摘? 要: 介紹變頻器專用仿真器的設計開發。硬件設計方面,介紹了芯片的選擇,重點論述三對PWM波形發生器、保護電路和信號輸入輸出電路,并選擇并口與上位機通信;軟件設計方面,仿真器與上位機的通訊使用同步串行通訊(SPI),軟件依據此通訊協議而設計,使用32位命令-地址-數據方式。此仿真器也可直接用于變頻控制,實際使用證明,此仿真器優于其它通用型仿真器。
關鍵詞: 變頻器? 仿真器? PWM波形
?
市面上各種仿真器應有盡有,但這些仿真器是通用性的,對于使用8XC196MC作為變頻器專用芯片的開發人員來說,卻并不那么好用,甚至有一定的障礙,因為仿真器的有些端口已被仿真系統使用,用戶就不能再使用這些端口。
下面依據變頻器開發的一些要求設計簡單好用的8XC196MC仿真器,重點是三相波形發生器(WG)及保護(EXTINT)電路8XC196MC和其他的芯片比較,一個最顯著的特點是它的WG電路。WG是使8XC196MC適合于電機控制的主要片內外圍電路,其與專用三相波形發生器芯片HEF4752相似,但它的功能更強,使用起來更方便,占用CPU時間更少。WG可產生三對具有同一載波(三角波或正向鋸齒波可選)但占空比各自可編程的PWM波形,每對PWM波形是互補的。其間的死區時間(不重迭激活時間)、輸出極性和輸出組合均可編程。載波周期和各相的占空比的修改方式以及每個載波周期中斷請求次數也可編程。當被WG驅動的外設發生故障時,其保護電路立即硬件關閉WG的輸出,并提出中斷請求。當用WG的三對PWM波形(經隔離放大)來驅動三相逆變器時,可實現交流電機的變頻調速或其他交直流調速方案。
1 硬件設計方案
為了簡化仿真器r 設計,使用87C196MC作仿真器開發芯片,這樣可以利用其內部的EPROM。內部的EPROM可以作為仿真器的監控程序(要求正確無誤),外部的RAM可以作為仿真器的用戶程序。內部EPROMr 主要任務是將用戶程序、數據送到外部RAM中或從RAM中讀取程序、數據因為87C196MC在運行內部EPROM程序時,外部的P3、P4、P5口可以設置為I/O口,這樣就可以控制這三個I/O口來控制RAM數據的寫入或讀出,此時P3、P4口需要接上拉電阻),在傳送用戶程序時從內部EPROM處執行程序(將
=1后復位)。傳送完用戶程序后,再從外部RAM處執行程序(將
=0后復位)。另外,為了使用方便,使用一個8255作為鍵盤掃描和動態顯示擴展芯片,分配重復地址0FF00～0FFFF共256個地址空間。8255的PB口用來作為驅動數碼管8段碼的信號,PC下口作為驅動數碼管4位碼的信號,同時作為鍵盤掃描輸出信號,PC上口其中3位作為鍵盤掃描輸入信號,這樣就有4個動態顯示的數碼管和12個鍵組成的鍵盤,已能滿足大部分的開發要求。8255其余端口可留給用戶擴展使用。RAM使用32K(程序數據共同占用),地址為0000～7FFF,這樣大的空間已經能滿足幾乎所有的開發應用,剩下8000~FEFF的31.75K留給用戶擴展使用。
2 仿真器硬件設計
硬件設計要求將WG波形發生器的輸出口(產生三對PWM波形用來驅動三相逆變器)、A/D轉換輸入口(用于反饋電流、反饋轉速、電位器電壓設置、電位器頻率設置等的輸入)、多功能P2口(用戶可以利用它作一些如電源開關、報警、轉速捕獲及串行通訊等)、保護電路輸入引腳EXTINT(它和外部中斷共用同一引腳,用來接受外設的故障信號,并同時提出中斷請求)留給用戶,另外安排鍵盤和顯示(使用8255擴展)。為了用戶使用方便,這些口都必須使用標準的接口插槽。仿真器與計算機進行通訊,才能將程序或數據寫入或讀自仿真器的RAM,所以仿真器本身需要通訊接口。為了不占用用戶端口,強制使用8位總線方式,這樣就多出了P5.6(BUSWIDTH)和P5.4引腳,如果使用簡單的同步帶時鐘反饋串行通訊方式與計算機連接,使用計算機并口(計算機并口操作簡單,并且有輸出鎖存器,還可以控制
、
等引腳,與前面的要求相符)與仿真器通訊。由于A/D轉換共有13路,一般情況下用戶用不了這么多,所以可以選擇P1.0和P1.1給仿真器通訊使用。
按這樣的方式分配引腳:P1.0——由計算機到仿真器的主時鐘(CLKI)信號;P1.1——由計算機到仿真器的數據(DI)信號;P5.4——由仿真器到計算機的數據(DO)信號;P5.6——由仿真器到計算機的反饋時鐘(CLKO)信號。圖1就是儀此而設計的仿真器框圖。
?
3 仿真器軟件設計
軟件設計的主要任務是完成計算機和仿真器的通訊,也就是說,要求計算機的軟件協議與仿真器的軟件協議相容。選用同步帶時鐘反饋串行通訊協議,計算機為主機,仿真器為從機,這樣就不受延時時間的限制,而且通訊速度可以在一定的范圍內可調。協議定義如下:
(1) 數據格式采用8位無校驗方式;
(2) 從機一直等待主機時鐘上升沿;
(3) 在主機的時鐘上升沿之前,主機的數據已準備好;
(4) 從機在接受到主機的時鐘上升沿后,讀取主機送來的數據,將反饋時鐘信號置位(高電平)。主機在接受到從機的反饋時鐘信號上升沿后,將主時鐘信號清位(低電平);
(5) 從機在接受到主機的時鐘下降沿后,發送自己的數據給主機,然后將反饋時鐘信號清位;
(6)主機在接受到從機的反饋時鐘信號下降沿后,讀取從機送來的數據;
(7) 這樣就完成了1位數據的傳遞,如此重復第3步到第6步,直到8位數據傳完,時序如圖2。
?
另外,使用4字節命令-地址-數據格式。第一字節是命令字,包括讀、寫和測試命令;第二字節是高地址;第三字節是低地址;第四字節表示要寫入或讀出的數據。
仿真器傳送一個字節數據(同時輸出1字節數據和輸入1字節數據)算法設計如下:
(1)寄存器DATAIN存放從計算機輸入到仿真器的數據,寄存器DATAOUT存放仿真器輸出到計算機的數據,設置計數器COUNT=8;
(2) 等待計算機的主時鐘信號上升沿;
(3)將DATAIN寄存器左移一位,讀取輸入主數據電平。如果為1,則DATAIN=DATAIN+1,否則轉向4;
(4) 將從時鐘信號置高;
(5) 等待計算機的主時鐘信號下降沿;
(6) 將DATAOUT左移一位,最高位移入C。如果C為1,則將從數據信號置為高電平,否則將其清為低電平,然后將從時鐘信號清為低電平。
(7) 計數器COUNT=COUNT-1。如果COUNT不為0,則轉第2步,否則此子程序返回。
與此相仿,計算機傳送一個字節的算法設計如下:
(1) 設置計數器COUNT=8,寄存器DATAIN=0存放從仿真器輸入到計算機的數據,寄存器DATAOUT存放計算機輸出到仿真器的數據,傳送錯誤標志ERROR=FALSE(假);
(2) 判斷DATAOUT的最高位是否為1。若為1,則將主數據信號置位,否則將其清位,然后將DATAOUT左移一位,將主時鐘信號置位;
(3) 等待反饋時鐘信號上升沿,并同時測試是否超時。如果超時,ERROR=TRUE(真),子程序返回,否則轉第4步;
(4) 將主時鐘信號清位;
(5) 等待反饋時鐘信號下降沿,并測試是否超時。
如果超時,ERROR=TRUE,子程序返回,否則轉第6步;
(6) DATAIN左移一位,讀取從數據信號。如果為1,則DATAIN=DATAIN+1,否則直接轉到第7步;
(7) COUNT=COUNT-1,判斷COUNT是否為0。
為0則子程序返回,否則轉第2步。
仿真器向外部RAM寫數據的子程序算法如下(不包括寫命令1字節):
(1) 從計算機傳入一個字節數據(調用一次傳送1字節子程序,以后都是這樣),寫入P4輸出寄存器。然后再傳入一個字節數據,寫入P3輸出寄存器。給地址鎖存引腳ALE(P5.0)一個高脈沖(先置高,再清低),鎖存地址;
(2) 再從計算機傳入一個字節數據,寫入P3輸出寄存器。給單片機寫引腳
(P5.2)一個低脈沖(先清低,再置高),這樣就向RAM寫入了一字節數據;
(3) 子程序返回。
仿真器從外部RAM讀數據的子程序算法(不包括讀命令1字節):
(1) 從計算機傳入一個字節數據,寫入P4輸出寄存器。然后再讀入一個字節,寫入P3輸出寄存器。給地址鎖存引腳ALE(P5.0)一個高脈沖,鎖存地址;
(2) 向P3輸出寄存器寫入0FFH,以定義P3口為輸入口。給單片機讀引腳
(P5.3)一個低電平,再讀P3口引腳寄存器P3_PIN數據到DATAOUT,然后將讀引腳變為高電平;
(3) 向計算機傳入一個字節數據DATAOUT,返回。
依此法設計的仿真器已經投入使用,實際使用證明,根據以上方法設計的仿真器用于變頻器開發非常方便,其中的RAM可以使用EEPROM(如AT28C64)代替(管腳兼容,相鄰數據之間的時間間隔可以通過計算機軟件控制)。用戶程序設計好寫入EEPROM后,可以直接用于工業現場控制。
?
參考文獻
1 王秩泉.高檔單片機8xC196MC與電氣傳動,電氣傳動自動化,1997；19(3)
2 何熙文.Intel 8XC196MC/MD高檔單片機原理及實用設計.大連：大連理工大學出版社,1995
3 趙秀菊.單片微型計算機8XC196原理及應用.南京:東南大學出版社,1995
4 張 利.PC機打印口的原理及應用開發，北京:清華大學出版社，1996
5 Stephen D.Gilbert.跟我學VISUAL C++ 6.北京:機械工業出版社，1999