基于ARM7TDMI-S的交流电动机远程控制系统设计

摘要:本文介绍了一种以新型微控制器LPC2210和以太网控制器RTL8019AS为核心而设计的一个对三相感应电动机实行远程控制的控制系统;详细说明了系统设计的思想和方法。实验表明,系统设计简单,可靠。

关键词:ARM7TDMI-S,嵌入式系统,UC/OS-∏,远程控制

前言

电动机可以说是工业自动化控制系统中应用最典型,最广泛的执行器件。根据电动机的种类不同,其控制方法有所不同。目前,比较常用的电动机有步进电动机、直流电动机和交流电动机,其中交流电动机具有结构简单、成本低、工作可靠、维护方便和效率高等优点,因此,人们一直在对交流电动机的控制方法进行研究,并不断发明控制性能更加优异的新控制方法,这些方法有以V/F恒定的交流变频技术、电压空间矢量交流变频技术、磁场定向矢量控制技术和直接转矩控制技术。在这些控制技术中,又以采用磁场定向矢量控制技术的电动机具有调速范围广、系统动态响应速度快、加速性能好以及对转矩实现精确控制等优点。

但是,目前基于以上控制技术的应用系统基本上采用的是现场控制的方法,以提高电动机的动态性能为主,硬件大多数选用的是普通的8位或16位单片机,因此,不容易进行功能扩展和升级以及一些高级功能的实现,并且对于网络的支持不足,难以实现网络化和远程控制。然而,随着电子技术的发展及其应用技术的进步,信息技术、计算机控制技术和网络技术的结合正在逐步应用于工业自动化领域,采用网络技术的远程控制方式是未来的发展趋势之一。虽然,国外某些大公司也推出了一些基于TCP/IP协议和以太网技术的远程控制器,但是其使用成本高,并且需要专门的开发工具。而直接对终端执行装置使用TCP/IP协议实现远程控制的应用还很少见。幸运的是,许多芯片制造公司相继推出了一些低成本、高性能的嵌入式微控制器和一些基于TIP/IP协议的网络控制器。飞利浦半导体公司生产的LPC2210单片机便是其中一款,这款单片机是以目前比较低端的ARM7TDMI-S为内核,用于对成本和功耗都非常敏感的产品。本文将详细介绍LPC2210单片机和以太网控制器RTL8019AS应用于对三相感应电动机实行远程控制的问题。

LPC2210单片机

飞利浦半导体公司生产的LPC2210单片机包含一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S内核的微控制器。集成了8路10位AD转换器,112个通用I/O口,多个串行口,2个32位定时器,6路脉宽调制信号输出以及多达9个外部中断。其主要特点如下:冯.诺伊曼体系结构,使用3级流水线,0.9MIPS/MHz,多种业界内领先的实时操作系统支持,众多的开发工具,优秀的调试机制和极高的性价比。在这款单片机内部具有128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行,对代码规模有严格控制要求的应用可以使用16位Thumb模式将代码规模降低30%,而性能的损失却很小。使它特别适用于工业控制。

硬件设计

微控制器选用飞利浦半导体公司生产的基于支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S内核的控制器LPC2210,由于这款芯片内部只带16KB的RAM,内部不带EPROM,也不带FLASH,所以需要在外部扩展一片2M的FLASH和一片512K字节的EPROM,16位数据宽度的SRAM。另外这款芯片内部不带网络控制器,所以还需要在外部扩展一片网络控制器。

LPC2210单片机及其存储器电路设计
LPC2210单片机具有外部存储器接口,通过外部存储器控制器(EMC)可以扩展4个Bank的寄存器组(Bank0～Bank3),每个寄存器的空间大小为16M字节。通常使用16位总线宽度的存储器具有较高的性价比。LPC2210单片机及其存储器具有较高的性价比.。L PC2210 单片机及其存储器电路的原理图如图1所示。


图1LPC2210单片机及其存储器电路的原理图

在LPC2210单片机及其存储器电路的原理图中,FLASH选用的是SST公司的CMOS多功能器件(SST39VF160),静态存储器选用的是美国ISSI公司的高速SRAM(IS61LV25616)器件。存储器的连接使用了16位总线方式,数据总线使用了D0～D15,地址总线使用了A1～A20,BLS0,BLS1信号用于控制低字节、高字节的写操作。

网络控制器与LPC2210单片机的接口设计
在嵌入式系统中增加以太网接口,通常有两种方法:
1)嵌入式处理器+网络控制器,这种方法对嵌入式处理器没有特殊的要求,只要把以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上即可。此方法的通用性较强,不受处理器的限制;
2)采用带以太网接口的嵌入式处理器,通常这种处理器是面向网络应用而设计的,不是特别适用于工业控制。
本文选用了网络控制器RTL8019AS，它是目前比较常用的10MBPS嵌入式以太网控制芯片,在芯片内部集成了DMA控制器,ISA总线控制器和16KSRAM,网络PHY收发器。程序员可以通过DMA方式把需要发送的数据写入片内SRAM中,让芯片自动将数据发送出去;而芯片在接收到数据后,程序员也可以通过DMA方式将其读出。在全双工模式下可以实行同时接收和发送。所以采用RTL8019AS芯片作为网络控制器是一个很好的选择。网络接口的原理图如图2所示。

图2网络控制器RTL8019AS与LPC2210单片机的接口原理图

在网络控制器RTL8019AS与LPC2210单片机的接口原理图中,网络控制器RTL8019AS芯片工作在跳线模式,其基地址为0X300,所以电路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地,SA9接电源,SA8与地址总线的A22连接,SA5与LPC2210单片机的外部存储器BANK3片选CS3连接,当SA8为1,SA5为0时,选中RTL8019AS芯片,其操作地址为0X83400000～0X8340001F。由于LPC2210单片机是总线开放型的微控制器。所以电路设计是以16位总线方式对网络控制器RTL8019AS进行访问的,即LPC2210单片机的数据总线D0～D15与网络控制器RTL8019AS的SD0～SD15连接,由于网络控制器RTL8019AS的工作电源是5V,而LPC2210单片机的I/O电压是3.3V,所以在总线上串接470Ω的保护电阻。

软件方案

网络控制器RTL8019AS与PC机之间的数据传送是以TCP/IP协议为基础,采用面向连接的编程模式确保数据准确无误的传送,在进行数据传送的过程中把微控制器LPC2210作为服务器,PC机作为客户机。微控制器LPC2210根据接收到的指令,控制电动机的运动,所以在PC机这边必须有发送指令的程序。而在微控制器LPC2210这一边必须有接受指令的程序,并且微控制器LPC2210还需要有计算出三相PWM波占空比的程序,在计算三相PWM波占空比的程序中还需要进行A/D采样等。因此在微控制器LPC2210这一边应该根据实际需要实现实时多任务操作和TCP/IP协议。这就需要把实时嵌入式操作系统移植到微处理器上。这里选用的是实时嵌入式操作系统UC/OS-∏,UC/OS-∏与其它操作系统相比具有许多优点。首先,UC/OS-∏是源代码公开的实时嵌入式操作系统;其次,UC/OS-∏绝大部分是用AN2SIC编写的,可移植性较强,而与微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言编写的,已经压到最低限度,使得UC/OS-∏便于移植到其它微处理器上;UC/OS-∏是为嵌入式应用而设计的,这就意味着,只要开发者有固化手段,UC/OS-∏可以嵌入到开发者的产品中成为产品的一部分。

结束语

充分利用微控制器LPC2210和网络控制器RTL8019AS提供的各种功能,成功地实现了对交流电动机的远程控制。在将嵌入式微型操作系统UC/OS-∏移植到微处理器的基础上,设计了一个结构简单,功能齐全,控制灵活的,以TCP/IP协议为基础的,交流电动机的远程控制系统。这种单片机与网络通信技术的结合是嵌入式系统发展的一大方向,也是未来工业控制自动化的发展趋势之一。因此,具有广泛的应用前景。