低成本ARM系列LM3S101微控制器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

LM3S101是美國(guó)Luminary公司生產(chǎn)的、基于ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器芯片，它的銷售價(jià)格在1美元以下，在構(gòu)建同等性價(jià)格比的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)成本很低。廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司推出了以學(xué)習(xí)和評(píng)估該芯片為目的的開發(fā)套件EasyArm101。該套件由H-JTAG調(diào)試器、開發(fā)板、KeilμVision開發(fā)工具包、各類驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、文檔以及與實(shí)例程序配套的相關(guān)元器件等組成。
1 LM3S101芯片的架構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 架 構(gòu)

圖1是LM3S101 芯片電路圖和EasyArm101開發(fā)套件實(shí)物圖。



LM3S101采用哈佛架構(gòu)、Thumb-2指令集。芯片內(nèi)部集成了8 KB單周期的Flash ROM，2 KB單周期的SRAM，2個(gè)32位定時(shí)器，1個(gè)同步串行接口(SSI)，1個(gè)遵循ARM FiRM規(guī)范的看門狗定時(shí)器，1個(gè)UART，2個(gè)模擬比較器以及18個(gè)GPIO等，時(shí)鐘頻率為20 MHz。

1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

◆存儲(chǔ)管理方式簡(jiǎn)單；

◆具有硬件位操作能力；

◆中斷響應(yīng)快捷；

◆定時(shí)器與脈寬調(diào)制PWM功能；

◆同步和異步串行接口。

2 開發(fā)環(huán)境和過(guò)程

2.1 開發(fā)環(huán)境

支持LM3S101芯片開發(fā)的集成環(huán)境有好幾種，本文以Keil μVision3 for ARM軟件為例來(lái)介紹開發(fā)環(huán)境。該軟件集成了編譯器、鏈接器和調(diào)試器等，其使用方式與Keil for C51相似。針對(duì)LM3S系列控制器提供的函數(shù)庫(kù)名為Stellaris Drivet Library。

2.2 開發(fā)過(guò)程

① 開發(fā)軟件安裝：安裝KeilμVision3 for ARM軟件。

② 調(diào)試器驅(qū)動(dòng)安裝：將ULINK調(diào)試器連接到計(jì)算機(jī)，選擇自動(dòng)搜索驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)安裝。

③ 設(shè)置編譯器：選擇Project→Components，Environ-ment；Books進(jìn)入編譯器設(shè)置界面，選擇RealView編譯器。選中Use RealView Complier選項(xiàng)，其他選默認(rèn)設(shè)置。

④ 建立工程：選擇Project→New Project，輸入工程名，選擇對(duì)應(yīng)的MCU型號(hào)LM3S101。按軟件提示復(fù)制相應(yīng)的啟動(dòng)代碼。該啟動(dòng)代碼用匯編編寫，它主要對(duì)堆棧和中斷向量進(jìn)行初始化。接下來(lái)需將DriverLib.lib文件導(dǎo)入到工程，該文件就是Stellaris Driver Library的二進(jìn)制版本，導(dǎo)入以后就可以在程序中調(diào)用庫(kù)函數(shù)。

⑤ 程序調(diào)試：應(yīng)用程序編寫完成后，按F7編譯。編譯通過(guò)以后，選擇Flash→Download菜單，就可以將程序下載到LM3S101上。

3 LM3S101應(yīng)用實(shí)例

3.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制

使用PWM控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出方波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里采用定頻調(diào)寬法，即方波的周期不變，只改變方波寬度。當(dāng)PWM輸出占窄比為50％時(shí)，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)占空比小于50％時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比大于50％時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)占空比就可以改變轉(zhuǎn)速。按鍵KEY1和KEY2用來(lái)控制占空比進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)，按下KEY1時(shí)占空比提高10％，按下KEY2時(shí)占空比降低10％。

3.1.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理

直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速控制原理圖如圖2所示。其中，TA7291S是直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，工作電壓為4～20V，最大輸出電流為0.4 A。



3.1.2 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖3所示。初始化程序?qū)WM占空比設(shè)置為50％，將PA5和PA4設(shè)置為上升沿中斷觸發(fā)方式。當(dāng)中斷發(fā)生后，由中斷服務(wù)程序修改占空比，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。



3.2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)使用四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極單相激磁方法。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行通過(guò)4個(gè)輸入控制信號(hào)CE、CD、SI和MO來(lái)控制。其中，CE是步進(jìn)電機(jī)使能位，高電平使能，低電平禁能；CD用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，低電平順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，高電平逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；SI為轉(zhuǎn)動(dòng)量控制端，每收到一個(gè)脈沖即轉(zhuǎn)動(dòng)N個(gè)步進(jìn)角；N的值由端口MO設(shè)置，低電平時(shí)N為1，高電平時(shí)N為10。輸入控制信號(hào)由PA0～PA3進(jìn)入，激磁信號(hào)由PB0～PB3輸出。

3.2.1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制電路原理如圖4所示。其中TLP521-4為光隔芯片，UNL2003為達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器，用于進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。



3.2.2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖5所示。主程序等待輸入控制信號(hào)觸發(fā)外部中斷，每次中斷轉(zhuǎn)動(dòng)N個(gè)步距角，其判斷過(guò)程由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。



結(jié) 語(yǔ)

LM3S101芯片性價(jià)比高，具有配套完善的軟件開發(fā)工具和豐富的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，使用C語(yǔ)言編程，兇此特別適合構(gòu)建32位的小嵌入式系統(tǒng)。本文介紹了使用開發(fā)套件EasyArm101進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制的實(shí)例。