余康克 鄭建立 東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

基于S3C2440的步進(jìn)電機(jī)速度隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

余康克 鄭建立 東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的高精度控制，通過(guò)操作旋轉(zhuǎn)編碼器，獲得位置、速度信號(hào)，解決傳統(tǒng)的通過(guò)鍵盤(pán)中斷控制步進(jìn)電機(jī)導(dǎo)致的精度較低的情況。設(shè)計(jì)了一套步進(jìn)電機(jī)速度隨動(dòng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)將通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)傳入S3C2440處理器芯片進(jìn)行信號(hào)處理，再通過(guò)S3C2440處理器芯片控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的高精度，實(shí)時(shí)手動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)手動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)間接自由地控制步進(jìn)電機(jī)，具有操作靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。此系統(tǒng)能很好的應(yīng)用在醫(yī)療組織切片等場(chǎng)合。

步進(jìn)電機(jī) 旋轉(zhuǎn)編碼器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 S3C2440

隨著醫(yī)療行業(yè)市場(chǎng)的需求，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用有越來(lái)越多的要求本文針對(duì)醫(yī)療組織切片機(jī)，設(shè)計(jì)了基于S3C2440的步進(jìn)電機(jī)速度隨動(dòng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體框架搭建及控制部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)醫(yī)療組織切片機(jī)的具體功能設(shè)計(jì)了以下四個(gè)硬件部分：分別是輸入部分的旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ1E，信號(hào)處理部分的處理器芯片S3C2440，輸出部分的驅(qū)動(dòng)芯片2MD320，和動(dòng)作部分的步進(jìn)電機(jī)35H34-0404A，硬件總體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)各部分具體細(xì)節(jié)

2.1 輸入部分旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ1E

旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ1E是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)的精密傳感器。特點(diǎn)是小巧，分辨率高，力矩小，耗能低，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。我們使用的旋轉(zhuǎn)編碼器是增量型編碼器，使用的型號(hào)為E6B2-CWZ6C。

圖1 硬件部分基本架構(gòu)

2.2 信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 S3C2440最小系統(tǒng)

此項(xiàng)目需要一個(gè)外部中斷接口和五個(gè)GPIO接口，于是一個(gè)S3C2440芯片的最小系統(tǒng)就能完全滿足以上需要。此最小系統(tǒng)包括SDRAM、Flash、調(diào)試接口、時(shí)鐘、電源、復(fù)位。

2.2.2 S3C2440中斷處理方式

旋轉(zhuǎn)編碼器A，B，Z相脈沖信號(hào)采集部分采用外部中斷方式，通過(guò)S3C2440芯片的GPIO口來(lái)完成對(duì)輸入脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)工作。要想正確地執(zhí)行2440的外部中斷，一般需要完成兩個(gè)部分內(nèi)容：中斷初始化和中斷處理函數(shù)。中斷處理函數(shù)負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的中斷指令，為了把這個(gè)中斷處理函數(shù)與在2440啟動(dòng)文件中定義的中斷向量表相對(duì)應(yīng)上，需要先定義中斷入口地址變量，該中斷入口地址必須與中斷向量表中的地址一致，然后把該中斷處理函數(shù)的首地址傳遞給該變量，即中斷入口地址。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)編碼器鑒相方法

編碼器內(nèi)部把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩組近似于正弦的電信號(hào)輸送出去，然后根據(jù)需要把這些信號(hào)進(jìn)行差值或數(shù)字化處理，兩組正弦信號(hào)A、B在相位上相差90°。根據(jù)A、B之間的相位關(guān)系即通過(guò)鑒相可確定旋鈕的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)A超前于B時(shí)為正轉(zhuǎn)，而當(dāng)B超前于A時(shí)為反轉(zhuǎn)。在1個(gè)周期時(shí)間T內(nèi)，S3C2440芯片通過(guò)程序能準(zhǔn)確判斷出A點(diǎn)對(duì)于B點(diǎn)的相位情況，鑒相程序流程如圖2所示。

圖2 鑒相算法流程

2.3 兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片2MD320

2MD320步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一款高性價(jià)比的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最大可提供2.0A的電流輸出。此步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖信號(hào)端接S3C2440芯片的GPB13口，方向信號(hào)端接S3C2440芯片的GPB14口，其他端口根據(jù)具體要求相接。

3 性能測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)搭建的硬件實(shí)物和軟件編程所做的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明步進(jìn)電機(jī)能跟隨旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，并且具有較高精度，基本實(shí)現(xiàn)了我們所期望的功能。如表1所示為測(cè)試平臺(tái)測(cè)試出的脈沖接受率。

表1 測(cè)試平臺(tái)測(cè)試出的脈沖接受率

如上所示，測(cè)試結(jié)果表明可能人為的在轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器的時(shí)候可能出現(xiàn)手抖的情況，但在硬件之間不存在脈沖的丟失，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片很好的接收了編碼器發(fā)出的所有脈沖，接受率是100%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于S3C2440芯片的步進(jìn)電機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了某品牌醫(yī)療切片機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該品牌切片機(jī)的基本功能，后續(xù)還可以在S3C2440芯片的平臺(tái)上繼續(xù)開(kāi)發(fā)QT界面，使之更好的利用。

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余康克，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式技術(shù)。鄭建立，男，博士，副教授，主要研究方向：微機(jī)技術(shù)。