高压平流泵控制系统规划与完成，软硬件协同

1前语

1.1高压平流泵操控现状

高压平流泵是运用电机驱动柱塞泵，使液体以安稳的流量及压力输出的一种设备，作为剖析仪器的动力源，广泛运用于石油、化工、食物、制药、煤炭、环保等工业范畴。其首要技能要求：压力规模0~42MPa，流量规模0.001~9.999mL流量差错小于0.5%，从技能参数可知，如此小流量、高精度、高压力的流量计较难制作。平流泵又称恒流泵，要求流速安稳。平流泵流量的设定，实质上便是改动电机的转速，所以恒流效果怎么首要取决于电机速度的安稳性。

现在，国内出产的恒流泵大多为步进电机驱动。这种泵本钱低，调试便利，但丧命缺点是在低流量下有较大脉动，很难确保恒流效果。这是由于步进电机是依照必定拍节和相序作业。为了处理这一问题，可学习国外仪器，运用直流电机替代步进电机，使恒流泵的功用大为前进^[1]。直流电机具有杰出的线性调速特性，简略的操控功用，高的功率，优异的动态特性，特别适用于要求调速的体系。

现在市场上通用的电机操控器大多选用单片机和DSP。可是传统单片机的数据处理才干有限，对选用杂乱的反应操控的体系，由于需求处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满意规划要求。近年来出现了各种高速SOC单片机，其功用得到很大前进，价格却比DSP低许多。其相关软件和开发东西越来越多，功用也越来越强，但价格却在不断下降。现在越来越多的厂家开端选用SOC单片机来前进产品性价比^[2]。

1.2本文首要内容

体系选用PWM技能闭环调理直流电机转速，然后准确操控平流泵流量。

体系对高压平流泵精度要求十分高，流量精度要求小于0.5%。如此高精度需求有高功用操控器来收集调理直流电机转速，PIC32MX460F512L可很好满意要求，它采样直流电机转速，经过剖析处理，发送恰当占空比的PWM信号给电机，然后准确操控直流电机转速。为前进体系安稳性，电机驱动选用电机专用驱动芯片LMD18200。

体系供应压力、电流和热报警三重维护，以防平流泵损坏。压力和电流选用PIC32MX460F512L供应的A/D模块采样，精度高达10位^[8]。

为便于人机交互和调试体系，体系供应了安稳牢靠的通讯功用，通讯部分选用光耦阻隔，供应RS232通讯办法。

2相关技能和原理

2.1 直流电机操控办法

在各类机电体系中，由于直流电机具有杰出的发动、制动和调速功用，直流电机调速体系已广泛运用于工业、航天范畴的各个方面。跟着半导体技能的前进，电力电子技能飞速发展，使直流电机的传动技能得到改善，以往遍及选用的三种根本调速办法，即：(1) 改动电枢回路总电阻；(2)改动电枢的供电电压；(3) 改动励磁磁通，发展为晶闸管相控整流电机调压体系，以及全波不控整流——PWM轧波直流电机调压调速体系^[3]。直流电机脉宽调制（PWM）直流调速具有调速精度高、呼应速度快、调速规模宽和耗费低一级特色，使之成为直流电机运用的首要调速办法。

2.2 PWM直流调速原理

PWM操控是对脉冲的宽度进行调制的技能，即经过对一系列脉冲的宽度进行调停，来有效地取得所需求的波形。依据PWM操控的调速电路把流电压“轧”成一系列脉冲，经过改动脉冲的占空比来取得所需的输出电压。在PWM驱动操控的调速体系中，经过改动电机电枢电压接通时刻与通电周期的比值（即占空比）来操控电机的转速。用脉宽调制的办法，把安稳的直流电源电压调制成频率必定宽度可变的脉冲电压序列，然后改动均匀输出电压的巨细，以调理电机转速。可见，在直流电压下，当调制脉冲频率必守时，脉冲宽度与占空比成线性关系。

在脉冲效果下，按一个固定的频率来接通和断开电源，就能够实时操控电机的作业速度。当电机通电时速度添加；电机断电时速度减小。设电机直接接通电源时(即占空比为100%)，电机的转速为V_m，设占空比为D=t/T，则电机的均匀速度为

(2-1)

式中：V_e——均匀速度；V_m——全速（即直接通电时的速度）；D=t/T——占空比(0-100%)。

由式(2-1)可见，V_m是直流电机直接通电时的速度（全速），只跟电机自身的特性相关，电机必守时，V_m为一个定值。改动占空比D=t/T，就能得到不同的均匀速度，然后就能够对电机转速进行实时操控^[4]。严厉地讲，均匀速度与占空比D并不是严厉的线性关系，在一般的运用中，可将其近似当作线性关系。

2.3 H桥型电机驱动原理

图2-1 H桥PWM驱动

常见的PWM驱动体系的主电路（功率扩大器）结构有：H型和T型。这儿以H型结构为例阐明PWM双极式驱动的电路作业原理。

H桥PWM驱动如图2-1，图中VD1、VD2、VD3、VD4为续流二极管，用来维护VT1、VT2、VT3、VT4三极管，U_b1=U_b4=-U_b2=-U_b3。

当U_b1=U_b4为正时，VT1和VT4导通，VT2和VT3截止，U_AB＝U_s。

当U_b2=U_b3为正时，VT1和VT4截止，VT2和VT3不能当即导通，由于电机的反电势使AB存在续流，续流流经VD3和VD2，维护了四个三极管，若续流在这个进程没有得到很大衰减，而U_b1=U_b4为正的阶段现已降临，则VT2和VT3一向不能导通；若续流在这个进程中得到很大衰减，则VT2和VT3导通，U_AB＝-U_s。

明显，U_b1=U_b4为正的时刻和U_b2=U_b3为正的时刻相一同，U_AB的均匀电压为0，电机动态中止；当U_b1=U_b4为正的时刻善于U_b2=U_b3为正的时刻时，U_AB的均匀电压>0，电机正转，U_AB的值越大，转速越高；当U_b1=U_b4为正的时刻短于U_b2=U_b3为正的时刻时，U_AB的均匀电压0，电机回转，U_AB的值越小，转速越高。

可见，只需操控U_b1、U_b2、U_b3、U_b4的脉冲宽度，就可操控直流电机的转向和速度，且能够到达动态中止，有利于正回转死区电压的消除^[3]。

2.4 电机驱动H桥组件LMD18200

小型机电一体化产品要求直流电机的驱动器既有较小的体积，又能供应较大的电流、电压输出。选用达林顿三级管可建立H桥完结PWM脉宽调制操控体系，但由于分立器材各个元件的特性并不相同，调速功用并不太好，而且电路不能到达很高的安稳性。比较而言，选用美国国家半导体公司推出的专用于运动操控的Ｈ桥组件LMD18200具有很大优点。该芯片上集成有CMOS操控电路和DMOS功率器材，峰值输出电流高达6A，接连输出电流高达3A，作业电压高达55v，还具有热报警和过热与短路维护功用^[5][6][7]。

原理框图如图2-2。由于电机由LMD18200驱动，对电机的操控便是对LMD18200操控，所以这儿将详细介绍一下该芯片的用法。

图2-2 LMD18200原理框图

(1) PWM信号类型

LMD18200可选用两种不同类型的PWM信号：①类型1 PWM信号中既包含方向信息又包含幅值信息，50%占空比的PWM信号代表零电压。运用时，该信号应加于方向输入端（脚3），一同将PWM信号输入端置逻辑高电平。②类型2 别离由方向信号与幅值信号组成。幅值由PWM信号的占空比决议，零脉冲时代表零电压。在实践运用时，脚3接方向输入信号，脚5接PWM信号。

(2) 电流取样限流

每输出1A电流，脚8输出377nA取样电流。接在8脚与地之间的电阻将其转化为电压信号，该电压幅值在5-8v之间时，线性度与精度最佳。该端最高电压为12v。电流取样电路并不检测反应电流，仅检测桥臂上端晶体管中的电流。

(3) 温度报警标志

该端(9脚)为OC门输出，对多芯片运用可进行线与。该端一般接到体系操控器的中止输入，以便过热时对体系采纳恰当办法。该端最高电压为12v。

(4) 限流

LMD18200内部含有限流维护电路，用于检测器材中的浪涌电流，该电流挨近10A时，敏捷关断功率器材。器材关断后，维护电路周期性企图注册功率器材。一旦外界短路毛病消失，器材就康复正常作业。由于短路将产生很多热量，在实践运用时，LMD18200有必要装备面积满意大的散热器，一同芯片电源端V_cc（脚6）在PCB上需求1平方英寸的铜箔。

(5) 作业原理

LMD18200内部集成了４个DMOS管，组成了一个规范的H桥驱动电路。H桥高侧DMOS功率器材要求其栅极驱动电压大于电源正极约8V以上才干导通。为此该%&&&&&%设置了内部充电泵电路，它由一个300kHz振荡器操控，充电泵电容被充电至14v左右。此栅极驱动电压上升时刻典型值为20us，适用于作业频率1kHz左右的状况。假如要求更高的作业频率，需求外接自举电容。引荐用两个10nF的电容器别离接于引脚1、2和引脚10、11之间，使栅极驱动电压上升时刻在100ns以下，答应开关频率高达500kHz。引脚2、10接直流电机的电枢两头，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；回转时电流的方向应该是从引脚10到引脚2。电流检测引脚8能够外接一个对地电阻，经过此电阻来检测输出电流的状况。内部维护电路设置的过电流阈值是10A，当超越该值时会主动封闭输出，并周期性地主动康复输出。假如过电流继续的时刻过长，过热维护将封闭整个输出。过热信号能够经过引脚9输出，当结温到达145度时引脚9有输出信号。

6. LMD18200逻辑正值表

LMD18200逻辑正值表如下（表2-1），经过操控PWM信号，Dir信号和Brake信号可操控驱动电流，然后操控电机的转向及启停。

表2-1 PWM逻辑正值表

PWM	转向	刹车	实践输出驱动电流	电机作业状况
H	H	L	流出1、流入2	正转
H	L	L	流入1、流出2	回转
L	X	L	流出1、流出2	中止
H	H	H	流出1、流出2	中止
H	L	H	流入1、流入2	中止
L	X	H	NONE

2.5 本规划中软件

2.5.1 Altium Designer Summer 09

原名protel,从2004年开端更名为protel dxp 然后是新版 Altium Designer 6.0。6.9今后开端了以年份命名

Altium Designer Summer 09是依据Windows的32位EDA规划体系，集成强壮的规划才干、杂乱工艺的可出产性、规划进程办理于一体，可完好完结电子产品从电学概念规划到生成物理出产数据的全进程。既满意了产品的高牢靠性，又极大缩短了规划周期，下降了规划本钱。

Summer 09版别处理了很多前史留传的东西问题。其间就包含了添加更多的机械层设置、增强的原理图网络类界说。新版别中更重视于改善测验点的分配和办理、精简嵌入式软件开发、软规划中智能化调试和流通的License办理等功用。

运用Altium Designer Summer 09规划电路板的一般流程如下：

(1) 电路原理图的规划。

(2) 产生网络报表。

(3) 印制电路板的规划。

2.5.2 MPLAB IDE

MPLAB集成开发环境（IDE）是一款免费的集成东西组合，用来对选用Microchip PIC®和dsPIC®单片机的嵌入式运用进行开发。MPLAB IDE作为32位运用程序作业在MS Windows®体系上，其运用便利而且包含一系列免费软件可进行快速运用开发和强壮的调试。MPLAB IDE也可作为独立的一致图形用户界面，支撑其他Microchip和第三方的软件及硬件开发东西。由于MPLAB IDE对一切东西都出现相同的用户界面，因而无论是东西之间的切换，仍是免费软件模仿器向硬件调试和编程东西的晋级均十分快捷

MPLAB IDE 供应以下功用：

　　• 运用内置修改器创建和修改源代码。

　　• 汇编、编译和链接源代码。

　　• 经过运用内置模仿器调查程序流程调试可执行逻辑；或许运用MPLAB ICE 2000和 MPLAB ICE 4000 仿真器或MPLAB ICD 2 在线调试器实时调试可执行逻辑。

　　• 用模仿器或仿真器丈量时刻。

　　• 在调查窗口中查看变量。

　　• 运用 MPLAB ICD 2、PICSTART Plus 或 PRO MATE II 器材编程器烧写固件。

• 运用MPLAB IDE 丰厚的在线协助快速找出问题的答案。

2.5.3 Microsoft Visual C++ 6.0

3需求剖析

3.1体系所需的首要功用

3.1.1 电机速度检测

可实时准确检测电机转速，以便体系调速和用户设定转速。

平流泵冲程为2mm，管道直径为3.175mm，由此可核算出平流泵冲程体积为15.83mm3，平流泵取最大流量10ml/min时，冲程次数为10*1000/15.83=632次。大齿轮转一圈产生2个冲程，因而最大流量时，大齿轮转速为632/2=316rpm。皮带传送的转速比为10:1，电机转速要求为316*10=3160rpm，因而电机最高转速应选4000rpm以上，这儿挑选5000rpm。电机转速规模1~5000rpm，转速规模大，不易准确采样。

3.1.2 电机调速

依据用户设置的电机速度，体系主动调理电机转度，使体系安稳作业，以便用户操控平流泵流量，电机调速精度在1.0%规模内。

3.1.3 电机维护功用

平流泵精度高，电机质量好，应供应恰当办法维护电机，特别是压力维护，压力精度为0.1MPa。

3.1.4 通讯功用

要求体系具有串口通讯功用，以便与用户交互和调试体系。

3.1.5 其他功用

本体系是平流泵产品的一部分，要求为产品的其他部分供应所需接口，如电扇电源接口，压力检测接口等。

3.2 功用需求

3.2.1 精度需求

在精度需求上，依据运用需求：平流流量准确操控，要求电机速度准确检测操控，电机调速精度在1.0%规模内，电机转速规模为1~5000rpm。

3.2.2 时刻需求

电机维护，电机速度设定都要求较高的呼应时刻，特别是电机维护。

3.2.3 接口需求

(1) 通讯接口

本体系要求供应UART串口接口，最好也嵌入485接口，以便运用户调试程序和操控体系。

(2) 正交编码接口

为了检测电机转速，体系应供应正交编码器接口。

(3) 压力检测接口

为便于检测平流泵压力，体系应供应压力检测接口。

(4) JTAG接口

下载调试程序都要用到JTAG接口。

3.3 体系方针

(1) 电机速度准确可控，以确保平流泵流量的高精度。电机转速规模1~5000rpm，调速精度为1.0%。

(2) 给高压平流泵供应压力和电流两重维护办法，压力精度为0.1MPa。

(3) 人机杰出交互，电机速度可设置，以便平流泵流量调试。

(4) 高牢靠通讯功用，以确保与用户交互顺利。

4概要规划

4.1 总述

高压平流泵操控体系是一个嵌入式体系，为完结体系所要求的功用，需求软件硬件和谐作业。

操控体系操控器选用PIC32MX460F512L。PIC32MX460F512L依据80MHz, 1.56 DMIPS/MHz, 32-bit MIPS M4K Core规划的微操控器，它将高功用的32位核算引进到对价格灵敏的嵌入式微操控器运用中，在前进功用的一同下降了本钱。它供应了丰厚的外设接口，满意满意该体系的规划需求，内置的PWM模块可用来操控直流电机，广泛运用于直流电机操控体系，本体系就选用其作为操控中心单元。

LMD18200作为电机驱动芯片，前面已介绍过其功用。硬件电路选用PIC32MX460F512L+LMD18200计划，比分立电路规划牢靠，比单片机操控体系功用高，是一个不错的规划计划。

硬件可很好的完结了电机操控，软件所要做的便是驱动硬件和准确采样，确保平流泵作业的精度。本体系用循环和中止机制操控体系，不选用操作体系，首要依据以下考虑：

(1)本体系中使命较少，首要有测速并操控速度，采样电流，采样压力和协议处理，PIC32MX460F512L供应了丰厚的中止资源，大部分使命可经过中止机制完结，如测速调速，采样电流，采样压力。

(2)操作体系自身要占用存储空间，使命调度和切换需求耗费时刻，当使命切换频频时所耗时刻更多，而操作体系并不能削减中止时刻。

对重要信息的收集选用中止办法，削减推迟，前进体系呼应速度，缩短体系呼应时刻。此外，能用硬件完结时尽量用硬件完结，以前进体系牢靠性和呼应。

4.2 硬件规划

本体系的硬件规划总框图如下：

图4-1 硬件体系总框图

硬件体系首要分为五个模块，别离为：电源模块，MCU模块，电机驱动模块，通讯模块及其它。

体系要作业就需求有电源，电源模块为整个体系供应适宜牢靠的动力。

MCU是体系“大脑”，体系要有条有理作业，就需求和谐各模块乃至各个器材的作业次序，这个使命就由MCU来完结。此外，它仍是体系的核算中心，各个模块的信息反应给它，它经过对信息的剖析核算，之后再效果于相应模块器材。它经过剖析正交编码器反应的信息可核算出电机的速度，并依据要求值和实践值来恰当调理电机转速。它承受串口传来的用户指令，经过剖析可效果于相应模块以到达用户的方针，例如用户经过串口可向MCU发送设定转速指令，MCU经过剖析经过调理PWM信号的占空比效果于电机驱动模块，然后到达设置电机速度的意图。它可接纳电机驱动模块反应的电流及热报警信息，经过剖析，可采纳恰当办法效果于电机驱动模块，以完结电机的维护功用。此外，它还完结了ADC接口可完结压力检测，JTAG接口可完结程序的下载和调试。

电机驱动模块是体系的首要作业模块。本体系便是为了完结电机操控，电机驱动模块是直接效果于电机的模块，MCU经过对LMD18200的准确操控可完结电机的准确操控，然后准确操控了平流泵。

通讯模块首要完结与用户的交互，为前进牢靠性，规划中选用光耦阻隔。本体系规划中供应了两类接口，RS232和RS485

其他模块首要为了依据体系详细状况添加接口。例如：电扇电源接口。

4.3 软件规划

软件规划层次图如下，共包含3部分内容：底层，驱动层，运用层和上位机。

图4-2 软件规划层次图

4.3.1 下位机

驱动库为上层驱动层规划供应接口，便于驱动层编程规划。

驱动层包含了体系所需外围接口的驱动程序，首要包含：直流电机驱动、PWM驱动、温度检测驱动、蜂鸣器驱动、ADC（模数转化）驱动和串口驱动。

直流电机驱动首要完结速度的采样及调速，它承受正交编码器的脉冲信号，经过脉冲采样来完结速度采样，并依据采样值与设定值差值对PWM进行调理。

PWM驱动完结PWM模块的初始化，PWM占空比的设置，对电机进行直接操控。

温度检测完结LMD18200热报警的处理，首要完结相应引脚的初始化及对热报警的检测，体系中选用中止办法进行处理。

蜂鸣器驱动完结蜂鸣器的初始化及一些简略操作，供其他程序调用。

ADC驱动把模仿量转化为数字量，完结压力采样和电机电流采样。依据采样量的要求采纳不同处理，压力采样除维护电机外，还供应给用户查看，以供用户运用；电机电流采样首要为维护电机，避免电流过大时损坏电机。

串口驱动完结串口初始化及相应操作，首要为承受和发送字符。

运用层包含串口指令解析和main()函数。串口指令解析程序承受用户的指令，并依据指令对体系进行操控。main()完结整个体系的调度，使体系以适宜的次序有条有理作业。

经过以上剖析可知，体系硬件软件和谐作业，可很好的完结用户所要求的功用。

4.3.2 上位机

上位机用户界面首要用于完结交互功用，用户能够经过此界面向体系发送指令来完结对体系的操控，一同此界面能够实时显现当时体系作业的各项参数，如平流泵压力、电流、电机转速等信息，并能够以波形的方法直观的显现到界面上。别的，本体系还配有数据库，他将实时记载体系的各项参数，以供对体系进行二次研制供应相应数据。

5详细规划

5.1硬件规划

5.1.1电源模块

电路要正常作业，就需求有适宜的电源供电。一个好的供电体系是电路正常作业的首要条件。微操控器需求3.3v电源，直流电机要安稳作业需求24v电压，本规划中从外部引进24v电压，经变压后供应3.3v电源供电路板正常作业。此外通讯模块需求5v电源供电，因5v只在通讯模块中用到，所以把5v电压放到通讯模块介绍。

为了避免大电流或大电压给电子设备构成损毁，一般运用保险丝作为电路维护元件，最好选用自复保险丝，免除替换元件的烦恼。此外，选用二极管IN4007稳压，其只答应单向电压经过，维护了整个电路元器材。

24v电压变压为3.3v首要用到芯片LM2575-3.3，其运用如图5-1，芯片两头都要用电容滤波去耦。

图5-1 LM2575-3.3运用电路

为便于调查电路板上电状况，在电源模块加LED灯指示上电状况。

5.1.2 MCU模块

本规划中用到的处理器为PIC32MX460F512L，可选用两种办法装置到电路板上：插座和SMD。选用SMD焊接芯片时，微处理器芯片损坏时，可把带有PIC32MX460F512L芯片的小主板插到电路板插座上；当选用插座办法装置处理器芯片时，芯片损坏时，只需替换小主板，一同也为电路板的调试带来便利。

这时规划就要了解小主板上电路，经过查阅数据手册知道小主板完结了5v转3.3v电压改动电路和复位电路（如图5-2）及晶振电路，在电路板上需求从头规划这些电路。小主板供电选用5v电源，由于本规划中除通讯模块选用5v电压外，其他全为3.3v供电，所以在此规划中小主板亦选用3.3v供电，不过此刻小主板的复位功用就消失了。由于电路板选用3.3v供电，所以在电路板上要规划的电路就剩余晶振电路和复位电路。

图5-2 小主板上电压转化及复位电路

体系中晶振电路规划简略，只需在晶振两头添加两个30pF去耦电容即可。

复位电路规划如图，本规划中复位电路仅仅简略的阻容耦合电路，没有选用复位芯片，是由于芯片内部嵌有看门狗电路，可很好完结复位。

图5-3 复位电路

再来看一下小主板插座规划，小主板3.3v供电，插座中只需求一个3.3v的电源引脚接3.3v电源即可使小主板安稳作业，插座中接地端都要接地以防搅扰。

5.1.3 电机驱动模块

驱动电机是本次规划的方针，天经地义电机驱动模块是规划的要点。前面已介绍过电机驱动芯片LMD18200，现就本规划介绍详细运用。

电机驱动模块总结构框图如图5-4。微处理器经过PWM操控驱动芯片，然后到达操控电机作业及调速的意图，一同LMD18200电机驱动芯片向微处理器传输热报警信号（TFLAG）和采样电流（CTEST）。为了检测和操控电机速度，添加了QE编码器，编码器输出信号直接传输到微处理器，以便MCU核算并设置PWM，然后准确操控电机转速。

图5-4 电机驱动模块图

LMD18200数据手册中一典型电路如下图，其间，PWM信号选用类型2。

图5-5 LMD18200典型运用

本规划中LMD18200引脚衔接图如下。

图5-6 LMD18200运用

前面现已较为详细地介绍了LMD18200的功用及运用，现就本规划中的详细运用做一下简略介绍。Vs为电源输入端，接105电容滤波，GND为接地端。引脚1、2间，10、11直接入了10nF的自举电容，引脚2、10输出驱动电机作业。这儿PWM类型选用类型2，即从引脚5输入PWM信号，引脚3作为电机方向信号输入端。引脚4是电机制动信号，直接接地就能够，表明永不制动，当然可经过其他办法使电机中止作业，如PWM信号。引脚9是集电极开路输出端，运用中要接上拉电阻，可接最大电压为12v，依据体系需求接3.3v电压，该引脚接到MCU一中止引脚上，以便产生中止时体系采纳恰当办法。引脚8为电流取样信号输出端，供应377uA/A电流，经过下拉电阻使电流信号转化为电平信号。在这儿考虑下拉电阻的巨细，取峰值输出电流6A时，3.3v/(6A×377uA/A)约为1.46k，在这儿取电阻为1k，首要考虑到电流或许大于6A，数据手册中说到有时到达10A，故在此最好加一稳压二极管（这儿挑选IN4728）。

电流取样时，由于电流为模仿信号最好加扩大器，这儿选用AD623扩大信号，由于信号现已较强，不需求增大扩大倍数，故在此引脚1，8间不接电阻悬空即可。在电路原理图中把它与压力检测方到一同，由于两者均为模仿信号处理，在PCB中要特别处理。

图5-7 AD623运用规划

5.1.4 通讯模块

电路规划中一般都需求通讯模块来调试程序及通讯，本体系也不破例，这儿规划了232串口接口。此外，为了确保数据牢靠性，选用光耦进行阻隔。总结构图如下：

图5-8 通讯模块框图

详细规划如下：

首要是变压，为通讯模块正常安稳作业供应5v电压。有两种计划可选，第一种3.3v变压到5v，第二种办法是从外部引进的24v直接变压为5v。由于3.3v电压自身便是经24v变压所得，经过两次变压，牢靠性及安稳性欠好，且由低电压变为高电压存在必定缺点，不如高电压变为低电压，这儿选用第二种变压办法。详细规划如下图，芯片两头只需加%&&&&&%滤波去耦即可。

图5-9 24v转5v电路

现在来考虑光耦，光耦一端接MCU（电压端3.3v），一端接233芯片和485芯片（电压端5v）。详细规划如下，芯片选用4N30，MCU引出信号U2Tx、U2Rx，衔接通讯芯片的信号为TX2S、RX2S。

图5-10 光耦运用

232接口芯片MAX232电路如下：

图5-11 RS232规划图

485接口芯片电路规划如下：

需求特别指出的是：1）这儿添加了一跳线，装备跳线可独自完结232功用或485功用，如图中S1。这儿之所以让两个接口共用同一MCU通讯线路，首要考虑到MCU出毛病或许性很小（若是选用小主板方法拼装MCU，当MCU 出毛病时只需替换小主板即可）。此外，若要完结别的一组串口通讯，必要添加相应的光耦，添加了电路板面积，添加了本钱。2）485芯片的使能信号接在一同，此信号有晶体管驱动。当向外发送时，若输出低电平，晶体管不导通，输出使能；若输出为高电平时，晶体管导通，输出禁能，输出引脚为高阻状况。与软件串口通讯协议联系起来，串口通讯中，无信号时输出高电平，开始位为一低电平。当要向外输出高电平时，晶体管导通把操控信号DE变为低电平，输出禁能，默许状况下，串口输出仍为高电平，芯片能正常作业。当然，使能信号可直接由MCU操控，但那样添加了软件难度，这儿体现出硬件和软件相通的思维，即硬件的功用可有软件来完结，软件的功用也可有硬件来完结。

5.1.5 其他模块

(1) 直流蜂鸣器

经过操控晶体管的导通与否来操控蜂鸣器的响停，所以蜂鸣器部分只需一个GPIO接口操控即可，把引脚方向设为输出，引脚高电平时蜂鸣器响，引脚低电平时蜂鸣器响停。

(2) 正交编码器接口

正交编码器安在电机上，用来检测电机速度，需求一个7孔接口。起效果的信号有三个：A相，B相和索引信号，三信号均为脉冲信号。A相，B相信号用于检测速度和方向，索引信号用来确认肯定方位，电机滚动一圈可产生多个相脉冲信号和一个索引脉冲信号。CCP引脚可捕获A相、B相脉冲信号，用于检测电机转速。索引信号可简略与一GPIO相连，当有脉冲时，引脚发动一中止即可。

(3) 压力传感器

压力为模仿信号，信号弱小，需求信号扩大，这儿选用AD623扩大器。电路衔接与电机电流取样衔接类似，仅仅在引脚1和引脚8直接一电阻用于扩大输入信号。规划中电阻取10k，扩大倍数为11。

(4) 方位检测器

方位检测器装置在转轮上，用于判别大转轮方位。

5.1.6 PCB规划

硬件电路原理图规划完结后，就需求规划元器材的封装，然后得到适宜正确的网络报表。依据所选元器材及其实践物理尺度规划元器材的封装，这儿要留意的是，Altium Designer Summer 09封装库供应了许多规范元件的封装，元器材有规范封装的尽量选用规范封装，免除制版厂商定制^[10]。将元器材封装与元器材匹配，提取网络报表，为导入到PCB中做准备。

PCB规划按PCB板物理特性设置，布局，布线和DRC流程规划。

PCB板物理特性设置首要是依据产品需求设置适宜的板尺度，设置装置孔方位及巨细和一些其他的有关PCB板物理特性的设置。本规划中PCB选用两层板，板的巨细为100*85（单位：mm）。

布局首要完结PCB板上元器材的放置。这儿要按模块将元器材分隔放置，需求留意的是模仿模块要与数字模块阻隔，以削减彼此搅扰。此外，要依据产品的需求合理放置外部接口，如电源接口，串口等。

布线首要完结PCB板上元器材引脚的衔接。首要设置布线规矩，设置各个线路的宽度，然后主动布线看是否能布通。若能布通阐明布局成功，不然需求恰当调整布局以便利布线。这儿选用手动布线与主动布线相结合的办法布线，首要将电源线与地线布通以便利元器材衔接，需求留意的是元器材的电源和地线网络之间构成的回路要最小，以削减电源供电电流构成的回路电流产生的电磁搅扰。其次，要预布重要信号线，如PWM信号线，PWM信号是高频信号，是电机调速信号，应首要考虑。因本PCB板线路不杂乱，大部分信号选用手动布线。最后按规划规矩主动布线，完结后做恰当调整。

布线完结后，在制板之前要进行DRC查看，以避免电路板出现重要过错。

5.2 软件规划

5.2.1 驱动层规划

5.2.1.1 串口驱动规划

程序要调试，首要要完结串口。在串口驱动文件中包含四个函数，串口初始化函数InitUart2 ()，串口发送函数Uart2Send()，串口接纳函数GetCharInBuf()以及串口服务子程序void __ISR(_UART2_VECTOR, ipl2) ntUart2Handler(void)。

(1) InitUart2 ()完结串口初始化。

(2)Uart0Send()，GetCharInBuf()和UART0_ISR()共同完结串口的发送和承受。体系发送机制为程序有数据要发送，串口就发送数据且直到发送完结（堵塞发送）；字符承受处理在串口中止中完结。这儿选用了循环数组来贮存承受的数据，循环数组有三个特点：CharsInBuf指示数组中存储的元素个数，CircIn指示要存储数据的数组下标，CircOut指示要读取的数据的数组下标。每接纳一个数据而且存储到数组中，CharsInBuf++，CircIn++，当从数组中取出一个数据时CircOut++，当CircIn、CircOut等于数组长度时，从头设置其值为0。

这儿要点介绍一下中止服务子程序，其完结如下：

void __ISR(_UART2_VECTOR, ipl2) IntUart2Handler(void)

{

if(mU2RXGetIntFlag()) //判别中止是否为接纳中止

{

mU2RXClearIntFlag(); //接纳中止标志位清零

if(CharsInBufUART0_LEN) //将串口中的数据写入Buffer中

{

Buffer[CircIn] = (char)ReadUART2();

if(CircInUART0_LEN-1) CircIn++;

else CircIn=0;

CharsInBuf++;

}

}

if ( mU2EGetIntFlag() ) //判别中止是否为过错中止

{

mU1EClearIntFlag();

}

if ( mU2TXGetIntFlag() ) //判别中止是否为传送中止

{

mU2TXClearIntFlag();

}

}

}

5.2.1.2 PWM驱动规划

PWM驱动完结PWM模块的初始化和PWM占空比的设置。PWM模块初始化依照数据手册内容调用相应库函数进行设置即可，PWM模块可产生PWM信号。PWM占空比设置函数为SetPWMdutycycle(int v)；

5.2.1.3 直流电机驱动规划

直流电机驱动首要完结电机速度采样和操控。为了准确采样，电机上装置有正交编码器，电机每转一转，输出400个脉冲。现将计数器设为边缘触发，则采样精度进一步前进，相当于电机转速扩大了400倍。

由于PIC32MX460F512L内核没有内嵌QEI模块，所以需求经过软件采样正交编码器传来的脉冲信号。Initmdc( )装备与采样相关的守时器/计数器。这儿装备TIMER4为16位守时器，守时采样周期；装备TIMER5为16位计数器，计数采样周期内正交编码器传来的脉冲信号。

调理电机转速在采样中止处理函数中完结，其原理前面已介绍，首要思维是当电机必守时，电机速度与占空比成线性关系。当PWM脉冲周期必守时，脉冲宽度与占空比成正比，所以电机转速与PWM脉冲宽度成线性关系。代码完结位函数void Setspeed( )如下

void Setspeed()

{

PWMValue=(unsigned int)ReadDCOC2PWM(); //读取当时状况的pwm的占空比

if(PrPumpstatus==0) SetPWMdutycycle(0); //判别当时的电机状况是否为中止，中止设占空比为0

else

{

if(MotorSpeed > PrPumpMTRSpeed )//当时电机转速大于设定值

{

if( MotorSpeed – PrPumpMTRSpeed >(PrPumpMTRSpeed*0.01))

{

width=PWMValue*(PrPumpMTRSpeed)/MotorSpeed;

if(width==0) width=1;

SetPWMdutycycle(width);

}

}

else

{

if( PrPumpMTRSpeed-MotorSpeed>(PrPumpMTRSpeed*0.01))

{ //当时电机转速小于设定值的0.01

if(MotorSpeed==0)

SetPWMdutycycle(0x0fff);

else

{

width=PWMValue*(PrPumpMTRSpeed)/MotorSpeed;

if(width>4095) //4095为占空比最大值

width=4095;

if(width==0) width=1;

SetPWMdutycycle(width);

}

}

}

}

}

其间，PWMValue为当时PWM脉冲正相部分宽度，MotorSpeed为当时电机转速，PrPUMP.MTRSpeed为设定的转速。

5.2.1.4 温度检测驱动规划

温度检测驱动首要使能与LMD18200 pin9相连的引脚，使其可承受电机热报警信息，并提示用户，这儿依据LMD18200热报警低电平输出特性，选用了低电平中止触发机制。当中止产生时，经过蜂鸣器奉告用户。

5.2.1.5 蜂鸣器驱动规划

MCU经过对一GPIO引脚的操控来操控蜂鸣器的响停。这儿首要完结了引脚的初始化及一个简略的服务（蜂鸣器响一段时刻）。

5.2.1.6 ADC驱动规划

ADC驱动完结了压力检测和电机电流取样功用，包含ADC模块初始化，压力采样检测和电机电流采样检测三部分。ADC模块初始化装备了两个采样序列别离采样压力信号和电机电流信号，两个采样序列的触发办法不同，压力信号的采样序列触发办法为处理器触发，依据体系需求，在需求的时分触发即可得到取得压力信息；电机电流信号的采样序列触发办法为守时器触发，不受用户操控，首要为了维护电机，需求两个中止服务程序完结采样。

电流采样需求在时刻中止合作运用：守时器守时触发ADC采样序列0，ADC中止完结采样信息的处理，当过流时简略地使电机中止滚动，其操控流程如下：

图5-14 电流采样处理流程

5.2.2 运用层规划

5.2.2.1 通讯协议规划

通讯协议完结函数为HandleProtocol()，首要解析了三条简略指令，完结了泵的滚动，泵的中止和泵速度的设定。指令解析首要经过字符串匹配，本规划中选用case句子匹配字符串，需求添加指令时只需添加case句子即可，为后续开发供应便利。

表5-1 串口指令解析

指令	数据流向	意义
UXXXX/uXXXX	上位机→下位机	泵发动
DXXXX/dXXXX	上位机→下位机	泵中止
S????/s????	上位机→下位机	设置泵转速
B????/b????	下位机→上位机	显现当时流量
P????/p????	下位机→上位机	显现当时转速
C????/c????	下位机→上位机	显现当时电流

注：a.表中X代表任一字符，？代表任一数字。

5.2.2.2 Main()规划

Main()函数和谐前台运用程序，其处理流程如下：

图5-15 Main()处理流程

Main()依据用户需求输出压力转速信息，转速为全局变量，其操控实践在速度采样中止中完结；压力信息的获取仅仅简略的调用了ADC驱动文件中的压力获取函数GetPress()。

初始化首要完结全局变量，时钟及相应驱动初始化，这儿需求留意的是，与守时器和谐作业的模块的初始化要放到守时器初始化前面。

5.2.2.3 上位机用户界面

上位机用户界面首要是便于操作人员和高压平流泵操控体系的交互。实时地直观的显现出体系反应的相关信息和便利的设置调控体系相关参数。

6测验

6.1测验

6.1.1 软件仿真

经过开发东西的仿真功用对体系做功用仿真和时序剖析。

6.1.2什物调试

经过调试电机，了解到PWM脉冲周期直接影响电机安稳性

6.2测验数据

6.2.1 串口测验

串口首要完结功用便是通讯，一方面输出程序需求输出的数据，另一方面输入数据时依据需求输出数据。这儿仅仅简略地让体系输出速度设定值，当设定值改动时，输出亦改动。测验成果如下：

图6-1 串口测验

由测验成果知，体系很好地完结了串口功用。

6.2.2 ADC测验

ADC模块首要用于收集电流、压力。P%&&&&&%32MX460F512L的ADC模块为10位，满量程3.3v时分辨率高达3.3v/1024=3.2mv。这儿以采样电流测验，当与电流相对的电压大于2639（相当于7A电流，377uA/A *1k *7A=2.639 v =2639 mv）时输出“The Current over”。经过调理电阻，数据输出成果如下：

图6-2 电流采样测验

由测验成果知，体系的ADC模块精度高。

6.2.3电机速度采样与调速测验

体系采样电机速度，并依据采样成果对电机进行相应调速。现给出1000rpm和3000rpm时调试成果，体系向上调速时输出“100plu”，向下调速时输出“100min”，如下图。

图6-3 1000rpm 测验 图6-4 3000rpm 测验

由测验成果可知，体系调速精度在1.0%内，当超出此规模时就调速，使体系维持在设置速度1.0%内。