步进电机式外表与模仿电路电子式外表比较，其分度均匀，指针的重复功用好、呼应速度快、颤动小、产品品质的稳定性和可靠性有根本确保[1] ，因而步进电机式轿车外表在我国逐步遍及。这种轿车外表一般选用微操控器驱动步进电机带动外表指针滚动。微操控器操控步进电机一般需求外加驱动电路，而选用专用的轿车外表步进电机驱动集成电路能够简化轿车外表的软硬件规划，进步外表的稳定性和可靠性。本文介绍并比较了国内常用的驱动器的功用特色，最终以飞思卡尔半导体出产的MC33991为实例规划了车速表。
1 常用外表电机驱动芯片特色及功用比较
国内常用的外表步进电机驱动芯片包含瑞典SWITEC公司的X12.017、伟盈集团出产的VID66- 06和美国飞思卡尔公司出产的MC33991等。
1.1 X12.017与VID66- 06的主要特色
SWITEC公司出产的X12.017在国内运用较广，能够一起驱动4路十字线圈步进电机。VID66- 06操控方法和X12.017完全相同，其各项功用参数也根本相同。它们的主要特色如下。
a.以微步驱动，每个脉冲对应电机输出轴滚动(1/12)°。
b.每个电机只需求速度和方向2个操控端。
c.一切输入脚都有搅扰过滤器;低电磁搅扰辐射。
d.作业温度在- 40～105℃;作业电压4.5～5.5 V.
这种驱动器操控简略，输入信号CW/CCW操控步进电机的滚动方向，输入信号F( scx)的上升沿驱动电机滚动一个微步。经过发送脉冲的频率能够操控电机的滚动速度。
1.2 MC33991的主要特色
MC33991是独自封装，经过SPI (串行外设接口)进行通讯，可一起操控2个步进电机的驱动电路。该电路也能够模仿气隙磁通的运动，把一般电机转化为步进电机来操控。它有以下主要特色[3].
a.有4 096个静态指示方位，接纳方位指令后驱动指针指示。
b.最大指针扫过规模340度;最大指针速度为400 deg/s;最大指针加速度为4 500 deg/s.
c.运用微步距操控技能(每步细分为12个微步)。
d.指针回零校准，能精确地回零。
e. 16位SPI ( Serial Peripheral Interface) ，通讯占用较少的I /O口。
f.内部时钟校准功用;睡觉形式下的耗电量较小。
g.作业温度- 40～125℃;供电电压规模6.5～26 V。
MC33991可设定步进电机最大转速。其具有内部状况机，确保在正常操作时，驱动器接纳到方位指令后，以稳定加速度抵达最大速度，然后在适宜的时间减速，并确保减速过程中不超越最大减速度，抵达指定方位后速度等于零，防止指针颤动。此外， MC33991能够答应2个步进电机或其间之一作业。其内部确诊功用可确诊单个步进电机是否过热、电池电压过高或许过低、指针归零状况驱动器内部时钟的作业状况、确认外表的指针是否在滚动。由以上功用特色能够看出， MC33991比X12.017和VID66-06功用更丰厚，如过电压和过热确诊功用、回零校验功用。且运用X12.017和VID66-06作为驱动时，为使外表指针运转滑润，有必要在微操控器程序中对步进电机速度进行细分，不然简单产生超调颤动。
2选用MC33991的轿车车速表规划
轿车内行进过程中，轿车车速传感器产生频率与轿车车速成正比的脉冲信号，此脉冲信号经过滤波扩大后送给微操控器，微操控器使用输入捕捉通道捕捉2次脉冲信号的距离时间，并依据距离时间核算轿车行进速度。最终，微操控器把核算得到的速度转换成方位指令发送给MC33991， MC33991驱动步进电机指向对应的刻度。
本规划选用微操控器MC68HC908GR16作为主控芯片，选用SWITEC公司出产的外表用步进电机X15.288作为执行器。MC68HC908GR16是飞思卡尔半导体公司出产的8位微操控器，片内具有16 KBFLASH存储器和1 KB RAM存储器。其内部锁相环( PLL)能够把外部32.768 kHz晶振频率升频至8 MHz内部总线频率。微操控器内部集成了增强的串行通讯模块( ESCI)、8路10位A/D模块、SPI模块、8位键盘模块，具有2个独立的16位守时器，每个守时器都由1个守时计数器和2个输入输出通道组成。其内部还集成了守时基模块，能够守时把微操控器从STOP形式中唤醒。
MC33991内部有6个寄存器，微操控器经过发送16位的SPI指令到这些寄存器来操控并读取MC33991的作业状况。16位SPI数据的15～13位是地址， MC33991接纳到微操控器的指令后，把指令的15～13位与这些地址比照，并把数据放到对应的寄存器。这些寄存器的地址与功用如表1所列。微操控器经过这些寄存器来操控电机的最大速度、指针方位、指针回零，并读取电机的运转状况、线圈是否过热、电压是否过高或过低。
2.1硬件电路规划
硬件电路包含速度传感器信号调度电路、微操控器与MC33991的接口电路。
2.1.1速度脉冲检测电路
车速传感器把车速信号转化为脉冲信号，其频率与车速成正比。此脉冲信号经过调度电路送给单片机的T1 CH0 ( Timer 1 channel 0) ，速度脉冲的调度电路如图1所示。在没有脉冲信号输入时，三极管集电极和发射极关断，脉冲调度电路输出高电平。有脉冲输入时，三极管导通，调度电路输出跳变到低电平。
2.1.2 MC33991接口电路
微操控器MC68HC908GR16与MC33991使用串行外设接口SPI通讯。微操控器、MC33991和外表用步进电机的接口电路如图2所示。
表1 MC33991内部寄存器
图1 速度传感器信号调度电路图
图2 MC33991与MCU接口电路图
MC68HC908GR16的SPI时钟引脚SPSCK、主机数据输入从机输出引脚MISO、主机数据输出从机输入引脚MOSI和I /O引脚PTC5, 别离接MC33991的SCLK、SO、SI、CS引脚, RSTB引脚与单片机的RST引脚衔接。
2.2 软件规划
2.2.1 SPI通讯程序
微操控器MC68HC908GR16 上电后要初始化MC33991。MC68HC908GR16的SPI设为主形式。发送数据的格局要契合MC33991接、发数据的时序,MC33991收发数据的时序如图3所示。SPI无数据传输时CS=1, 时钟信号坚持低电平。有数据传输时,MC33991的SI引脚在SCLK时钟的下降沿读入1位数据, 而输出引脚SO在时钟的上升沿输出数据。设MC68HC908GR16的SPCR寄存器时钟极性位COPL=0,时钟相位操控位CPHA=1。设引脚PTC5方向寄存器DDRC5=1, 设为输出。不与MC33991通讯时令PTC5坚持高电平。MC33991每次接纳的数据有必要是16,32, 48⋯位。
2.2.2 MC33991初始化流程
MC33991的初始化流程图如图4所示。微操控器先向PECCR发送指令封闭步进电机, 并在2个电机中止滚动的状况下发送时钟校对指令。经过时钟校对后, MC33991内部时钟稳定在1 MHz ( ±10%) ,校对时钟后使能电机, 可答应2个或许其间一个作业, 然后向寄存器RTZCR发送指令设置指针回零速度, 向VECR寄存器发送指令操控电机的最大转速。假如步进电机回零时指针不在一个整步方位或许磁场摆放没有对齐, MC33991回零检测会产生过错,导致回零失利。所以在发送电机回零指令前, 先使电机行进24微步或许30, 36, 42⋯微步, 以坚持磁场摆放规整, 然后发送指针回零指令, 指针转向电机的逆时针极点。每一时间只能有一个指针回零,微操控器检测回零状况直至回零完毕。
初始化时需求留意, 时钟校对可选为1 MHz,单片机发送完时钟校对指令后拉低引脚, 延时8 μs后再将其拉高。假如电机的齿轮减速比较低则挑选0.667 MHz, 这种状况需求延时12 μs。
2.2.3 车速检测
MC33991初始化后设MC68HC908GR16的守时器1通道零为输入捕捉形式, 在输入脉冲的下降沿进入捕捉中止, 并核算2次下降沿的计数差值Δt。本规划的车速外表盘的最大车速为120 km/h,最高速度与最低速度对应刻度盘的夹角为225 °, 对应MC33991的静态指示位为2 700。
轿车行进速度能够使用以下公式核算
式中: n———2次速度脉冲距离内计数器的计数值之差; T———微操控器计数器时钟源的周期;D———车轮外径; μ———轿车轮胎变形系数( 一般取0.93～0.96) ; N———车轮转一周, 车速传感器发送的脉冲数。
微操控器依据核算得到的速度在外表盘上的方位, 核算出MC33991的静态指示方位, 并把静态指示位发给MC33991, MC33991驱动外表指向指定方位。为加速程序运转速度, 先依据车速、轿车车速外表盘的参数核算出一个常数Con。
式中: vmax———轿车外表盘指示的最大速度;C———用于调整指针指示夺冠的常数。其间C用来调整车速表的指示方位, 使外表指示速度不小于轿车的实践速度。车速表指针应指向
的方位P0=Δt /Con, 由微操控器直接向MC33991发送此方位( P0) 指令, MC33991接到方位指令后即操控外表电机旋转, 指向刻度盘的对应方位。
3 完毕语
本文具体介绍了一种轿车车速表的规划方案,规划选用专用集成驱动芯片MC33991。此表在试验台运转测验时, 指针能够滑润滚动, 在加速度较高时也没有超调颤动。与传统机械式外表比较, 这种外表呼应速度快、颤动小、产品的稳定性和可靠性高。与选用其它驱动芯片的步进电机式外表比较,首要此表占用硬件资源少, 操控便利, 外表呼应快; 其次能从恣意方位以设定的速度恒速回零, 抵达零点时无颤动; 最终外表滚动时, 微操控器能够随时经过MC33991读取步进电机的作业状况。
