基于87C196KC单片机的步进电机高灵敏度控制系统

1 引言
    在现代控制系统中，数控机床的高灵敏度控制是一个重要的分支。而单片机体积小、重量轻，具有很强的灵活性，因此得到越来越广泛的应用，尤其在数控机床方面。目前，我国的许多应用领域仍以MCS-51系列8位单片机为主，但是在一些较为复杂，对实时性、灵敏性要求较高的场合，它就显得力不从心，不得不让位于16位单片机。87C196KC芯片为Intel公司的高性能16位单片机，是其CHMOS中的第二代产品。它不但集成了监视跟踪定时器WDT、高速输入输出通道HSIO、外部设备事件服务器，还具有高精度的10位A/D、D/A和PWM波发生器功能。87C196KC单片机拥有3路PWM发生器，它们分别由P2.5口、P1.3口和P1.4口输出，其内部拥有存储容量为16KB的EPROM和512B的RAM，是步进电机控制系统的理想机种。本文主要结合87C196KC 单片机的PWM发生器，给出三相步进电机控制系统的硬件和软件设计。
2 PWM波发生器工作原理
    下面以PWM/P2.5引脚为例，给出PWM波发生器的硬件电路和工作原理。PWM波发生器结构框图如图1所示。
    由图1可知，PWM波主要由脉宽调制控制寄存器PWM-PWM波发生器的时钟可以由系统时钟提供，也可以由外围电路通过IOC2.2引脚提供。在选择由系统时钟提供的方式时，还可选择直接提供和经二分频提供的方式。单片机上电后，8位循环计数器即开始工作。每接收一个脉冲计数值增1，当其内容由0FFH再增1时，计数器溢出，引脚PWM端变为高电平输出。在PWM_CONTROL中置入要转换的数字量，其值与8位循环数器的值相比较，当二者相等时，R-S触发器使得引脚PWM端变为低电平输出。由此可见，引脚PWM端输出高电平的时间由8位循环计数器的值决定，引脚PWM端输出低电平的时间由PWM——CONTROL决定。通过二者的结合便可输出宽度可变的脉冲波。

3 系统总体设计
    该87C196KC单片机构成的数控机床采用三相步进电机高灵敏度控制系统，能够精确地调节步进电机的行走速度，可以在三维空间中改变电机的行进方向，还可以按操作者设定的行走步数行进。通过键盘和数显模块的结合可以实时地进行速度显示和行程控制。
3.1 系统硬件设计
    由87C196KC单片机构成的三相步进电机控制系统原理图如图2所示。该控制系统通过单片机输出3路PWM波，然后通过反相器、光电耦合器和驱动器控制步进电机的启停和正反转，而步进电机的电流、电压和转速则通过反馈回路进入单片机，并通过数显电路加以显示。电路中的光电耦合器是出于系统安全性的考虑，起隔离作用，以此把单片机输出的弱电信号和电机驱动电路的强电区分开来。驱动器采用具有较高输出电流的达林顿驱动步进电机。键盘和数显模块中，采用4×5键盘设置数字键、方位键、数显选择键和确定键等,采用Intel 8279芯片对键盘和4位共阴极LED显示器进行管理和控制。

3.2 系统软件设计
    系统软件设计包括主程序设计和中断程序设计。通过外部键盘的输入控制和经由反馈回路的A/D转换均采用中断方式。考虑到程序模块的可移植性和程序的执行效率，系统程序采用C语言和汇编语言混合编程的模式，主程序才用C96程序，中断程序采用汇编语言编写。由于篇幅的限制，在此仅给出系统软件主程序的流程图，如图3所示。

    在系统主程序中，考虑到系统的安全性，前后设置WDT清零操作。在设定PWM波输出的前提下，置PWM波控制寄存器，用以和相应的软件定时器值相比较，来决定PWM波的占空比。在进行方位控制和速度调节时，只需改变定时器的值，然后调节3路PWM波输出顺序和占空比即可。
4 抗干扰措施
    在单片机应用系统中，系统的抗干扰性能直接影响系统工作的可靠性。一旦系统受到干扰，程序指针发生错误，将会造成程序执行的混乱或进入死循环，系统无法正常运行，严重时可能损坏系统硬件。
    本系统在硬件和软件方面分别采取了抗干扰措施。硬件上，系统进行了良好的接地，采用了隔离技术和硬件滤波技术，在此，用光电隔离器隔离强弱电信号，用滤波器排除反馈回路的干扰信号。在软件方面，设置软件陷阱，在非程序区设置拦截措施，当程序指针PC失控进入非程序区时，使程序进入陷阱，用LJMP ＃2080H指令填满非程序区，以使程序返回初始状态，同时，运用“看门狗”技术，启用16位监视跟踪定时器WDT。WDT是一个16位计数器，其计数脉冲由单片机的系统时钟CLOCK(T)提供。每经历一个T，WDT的内容增1。WDT一旦被启动，便开始计数，只要不对其清零，其内容将持续增加，直到经过64K个T周期产生溢出，系统复位，WDT停止工作。软件陷阱和WDT的双重运用将有效保证系统的可靠性。
5 结束语
    该系统具有高精度、实时性和可控性等特点，再加上硬件方式和软件方式的多重抗干扰措施，大大地提高了系统的可靠性。

参考文献

1 李群芳，黄建. 单片微型计算机与接口技术. 北京：电子工业出版社，2001?
2 刘复华. 8xC196KX单片机及其应用系统设计.北京: 清华大学出版社, 2002?
3 马忠梅等编著. 单片机的C语言应用程序设计. 北京:北京航空航天大学出版社,1999?
4 李晓波，董新伟. 提供80C196KC片内A/D性能方法初探. 微处理机,2001(1)?
5 汪建，赵俊峰. 基于80C196单片机的电网参数数字测量系统. 微处理机,2002(2)