基于PIC18F系列单片机的嵌入式系统设计

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摘要：本文结合无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的开发，以 Microchip 公司的 PIC18F452 单片机为主控器件，采用嵌入式实时操作系统μC/OS-II 作为软件开发平台，详细讨论了嵌入式系统的开发模式与流程。
& t( y: ?% e3 _! f$ c关键词：实时操作系统；永磁无刷直流电动机；μC/OS-II
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1． 引言
3 w% [/ Y2 ]. N9 d9 e) s嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础， 软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、体积、成本、可靠 性、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是面向应 用的，系统的硬件选型和软件开发模式都必须根据具体的应 用确定。 永磁无刷直流电动机是电机控制研究领域的热点之一， 这与其自身固有的技术优势密切相关：以电子换相取代了有 刷直流电动机的机械换相。从根本上革除了普通有刷直流电 动机由于电刷换相带来的火花、噪音、高故障率等一系列问 题，同时又使系统的性能能够与普通有刷直流电动机相媲 美，因此得到了广泛的应用。永磁无刷直流电动机的电子换 相离不开电机的转子位置信号，传统的方法是采用霍尔器件 或其他位置传感器检测位置信号，这使得系统的维护和制造 都不方便，并且由于传感器的工作特性不稳定，给系统的安 全运行带来了一些隐患。因此，无位置传感器方案引起了人 们的极大兴趣。 本文结合无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统 的开发，以 Microchip 公司的 PIC18F452 单片机为主控器件， 并采用嵌入式实时操作系统μC/OS-II 作为软件开发平台， 详细讨论了嵌入式系统的开发模式与流程。
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2． 系统硬件平台设计
. l0 _! x. Q: C3 i嵌入式系统设计的第一步是结合具体的应用，综合考虑 系统对成本、性能、可扩展性、开发周期等各个方面的要求， 确定系统的主控器件，并以之为核心搭建系统硬件平台。
$ y; Y' e' B  _- V9 p6 h: M无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的关键问 题是位置检测。目前已经有了很多位置检测方案，其中，反 电势法由于简单实用而得以广泛采用。反电势法的原理是： 基于电机的三相端电压，通过硬件检测电路或软件算法得到 三相反电势过零信号，然后用软件移相得到换相时刻，并在 换相时刻按换相逻辑完成换相，触发逆变桥以合适的导通时 序工作，从而保证了电机的正常运行。 反电势法的永磁无刷直流电动机无位置传感器控制对 系统硬件提出了更高的要求： ① 三个外部中断输入引脚，便于捕捉三相反电势过零信号；
' ]! _; G5 n4 T1 c0 z; K! k ② 至少一个 PWM 模块，实现电机的斩波调速； ③ 丰富的定时器资源，完成软件移相、测速等功能； ④ 多通道的 AD 转换模块，能够采样速度给定及主电路的电 流、电压信号； ⑤ 硬件乘法器，保证速度、电流调节器的快速性； ⑥ 足够的程序和数据存储器，便于系统扩展； ⑦ 高速的系统工作频率，保证系统的强实时性； ⑧ 丰富的通信模块，便于系统与其他嵌入式系统的互连。 对于无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的设 计，有很多专用芯片可供选用，但为了进一步提高系统性能， 增强设计的灵活性，多采用 DSP 或专用单片机等智能器件。 但是，这样在提高系统性能的同时却增加了系统开发成本。 为了设计一个高性能、低成本的开发平台，针对应用对系统 硬件的要求，考虑到 PIC18F452 单片机的高性价比，选用其 作为主控器件。 PIC18F452 是 Microchip 公司推出的一款增强型 8 位单 片机，采用精简指令集（RISC）的设计，有两级流水线， 最高运行频率可达到 10MIPS，能够满足系统对实时性的要 求；指令总线 16 位宽，数据总线 8 位宽；单片机内部有 32K 字节的 FLASH 程序存储器，1.5K 字节的数据存储器和 256 字节的 EEPROM，便于系统的扩展；自带 8×8 硬件乘法器； 中断资源丰富，提供 18 个中断源，两个中断优先级，并且 中断优先级可配置。PIC18F452 单片机配备了丰富的外围模 块，极大地简化了单片机外围电路的设计。同时，Microchip 公司为 PIC18F 系列单片机提供了功能强大的指令集，共 77 条指令，绝大部分指令为单字（2 个字节）存储，单周期执 行，应用代码的存储压缩率高，指令执行效率高。
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