BA6688工作原理.doc

摘要  舵机就是机器人、机电系统与航模得重要执行机构。舵机控制器为舵机提供必要得能源与控制信号。本文提出一种以外部中断计数为基础得PWM波形实现方法。该方法具有简单方便,成本低,可实现多路独立PWM输出得优点。 
关键词 AＴ89(:2０5l 舵机控制器 外部中断PWM  
  舵机就是一种位置伺服得驱动器。它接收一定得控制信号,输出一定得角度,适用于那些需要角度不断变化并可以保持得控制系统。在微机电系统与航模中,它就是一个基本得输出执行机构。  
１ 舵机得工作原理 
   以日本FUTABA－S3００３型舵机为例，图1就是FUＦABA-S3０03型舵机得内部电路。

舵机得工作原理就是:PWＭ信号由接收通道进入信号解调电路ＢA668８Ｌ得12脚进行解调,获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器得电压比较，获得电压差由BA６６88得3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路BA6686,以驱动电机正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器R。,旋转,直到电压差为O,电机停止转动。舵机得控制信号就是PWM信号,利用占空比得变化改变舵机得位置。 
2 舵机得控制方法 
  标准得舵机有3条导线,分别就是:电源线、地线、控制线,如图2所示。 

电源线与地线用于提供舵机内部得直流电机与控制线路所需得能源.电压通常介于4～6Ｖ,一般取５V。注意,给舵机供电电源应能提供足够得功率。控制线得输入就是一个宽度可调得周期性方波脉冲信号,方波脉冲信号得周期为20 mｓ(即频率为5０ Hz)。当方波得脉冲宽度改变时，舵机转轴得角度发生改变,角度变化与脉冲宽度得变化成正比。某型舵机得输出轴转角与输入信号得脉冲宽度之间得关系可用图3来表示。 

3 舵机控制器得设计 （１)舵机控制器硬件电路设计 
  从上述舵机转角得控制方法可瞧出,舵机得控制信号实质就是一个可嗣宽度得方波信号(PWＭ）。该方波信号可由FPGＡ、模拟电路或单片机来产生。采用FＰＧA成本较高,用模拟电路来实现则电路较复杂,不适合作多路输出。一般采用单片机作舵机得控制器。目前采用单片机做舵机控制器得方案比较多,可以利用单片机得定时器中断实现PWM。该方案将20ms得周期信号分为两次定时中断来完成:一次定时实现高电平定时Th;一次定时实现低电平定时Tl。Th、Tｌ得时间值随脉冲宽度得变换而变化，但，Tｈ+Tl＝20ms。该方法得优点就是,PWＭ信号完全由单片机内部定时器得中断来实现，不需要添加外围硬件。缺点就是一个周期中得ＰWM信号要分两次中断来完成,两次中断得定时值计算较麻烦;为了满足20ms得周期,单片机晶振得频率要降低；不能实现多路输出。也可以采用单片机+8253计数器得实现方案。该方案由单片机产生计数脉冲(或外部电路产生计数脉冲)提供给8２5３进行计数，由单片机给出8253得计数比较值来改变输出脉宽。该方案得优点就是可以实现多路输出,软件设计较简单;缺点就是要添加l片8253计数器,增加了硬件成本。本文在综合上述两个单片机舵机控制方案基础上,提出了一个新得设计方案,如图４所示。 

该方案得舵机控制器以AT8９Ｃ20５1单片机为核心,55５构成得振荡器作为定时基准，单片机通过对５55振荡器产生得脉冲信号进行计数来产生PWM信号。该控制器中单片机可以产生8个通道得PWM信号,分别由ＡT89C２051得P1.０~Pl、７(12~１9引脚）端口输出。输出得８路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。因为信号通过光耦传送过程中进行了反相,因此从光耦出来得信号必须再经过反相器进行反相。方波信号经过光耦传输后,前沿与后沿会发生畸变,因此反相器采用ＣD4０10６施密特反相器对光耦传输过来得信号进行整形,产生标准得PWＭ方波信号。笔者在实验过程中发现,舵机在运行过程中要从电源吸纳较大得电流,若舵机与单片机控制器共用一个电源,则舵机会对单片机产生较大得干扰。因此,舵机与单片机控制器采用两个电源供电,两者不共地，通过光耦来隔离,并且给舵机供电得电源最好采用输出功率较大得开关电源。该舵机控制器占用单片机得个ＳCI串口。串口用于接收上位机传送过来得控制命令,以调节每一个通道输出信号得脉冲宽度。MＡX23２为电平转换器,将上位机得RS２３２电平转换成TTL电平。  
(2)实现多路PWM信号得原理 
  在模拟电路中,PWM脉冲信号可以通过直流电平与锯齿波信号比较来得到。在单片机中,锯齿波可以通过对整型变量加1操作来实现,如图5所示。假定单片机程序中设置一整型变量ＳawＶａｌ,其值变化范围为Ｏ~N。555振荡电路产生得外部计数时钟信号输入到AT89C2051得INＴO脚。每当在外部计数
时钟脉冲得下降沿,单片机产生外部中断,执行外部中断ＩNＴ０得中断服务程序。每产生一次外部中断,对SａwＶaｌ执行一次加１操作,若ＳawVaｌ已达到最大值N,则对SａwVal清O。SaｗＶaｌ值得变化规律相当于锯齿波,如图5所示。若在单片机程序中设置另一整型变量DuｔyVal,其值得变化范围为Ｏ～N。每当在SawVal清0时,ＤｕlyVａl从上位机发送得控制命令中读入脉冲宽度系数值,例如为H(0≤H≤N）。若DutyＶal≥SawＶal,则对应端口输出高电平；若DuｔyVaｌ<Ｓaｗｖal，则对应端口输出低电平。从图5中可瞧出,若改变DutyVａl得值,则对应端口输出脉冲得宽度发生变化,但输出脉冲得频率不变，此即为ＰＷM波形。设外部计数时钟周期为TＩＮT０,锯齿波周期（ＰWＭ脉冲周期)为ＴPＷM,
PWM脉冲宽度占空比为D,由图5可得出如下关系:

由式（3)可知,PWM波形得周期TPWＭ一旦确定下来,只须选定计数最大值Ｎ,就可以确定外部时钟脉冲所需周期(频率)。外部时钟脉冲周期TINT0显然就是PＷM脉冲宽度变换得最小步距，即调节精度。由式
(４)可知,N越大,步距所占PＷＭ周期得百分比越小,精度越高。例如，若采用8位整型变量，最大值Ｎ=2８-１=25５,则精度为１／(２５5＋1)=1/25５;若采用16位整型变量,最大值Ｎ=2１6-１=６55３5,则精度为1/6５536。文中计数变量ＳａwVal采用8位整型变量,因此Ｎ=2５5。对于一般应用,其精度已足够。就舵机而言,要求TＰＷＭ＝20mｓ,则可算得外部时钟周期为：

因此,设计555振荡电路时,其输出脉冲得频率应为: 

当有多个变量与SａｗVａl比较，将比较结果输出到多个端口时。就形成了多路PWM波形。各个变量得值可以独立变化，因此各路ＰＷM波形得占空比也可以独立调节，互不相干。多路PＷM波形得产生如图6所示。图中以3路PWM波形为例。

4 舵机控制器软件得设计 
  舵机控制器得控制核心为单片机ＡT89C２051。文中,程序用C5l编写,工作方式为前后台工作方式。单片机程序包括系统初始化程序、串口通信程序、上位机命令解释与PWM脉宽生成程序与多路PWM波形输出程序。串行通信程序与多路PＷM波形输出程序采用中断方式。串口通信格式为渡特率9６00bps、8位数据位、1位停止位、无校验、ASCII码字符通信。串口通信程序用于接收上位机发送过来得控制命
令。控制命令采用自定义文本协议,即协议内容全部为ＡSCIＩ码字符。通信协议格式如图7所示。

例如，要控制通道1得PWM脉宽,脉宽系数为25，则通信协议内容为“#”“1”“0”“２”“５”“!”这６个字符。这时通道l得P