毕业设计课题内容和本人的主要工作
本课题要求设计并制作一个嵌入式系统用于数控系统中。要求选用一控制处理芯片作为系统控制芯片；设计必要的人机交互界面，向系统提供参数设置，同时显示系统信息；设计一个电机驱动控制电路，控制伺服电机系统工作；设计RS232通讯接口电路，方便数据传输；为了系统能够稳定工作还要设计一可靠电源。软件方面需要设计伺服电机控制的PID算法，串口通信程序，键盘扫描，以及LCD的显示程序。下面将在第2章中介绍嵌入式芯片，运动模块、驱动控制、显示模块以及通信接口等的初步知识，在第3章中具体介绍电机工作及其控制系统，电源部分，LCD显示部分，通信接口电路的设计。第4章中着重介绍系统软件设计，诸如PID控制程序，LCD显示程序等。
通过查找资料，了解嵌入式系统的应用背景、现状及可行度，然后根据要求提出可行性方案，设计出具体的电路并调试，按要求完成相应的软件设计。
嵌入式控制模块
近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但68HC与51系列等传统的基于累加器结构的单片机，需要大量的程序代码，以实现累加器之间的数据传送，给汇编的程序开发增加了困难，也使高级语言开发中的编译效率难以提高。
AVR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力；同时采用低功率，非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash,EPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。特别地，除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外，还具有在线编程的特点，这给调试和使用带来了很大的方便[7]。
相比之下，ARM系列微处理器作为全球16/32位RISC处理器市场的领先者，在许多领域内得到了成功的应用。近年来，ARM在国内的应用也得到了飞速的发展，越来越多的公司和工程师在基于ARM的平台上面开发自己的产品。与传统的4/8位单片机相比，ARM的性能和处理能力当然是遥遥领先的，但与之相应，ARM的系统设计复杂度和难度，较之传统的设计方法也大大提升了[8]。
综合各个方面来看，选择ARM芯片来作为控制芯片。 
2.4　运动模块
2.4.1  运动模块动力学基础
 以电动机为动力源和起动源，来驱动机械工作的系统称为机电传动系统。它是将电能转变为机械能．实现工作机械的启动、停止和速度调节。为了设计电动机的调速系统。首先必须先知道负载的大小以及负载的性质．以此作为选择电功机和确定调速系统方案的依据。下面将介绍电动机与工作机械之间的转矩和速度的关系、工作机械的负载特件。以及机电传动系统稳定远行的条件。
电动机带动工作机械的机电传动系统如图2-2所示。电动机提供电磁转矩T带动负载运动。负载的反抗力TZ，根据动力学，列出运动平衡方程，则有式（2-1）
T —TZ = J                              (2-1)
式中 T—电动机的电磁转矩 ;
   TZ—负载转距 ;
   J—工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量 2
   w—电动机的角速度 
当T大于TZ，即  >0时，系统加速；当T< TZ时， <0，系统减速； =0时，系统恒速。可见，惯性力矩只有在系统加速和减速时存在。

                     
                            图 2-2  单轴机电传动系统
    图2-2所示的单轴传动系统运动。但在实际的机电传动系统中，在电动机与工作机械执行机构之间往往要经过齿轮减速箱、皮带传动、链传动等减速装置，这就形成多轴传动。因此，为了列出这个系统的运动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯量(或直线运动的质量)都折算到一根铀上、即间化成最简体的单轴系统。
2.4.2  运动模块调速系统
直流电动机电枢的PWM调压调速：
直流电动机转速n的表达式(2-2)所示：
                                  (2-2)
U—电枢端电压；
I—电枢电流；
    R—电枢电路总电阻；
 —每极磁通量；
     K—电动机结构参数。
由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并连励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。下面要介绍的就是在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。 图2-3b是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us, ,t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-3b所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U，如式2-3所示：
           U0=（t1US+0）/(t1 +t2)=t1Us/T=  US                       （2-3）
式中 为占空比， ；
    占空比 表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0＜ ＜1。由上式可知，当电源电压Us不变的情况下．电源的端电压的平均值Uo取决于占空比 的大小，改变 值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。

 
图 2-3  PWM调速控制原理和电压波形图
根据直流电动机的转矩(电流)与转速的关系，可以做一个图来表示电动机运行的状态，如图2-4所示，从图中可以看出，第一象限是电动机正转运行状态；第三象限是电动机反转状态；第二和第四象限分别是电功机反转和正转时再生制动运行状态。如果电动机在4个象限上都能运行，说明电动机的控制系统功能较强。
     无制动的不可逆PWM系统：不可逆PWM系统中，电枢电流的波形如图2-5所示，它在每个PWM周期中是由两段指数曲线组成。在PWM周期的0—t1区间，V1导通，电枢绕组与电源接通，电流按指数规律上升，同时，因电流增加而向电枢绕组电感蓄能；在PWM周期的t1—t2区间，V1截止。因此，也称二极管D1为续流二极管。图2-5表示在PWM控制方式中，直流电动机电枢电压波形为脉冲方式．电流波形为连续的波浪方式，因此电流有波动。电流的波功将导致电动机输出转矩的波动[8]。