 硬件系統設計

2．1 總體設計

整個硬件系統采用模塊化思想設計，硬件系統框圖如圖2所示，分為單片機CPU最小系統、鍵盤／顯示控制模塊、直流伺服電機驅動電路、系統輸入模塊、光電編碼器等。設計時，各個模塊可相對獨立設計調試，最后集成為整個系統。



2．2 模塊結構和功能簡要說明

CPU最小系統：系統的主控模塊，用以控制和協調其它模塊工作。

鍵盤／顯示控制：由鍵盤及LED管理芯片CH451控制。系統輸入模塊：用通用8155芯片做數據采集，獲取光電編碼器所測得的火炮當前角度(位置)值，并傳給主控芯片。伺服電機驅動電路：用帶有緩沖基準輸入的雙路12位電壓輸出數字一模擬轉換器(TLC5618)作為單片機的一個外圍的D／A接口；當系統把偏差值算好后，利用PID算法得出的數據量輸出到兩路TLC5618，再通過驅動器去驅動水平和高低角的伺服電機，精確控制火炮的高低角和水平角位置和速度。

SCI通信：通過串行通信模塊。系統可以與上位機連接，方便對系統軟件的更新和升級，且可通過上位機進行控制角度控制，監視單片機的輸入與輸出。光電編碼器：用于得到炮架的轉動角度。

2．3 主要模塊設計

2．3．1 單片機CPU最小系統

HCSl2系列MCU的硬件結構中僅有一個MCU(微控制器)是無法工作的，它必須結合其它相應的外圍電路(即MCU支撐電路)，才能構成一個最小系統。HCSl2系列MCU的最小系統一般包括電源電路、時鐘電路、復位電路、BDM調試頭電路，MC9Sl2DGl28芯片最小系統支撐電路示意圖如圖3所示。其中各個部分功能如下：

(1)電源電路主要給MCU提供+5V，+12V和+3．3V電源。

(2)時鐘電路給MCU提供一個外接的石英晶振。

(3)復位電路主要完成系統上電復位和系統在運行時用戶按鍵復位。

(4)BDM接口電路主要完成與BDM調試工具相連，向MC9S12單片機寫入和調試程序。



2．3．2 鍵盤／顯示控制電路

鍵盤控制模塊采用鍵盤及LED管理芯片CH451。CH45l是一個整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以μP監控的多功能外圍芯片。CH451內置RC振蕩電路，可以動態驅動8位數碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時還可以進行64鍵的鍵盤掃描；CH451通過可以級聯的串行接口與單片機等交換數據；并且提供上電復位和看門狗等監控功能。該芯片支持SPI同步串行通訊方式，可以與MC9S12DGl28B單片機的SPI通訊口進行告訴數據通訊，控制方便。鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤，系統共使用16個按鍵。顯示數據用數碼管，由鍵盤輸入火炮要旋轉的水平和高低角度值，并顯示出來，系統第一次采集來的角度值也是通過它顯示的。

2．3．3 系統輸入模塊

從光電碼盤中輸出的數據有15位，要是單一的用單片機去讀取光電碼盤的數據，一個光電碼盤就會用到15個數據線，占用了單片機的大量資源。利用8155的豐富的I／O口資源，可以減少對單片機資源的占用。單片機給光電編碼器一個讀取信號脈沖，8155的PA和PB口立即得到光電編碼器的數據，并存到了PA和PB寄存器中，此時單片機只要讀取8155的PA和PB寄存器就能得到光電碼盤的數據，通過計算就能獲得此時炮架的方位角和高低角。

2．3．4 伺服電機驅動電路

對于一般的D／A轉換器的輸入端都用并行輸入，但是前面的芯片已經占用了單片機大量的接口，為了系統的輸入輸出能同步進行，本設計選用了串行輸入的TLC5618，它是一種快速帶緩沖基準輸入(高阻抗)的雙路12位電壓輸出數字一模擬轉換器(DAC)，彌補了串行輸出的速度慢的不足，TLC5618具有1．21 MHz的輸入數據更新速率，DACA和DACB兩路同時更新，O．5LSB的建立時間為2．5 ms，它的最大串行時鐘速率為20 MHz，轉換速度達到要求；且它有兩路12位CMOS電壓輸出，精度符合設計要求；高阻抗基準輸入使輸出有很強抗干擾能力。TLC5618在+5V單電源工作，其輸出電壓范圍為基準電壓的兩倍，因此，電路設計采用2．5V基準電壓。通過CMOS兼容的3線串行總線，可對TLC5618實現數字控制，單片機串行數據通過PTl輸入TLC5618，串行時鐘通過PT2輸入，PTO接片選端，TLC5618接收到數據后，經過數模轉換，產生O～5V的模擬信號，經過減法器，得到一2．5～2．5的模擬信號，只有達到一1OV～10V的模擬信號才能更精確的控制電機，所以用高速放大器LM318進行兩級兩倍放大，就可以達到設計的要求。#p#分頁標題#e#

3 軟件系統設計

系統軟件采用模塊化設計思想，主要模塊有：主程序模塊、數據采集模塊、鍵盤與顯示模塊、IRQ定時中斷處理程序、D／A數據輸出模塊、串行通信模塊。開發調試平臺是CodeWarrior軟件。CodeWarrior系列集成開發環境(IDE，Integrated Development Environment)是Metrowerks公司為開發嵌入式微處理器而設計的一套強大易用的開發工具，使用它可以有效地提高軟件開發效率。系統的總的流程如圖4所示。



4 結束語

基于Freescale公司的MC9S12DGl28B單片機，設計了火炮的快速位置伺服系統。對硬件系統的鍵盤／顯示控制模塊、系統輸入模塊、直流伺服電機驅動電路等各個功能模塊進行了詳細的電路設計，在CodeWarrior系列集成開發環境開發了軟件系統，最后對軟硬件進行了綜合調試。目前，設計的系統功能完善、運行可靠。結果表明：該系統方案設計合理，對角度控制精確度高，系統平穩，可靠性高，操作簡單，達到要求的指標，稍加改造，還可應用到其它位置伺服系統中。