基于MSP430的控制電機(jī)并測速度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

　　前言

　　最近在調(diào)一個(gè)MSP430單片機(jī)控制電機(jī)并測速度的電路。整個(gè)電路從設(shè)計(jì)制作到調(diào)試成功，花了將近四天時(shí)間，中間Bug多多，不過最后都一并解決了。

　　廢話不多說，直接進(jìn)入主題，先說說我這個(gè)系統(tǒng)。下面Figure 1是MSP430主控制部分，用的芯片是MSP430G2553單片機(jī)（11、12號引腳是反過來滴），第一個(gè)是Pro Download接口，顧名思義，就是程序下載口，我用的MSP430G系列的launchPad 開發(fā)板連接到我設(shè)計(jì)的板子上的，通過這幾個(gè)接口利用launchPad 即可下載程序，為了方便布線，我打亂了這幾個(gè)接口的順序。PWM1和PWM2接口是連接到H橋的兩個(gè)接口，這里使用了G2553的定時(shí)器A1產(chǎn)生PWM。CAP_P12是光電對管連接到比較強(qiáng)后輸入到單片機(jī)的一個(gè)捕獲接口，因?yàn)檫@里可以用定時(shí)器A0的捕獲接口，使用定時(shí)器的捕獲功能，可以使得程序設(shè)計(jì)更為簡單。整個(gè)系統(tǒng)利用了兩個(gè)定時(shí)器，并結(jié)合中斷，使得整個(gè)系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，功耗可以做得比較低（但由于電機(jī)和12864的存在，這里的低功耗程序設(shè)計(jì)顯得毫無意義額。。。）。另外還有一個(gè)12864的串行外部接口（SPI）三根線。

　　再放一個(gè)三線控制13864的圖。由于MSP430x2xx系列是3.3V的器件，這里用到了一個(gè)245芯片來轉(zhuǎn)換電平電壓（CS和SCLK的順序反了，后來布線的時(shí)候改的）。初學(xué)者往往會遇到一個(gè)問題，就是為什么我的12864的滑動變阻器調(diào)了，12864的亮度都不變呢，我在這里只提一點(diǎn)：注意你的復(fù)位引腳的電平。

　　H橋電路太常見，百度出來一抓一大把。

　　至于H橋原理神馬的，我就不在這里多說了。不懂就百度吧，實(shí)際上學(xué)過三極管的，稍微靜下心來分析一個(gè)，都可以看得懂的。下面是一個(gè)比較器的電路，用的是光電對管發(fā)射信號，經(jīng)黑線反射以后PHOTO上產(chǎn)生一定的電壓值，做電路的時(shí)候?qū)崪y　LM358的輸入電壓高達(dá)0.6V（哈哈，其實(shí)也不高…），右邊的LM358構(gòu)成一個(gè)比較器，VCC為5V電壓，經(jīng)10K和50歐姆電阻分壓以后LM358的2號引腳的電壓大致為0.5V0.6V，滿足電路設(shè)計(jì)要求。后加一個(gè)1K電阻保護(hù)后級單片機(jī)（哈哈，這個(gè)電阻方便了我后面的濾波）下面說說問題所在吧。

　　調(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常糾結(jié)的問題。數(shù)據(jù)總是莫名其妙地顯示200轉(zhuǎn)/s甚至是1000轉(zhuǎn)每秒，實(shí)際上，我這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度最大也就110轉(zhuǎn)每秒，這些個(gè)數(shù)據(jù)顯然都是錯(cuò)誤的。反復(fù)檢查定時(shí)器的捕獲程序，檢查了好幾遍，加上有寫了一年的430單片機(jī)程序的經(jīng)驗(yàn)，對這個(gè)G2553的內(nèi)部寄存器相當(dāng)熟悉，反復(fù)分析，100%確定程序沒有任何問題。那么問題在哪里呢？后來分析了一段代碼。

　　這個(gè)函數(shù)是將捕獲到的定時(shí)器的脈沖計(jì)數(shù)值送到12864的一個(gè)中間轉(zhuǎn)換函數(shù)，temp顯示的轉(zhuǎn)速，由于CPU 時(shí)鐘用的1MHz，電機(jī)那里有四個(gè)黑帶，所以實(shí)際的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是250000/tempData，得到這個(gè)數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換成ASCII碼，再送到12864顯示。問題出現(xiàn)在這里，12864顯示數(shù)據(jù)1000+，說明temp = 1000+，比實(shí)際的數(shù)據(jù)100+大了10倍。那么也就意味著tempData的數(shù)據(jù)比實(shí)際的真實(shí)數(shù)據(jù)小了10倍，也就是說定時(shí)器兩次捕獲時(shí)間的間隔比常規(guī)的要小很多，為什么會小了那么多倍呢。

　　思來想去，靈光一閃，哎呀，對了！由于電機(jī)的膠布粘貼得不均勻，產(chǎn)生了大量的不均衡噪聲，使得比較器的輸出含有大量的高頻分量，由于噪聲的存在，使得定時(shí)器的捕獲時(shí)間間隔變小！從而出現(xiàn)了顯示數(shù)據(jù)偏大的結(jié)果。想到問題所在，那么怎么解決掉呢。查看原理圖，發(fā)現(xiàn)運(yùn)算放大器的輸出端接有一個(gè)1K的電阻，哎呀瑪雅，靈感方案突然就來了，做個(gè)簡單的RC低通濾波器不久完了？想到方案以后那么電容的值又該怎么選了？在草稿紙上做個(gè)簡單的分析，現(xiàn)將草稿紙上的內(nèi)容mathtype搬到Word上來。

　　電容的阻抗表達(dá)式：

　　把運(yùn)放的輸出結(jié)果看成一個(gè)電壓源，其輸出電壓等于RC濾波網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓假設(shè)其值為：

　　那么上圖所示的Vout的輸出表達(dá)式為

　　為了方便分析，我們假設(shè)Vi為1V，并且不考慮相位問題，取Vout的模可得

　　輸出表達(dá)式與輸入頻率的關(guān)系找到了，那么我們的電容值又該怎么設(shè)計(jì)呢？考慮到我們的光電管經(jīng)過比較器輸出以后的頻率最大為500Hz，那么我們設(shè)計(jì)一個(gè)‐3dB在500Hz左右的濾波器即可。用MATLAB寫個(gè)小程序。

　　R = 1000;

　　f = 0:0.01:1000;

　　w = 2*pi*f;

　　C1 = 0.001 * 10^-6;%%uF

　　C2 = 0.01 * 10^-6;%% uF

　　C3 = 0.1 * 10^-6;%% uF

　　C4 = 1 * 10^-6;%% uF

　　C5 = 0.3 * 10^-6;%% uF

　　y1 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C1^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C1）/（1+w.*w*R^2*C1^2））.^2）;

　　y2 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C2^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C2）/（1+w.*w*R^2*C2^2））.^2）;

　　y3 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C3^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C3）/（1+w.*w*R^2*C3^2））.^2）;

　　y4 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C4^2））.^2 +

　　（（w*R*C4）/（1+w.*w*R^2*C4^2））.^2）;

　　y5 = sqrt（（1./（1+w.*w*R^2*C5^2））.^2 +

　?。ǎ╳*R*C5）/（1+w.*w*R^2*C5^2））.^2）;

　　plot（f，y1，f，y2，f，y3，f，y4，f，y5）;

　　title（‘RC濾波器設(shè)計(jì)’）;

　　legend（‘0.001uF’，‘0.01uF’，‘0.1uF’，‘1uF’，‘0.3uF’）;

　　xlabel（‘頻率/Hz’）;

　　ylabel（‘輸出幅頻/V’）;

　　在測試C的時(shí)候從1nF開始測試，得到下面的輸出曲線，從圖中我們可以看到，從0Hz到1000Hz，輸出幾乎都是1，不變，1nF的電容不符合我們的設(shè)計(jì)要求。再加大，測試104電容,104電容即0.1uF，得到的輸出幅頻特性曲線如下，顯然不符合我們的設(shè)計(jì)要求，500Hz‐3dB處還差一點(diǎn)點(diǎn)，再加大10倍，測試1uF.

　　下面這張是1uF的測試圖，顯然‐3dB小于500Hz了。也不符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過反復(fù)測試并結(jié)合手頭上有額電容容值，選定474電容，得到幅頻特性曲線也較為理想。敲定電容值以后已經(jīng)迫不及待把電容焊上去了。焊接完畢以后，長時(shí)間觀察，12864沒有再出現(xiàn)200轉(zhuǎn)/秒或者1000轉(zhuǎn)/秒的顯示值，也就是說設(shè)計(jì)的濾波器已經(jīng)起到效果了！做成以后興奮了一小下。興奮之余，想到既然是高頻噪聲的影響，那么何不看看它的頻譜圖呢，一想到，果斷從科協(xié)搬來一臺數(shù)字示波器，測試了安裝RC濾波器前的FFT圖形和安裝RC濾波器后的FFT圖形，現(xiàn)貼在這里。從兩個(gè)圖中，很明顯地可以看到安裝濾波器前裙子噪聲非常明顯，安裝后，裙子噪聲基本沒有了?。?！，看到這里，我又忍不住興奮了一下。

　　解決所有問題以后大松一口氣，終于想通了復(fù)位電路與簡單的RC濾波電路。相比51單片機(jī)的高電平復(fù)位電路，其實(shí)原理也是一樣的——高通濾波器。