某某激光設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案-

1、某某激光設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第一章引言概述方案目的及意義本方案利用激光準(zhǔn)直性好、光強(qiáng)度高等特點(diǎn)，研制出一種高速、精確且易于安裝的一維定位隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)移動(dòng)中的標(biāo)靶。其可應(yīng)用于勘探、測(cè)量、追蹤、識(shí)別等各生產(chǎn)生活領(lǐng)域，具有較廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀目前,世界上先進(jìn)的大尺寸測(cè)量技術(shù)主要有激光跟蹤測(cè)量、數(shù)字掃描攝影、激光經(jīng)緯儀、多關(guān)節(jié)測(cè)量機(jī)器手、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、雙頻激光干涉等。其中，激光跟蹤測(cè)量技術(shù)是在“光靶運(yùn)動(dòng)光束跟蹤”理論基礎(chǔ)上進(jìn)展起來(lái)的，利用激光干涉測(cè)長(zhǎng)、精密測(cè)角及光靶跟蹤技術(shù)，可對(duì)任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，精度高、速度快、范圍大、通用性強(qiáng)，特殊適合于大尺寸工件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，在大型

2、設(shè)備的制造安裝過程中得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的“光靶運(yùn)動(dòng)光束跟蹤”式激光跟蹤測(cè)量技術(shù)的工作原理是：手持測(cè)量光靶與被測(cè)量對(duì)象接觸，測(cè)量激光束始終跟蹤瞄準(zhǔn)測(cè)量光靶，精確測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的空間位置。但其存在以下四個(gè)問題：（1）不能直接應(yīng)用被測(cè)對(duì)象的數(shù)字模型，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)高效測(cè)量）、；（2）對(duì)大型被測(cè)對(duì)象，人工布點(diǎn)及測(cè)量過程繁雜，測(cè)量效率低；（3）人工操作測(cè)量造成被測(cè)對(duì)象幾何形變，嚴(yán)峻影響測(cè)量精度；（4）對(duì)大型薄壁結(jié)構(gòu)，測(cè)量過程困難，甚至無(wú)法進(jìn)行。如何解決以上問題，是當(dāng)前激光跟蹤測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn)。方案創(chuàng)新點(diǎn)本系統(tǒng)光路接受半透半反鏡及全反射膜，以取代一般光學(xué)系統(tǒng)中透鏡組，可提高定位的精度，降低安裝調(diào)試難度。目標(biāo)

3、靶被安放在相對(duì)固定的環(huán)形導(dǎo)軌上， 其表面覆有薄的全反射膜，使反射傳遞給系統(tǒng)光敏傳感器的激光信號(hào)具有足夠的強(qiáng)度。接受把握力量較強(qiáng)的飛思卡爾 16 位單片機(jī)，增加實(shí)時(shí)把握力量。機(jī)械結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)潔，安裝調(diào)整都比較便利，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。本系統(tǒng)具有寬敞的應(yīng)用前景，適應(yīng)不同的精度要求，可加以擴(kuò)充，如依靠?jī)商讉鞲衅鲗?shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位跟蹤、通過擴(kuò)充及轉(zhuǎn)變傳感器排布可實(shí)現(xiàn) 3 維追蹤等。在合適的工藝條件下，該系統(tǒng)可以適應(yīng)絕大多數(shù)環(huán)境，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。技術(shù)報(bào)告內(nèi)容支配本文分五個(gè)部分對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作進(jìn)行說明。其次章是對(duì)設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)潔的說明，主要內(nèi)容是對(duì)設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)概述。第三部分是對(duì)機(jī)械及光學(xué)設(shè)計(jì)的說明。第四部分主要介紹

4、系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)安裝，系統(tǒng)電路板的固定和安裝以及硬件電路的設(shè)計(jì)原理、創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過程等。第五部分是對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分的說明，主要內(nèi)容是隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要用到的把握理論、算法說明及代碼設(shè)計(jì)介紹等。第六部分是對(duì)開發(fā)工具、制作、安裝、調(diào)試過程等所做的一些說明，以及模型車一些主要技術(shù)參數(shù)的說明。其次章設(shè)計(jì)思路及方案論證主要設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)制作的主要思路是利用激光組對(duì)目標(biāo)靶的偏離狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，并將信息采集到 MC9S12XS128 單片機(jī)中，在MC9S12XS128 單片機(jī)中利用肯定的把握算法來(lái)把握伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以消退光源對(duì)目標(biāo)靶的偏差，使激光組始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)靶，達(dá)到隨動(dòng)定位的目的。系統(tǒng)整體分為傳感器

5、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、硬件電路系統(tǒng)。其中由傳感器光學(xué)系統(tǒng)為傳感器供應(yīng)穩(wěn)定的成像信號(hào)；機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為激光器及傳感器供應(yīng)平滑、精確的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其能始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)靶；硬件電路系統(tǒng)為單片機(jī)、激光器以及激光傳感器等供應(yīng)電源、進(jìn)行信號(hào)傳遞以及信號(hào)處理。我們構(gòu)造如下模型：在平面圓環(huán)上設(shè)置有一目標(biāo)靶，其可繞圓環(huán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)， 且靶面面對(duì)圓心；從圓心四周發(fā)出的若干光線束照射到靶面上，經(jīng)靶面反射后的信號(hào)光線束通過傳感器接收后送入單片機(jī)；將經(jīng)運(yùn)算得到的偏移方向信號(hào)傳至伺服舵機(jī)使其轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到消退偏差的作用，從而使光線束始終對(duì)準(zhǔn)靶面。其示意圖如下：【尚未完成】把握算法方案論證標(biāo)靶的示意圖如下圖所示：標(biāo)靶上，反光區(qū)由全反射材料

6、構(gòu)成，能將入射光以原先的角度反射回去，且保持光強(qiáng)不減弱；吸取區(qū)由吸光材料構(gòu)成，可吸取絕大部分入射光，無(wú)反射信號(hào)。若我們將反射光信號(hào)通過光學(xué)傳感器接收，便可通過電平信號(hào)得知光束照射區(qū)域是否為反光區(qū)，以此作為信號(hào)識(shí)別的基礎(chǔ)。我們將兩束垂直排布的激光束分別照在標(biāo)靶的上部和下部，這樣就構(gòu)成了一組能對(duì)標(biāo)靶偏移方向進(jìn)行識(shí)別的信號(hào)組。偏移有以下幾種狀態(tài)：、若標(biāo)靶無(wú)偏移，則兩束光都能經(jīng)反射進(jìn)入光電傳感器，此時(shí)不進(jìn)行修正；、若標(biāo)靶向左偏移，則下部激光束移入吸取區(qū)，此時(shí)僅上部激光束信號(hào)能夠被接受到，此時(shí)將傳感器向左轉(zhuǎn)動(dòng)，便可修正方向直到進(jìn)入無(wú)偏移的狀態(tài)；、若標(biāo)靶向右偏移，則上部激光束移入吸取區(qū)，僅下部的光信號(hào)能被

7、接受，傳感器可向右移動(dòng)以訂正偏差。對(duì)于兩個(gè)傳感器都沒有接收到信號(hào)的狀態(tài)，我們認(rèn)為這是特別信號(hào)，把握程序不會(huì)啟動(dòng)。狀態(tài)圖如下：傳感器上傳感器下偏移狀態(tài)把握11無(wú)偏移/10標(biāo)靶左偏向左轉(zhuǎn)動(dòng)01標(biāo)靶右偏向右轉(zhuǎn)動(dòng)00/光學(xué)方案論證光學(xué)方案簡(jiǎn)介我們?cè)O(shè)計(jì)如下光學(xué)結(jié)構(gòu)：反光膜L光電傳感器1D2D激光器R圖 2-3-1 光學(xué)結(jié)構(gòu)50%分光板以與半徑成 45夾角安放，激光放射器沿徑向安裝用以放射激光束，激光束經(jīng)分光板折射后若照射到圓周上安裝有全反射膜的標(biāo)靶，則光束沿入射路徑返回，再經(jīng)分光板反射被光敏電阻到。圖中 D1 為激光器到分光板的距離，D2 為分光板到傳感器的距離；我們可以通過計(jì)算得到符合實(shí)際需求的尺寸參

8、數(shù)。具體參數(shù)分析1、光強(qiáng)由于接受 50%分光板，若激光器放射光強(qiáng)為 E，則經(jīng)過此系統(tǒng)后，光電傳感器接受到的光強(qiáng)為 0.25E2、誤差來(lái)源分析在本系統(tǒng)中，誤差來(lái)源主要有三種形式：激光頭偏轉(zhuǎn)誤差，激光頭偏移誤差以及分光板偏轉(zhuǎn)誤差。這三種誤差均會(huì)導(dǎo)致激光接收器件的靈敏度產(chǎn)生變化， 因此需要格外留意。圖 2-3-2 激光頭偏轉(zhuǎn)誤差激光頭偏轉(zhuǎn)誤差由激光頭在安裝過程中由于角度定位不精確造成，會(huì)導(dǎo)致最終的光線在偏離傳感器的同時(shí)造成光束傾斜，使接收的光線強(qiáng)度減弱（計(jì)算過程省略）。為避開此類誤差，應(yīng)在改善機(jī)械設(shè)計(jì)方案的同時(shí)提高加工精度。2dd1圖 2-3-3 激光頭偏移誤差激光頭偏移誤差由激光頭支座安裝孔在加工

9、過程中由于定位不精確造成的誤差，會(huì)導(dǎo)致最終的光線在徑向產(chǎn)生肯定的平移，影響光電傳感器的安裝及檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。 圖 2-3-4 分光板偏轉(zhuǎn)誤差分光板偏轉(zhuǎn)誤差由分光板支座在加工及裝配過程中的誤差引起，會(huì)導(dǎo)致從分光板上反射的光線沿其他方向射出，其中 =2 。硬件設(shè)計(jì)方案論證【尚未完成】第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介及調(diào)整定位靶系統(tǒng)組成與安裝【尚未完成】光學(xué)系統(tǒng)組成與安裝【尚未完成】運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)組成與安裝【尚未完成】第四章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)電源管理模塊電源用于給系統(tǒng)各部分供電。本系統(tǒng)主供電接受 7.2V 2000mAh Ni-cd 蓄電池。由于電池的輸出電壓會(huì)有擾動(dòng)，而且電機(jī)的功率轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致電源電壓輸出產(chǎn)生突變，因此

10、需要給各電源進(jìn)行穩(wěn)壓。單片機(jī)和規(guī)律電路需要 5V 電壓，轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊需要 6V 電壓，因此要重點(diǎn)考慮各供電模塊之間的影響。整體電路框圖如圖 4-1 所示：電源管理模塊單片機(jī)伺服電機(jī)激光器激光傳感器圖 4-1-1 系統(tǒng)整體電路框圖最常見的電源管理芯片是 78L05，價(jià)格低廉，電路成熟，但是考慮到 78L05 的高電壓差，所以電源管理系統(tǒng)中接受了低壓降的電壓調(diào)整器 LM2940 來(lái)產(chǎn)生 5V 電壓。本電路中，我們所使用的穩(wěn)壓器為 LM2940，其不僅外接電路簡(jiǎn)潔，而且?guī)ж?fù)載力量也比較強(qiáng)。在需要 6V 電壓的傳感器供電電路中，我們接受 LM2940 的 3 腳串聯(lián)一個(gè)二極管來(lái)提高電壓，是電壓達(dá)到 6

11、V。LM2940 的輸出電流為 1A， 在輸出為 1A 的狀況下，其典型的壓降只有 0.5V。電源電路如圖 4-2：圖 4-1-2 電源管理模塊電路單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析依據(jù)把握算法作出決策，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)對(duì)激光組和傳感器的朝向進(jìn)行把握。由于本系統(tǒng)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理量并不大，所以對(duì)單片機(jī)實(shí)時(shí)性要求不高。接受飛思卡爾公司的十六位 MC9S12XS128 單片機(jī)可以較好地實(shí)現(xiàn)要求，它是 HCS12 系列的增加型產(chǎn)品，基于 S12 CPU 內(nèi)核，可達(dá)到 25MHz 的 HCS12 的 25 倍的性能。S12X 系類增加了 172 條額外指令，可以執(zhí)行 32 位

12、運(yùn)算，總線頻率可達(dá)到40MHz，并具備完全的 CAN 功能，改進(jìn)了中斷處理力量。主要特性：S12X CPU， 最高總線速度 40MHz；64KB、128KB 和 256KB 閃存選項(xiàng)，均帶有錯(cuò)誤校正功能（ECC）；帶有 ECC 的、4KB 至 8KB DataFlash，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)； 可配置 8 、10 或 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間 3；s支持把握區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊；帶有 16-位計(jì)數(shù)器的、8-通道定時(shí)器； 精彩的 EMC，及運(yùn)行和停止省電模式；以 MC9S12XS128 為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下

13、幾個(gè)部分： 時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、BDM 接口。其中各個(gè)部分的功能如下：(1)、時(shí)鐘電路給單片機(jī)供應(yīng)一個(gè)外接的 16MHz 的石英晶振。(2)、電源電路主要是給單片機(jī)供應(yīng) 5V 電源。、復(fù)位電路在電壓達(dá)到正常值時(shí)給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。、BDM 接口讓用戶可以通過BDM 頭向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。本系統(tǒng)接受最小系統(tǒng)板如圖 4-2 所示：圖 4-29S12XS128 開發(fā)板板上有構(gòu)成最小系統(tǒng)必要的復(fù)位電路、晶體振蕩器準(zhǔn)時(shí)鐘電路，串行接口的RS-232 驅(qū)動(dòng)電路，+5V 電源插座。單片機(jī)中已經(jīng)寫入了開發(fā)的監(jiān)控程序。單片機(jī)的大部分 I/O 端口都通過兩個(gè) 32 芯插頭引出。激光器模塊激光頭是本

14、系統(tǒng)傳感器信號(hào)的發(fā)生器，是為把握供應(yīng)信息的來(lái)源，處于設(shè)計(jì)的核心地位。激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是前瞻距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，可調(diào)制放射激光，反射效果好。激光頭的基本原理激光的基本結(jié)構(gòu)：垂直于 PN 結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里珀羅諧振腔，它們可以 是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消退主方向外其它方向的激光作用。半導(dǎo)體中的光放射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的 PN 結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)減弱 PN 結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從 N 區(qū)經(jīng) PN 結(jié)注入 P 區(qū)，空穴從 P 區(qū)經(jīng)過PN 結(jié)注入 N 區(qū)，這些注入 PN 結(jié)四周的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而放射出波長(zhǎng)為 的光子，

15、其公式如下： = hc/Eg (1)式中：h普朗克常數(shù)； c光速； Eg半導(dǎo)體的禁帶寬度。上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過已放射的電子空穴對(duì)四周，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。假如注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)狀況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸取損耗時(shí)，就可從 PN 結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光激光。激光放射管的相

16、關(guān)參數(shù)波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有 635nm 、 650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm 等。閾值電流 Ith ：即激光管開頭產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA 以下。工作電流 Iop ：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。垂直發(fā)散角 ：激光放射管的發(fā)光帶在垂直 PN 結(jié)方向張開的角度， 一般在 1540 左右。水平發(fā)散角：激光放射管的發(fā)光帶在與 PN 結(jié)平行方向所張開的角度，一般在 6 10 左右。監(jiān)控電

17、流 Im ：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在 PIN 管上流過的電流。相關(guān)電路本系統(tǒng)需采集兩個(gè)離散點(diǎn)的光強(qiáng)度信號(hào)，共使用兩路激光放射管。為簡(jiǎn)化激光傳感器的把握，防止傳感器之間相互干擾，激光放射接受分時(shí)發(fā)光的策略，同一時(shí)間只有一只激光管發(fā)光，因而最大限度地防止傳感器之間的相互干擾。使用單片機(jī)的兩路輸出口分別進(jìn)行輸出把握，把握信號(hào)經(jīng)三極管進(jìn)行電流放大后使激光放射管工作。其參考電路圖如下：圖 4-3-3激光放射管電路圖光電傳感器模塊光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值快速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參

18、與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值快速下降。本系統(tǒng)接受光敏電阻對(duì)反射的激光信號(hào)進(jìn)行收集，若有激光照射到光敏電阻， 則其阻值變小，導(dǎo)致其分壓變小，這樣可使輸出電壓增大。表示在V-t 圖上為一上升沿。反之若激光移出，光敏電阻電阻值快速增大，輸出電平降低，表示在圖上為一下降沿。為保證光信號(hào)接收的質(zhì)量，對(duì)光敏電阻采集到的信號(hào)做一次放大。接受LM324 集成運(yùn)放進(jìn)行同相比例運(yùn)算，其放大增益可調(diào)。經(jīng)運(yùn)放放大以后的電平信號(hào)再經(jīng) LM339 比較器與參考電平進(jìn)行比較，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為 0V 及 5V 的 TTL 凹凸電平信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)處理。

19、其參考電路圖如下：圖 4-4光電傳感器模塊電路圖伺服電機(jī)模塊舵機(jī)就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)把握器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡(jiǎn)潔的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，把握板依據(jù)電位器的信息能比較精確的把握和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機(jī)把握方式叫閉環(huán)把握，所以舵機(jī)更精確的說是伺服馬達(dá)，英文 servo。舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、把握電路。簡(jiǎn)潔的工作原理是把握電路接收信號(hào)源的把握信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放

20、大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并依據(jù)電位器推斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后把握舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。圖 4-5-1 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服把握系統(tǒng)，具體的把握原理可以用下圖表示：圖 4-5-2 舵機(jī)的工作原理工作原理是把握電路接收信號(hào)源的把握脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組 將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出； 電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并依據(jù)電位器推斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后把握舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。本系統(tǒng)接受一路 16 位 PWM 波形輸出作為舵機(jī)把握信號(hào)，

21、將舵機(jī)信號(hào)線直接與單片機(jī)輸出相連即可。第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘模塊單片機(jī)是一片超大規(guī)模集成電路，要讓單片機(jī)工作，要供應(yīng)電源、時(shí)鐘，要有能和人溝通的接口。這些是構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本幫助硬件。讓系統(tǒng)能工作，軟件上要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的各把握寄存器進(jìn)行配置，來(lái)滿足系統(tǒng)的功能要求。系統(tǒng)初始化的過程就是建立單片機(jī)運(yùn)行環(huán)境的過程，具體完成：選擇工作模式工作模式通過軟件和硬件結(jié)合的方式選定為一般單片工作模式，即不使用MEBI 接口連接外設(shè)。資源映射對(duì)內(nèi)部地址資源的安排接受一般單片工作模式初始化時(shí)默認(rèn)的配置， 0000 到 0400 為寄存器地址空間，0400 到 07FF 為 EE

22、PROM 地址空間，2000 到 3FFF 為內(nèi)部 RAM 地址空間，4000 到 7FFF 為一塊固定的 Flash EEPROM 地址空間，8000 到 BFFF 為頁(yè)面 Flash EEPROM 地址空間，C000 到 FFFF 為一塊固定的 Flash EEPROM地址空間，其中 FF00 到 FFFF 為中斷向量地址空間。配置時(shí)鐘設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部的總線頻率為 24MHz，CPU 單元工作頻率是總線頻率的 2 倍為 48MHz。時(shí)鐘的初始化要通過對(duì)幾個(gè)寄存器的讀寫來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)框圖見圖 5.1。其中 REFDV，SYNR 與外部晶振頻率（OSCCLK）、鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率（PLLCLK）關(guān)

23、系為：PLLCLK=2 OSCCLKSYNR+1REFDV 1圖 5-1 中的推斷作用是使鎖相環(huán)穩(wěn)定后選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘。圖 5-1 時(shí)鐘初始化框圖實(shí)際使用的外部晶振為 16MHz，因此選擇 SYNR 為 2，REFDV 為 1，就可以使時(shí)鐘頻率達(dá)到 24MHz，接近上限頻率 25MHz。一般 I/O 模塊MC9SDG128 的全部 I/O 口通過端口復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)諸多功能，在賽車的設(shè)計(jì)中我們將撥碼開關(guān)引入單片機(jī)的 I/O 口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整。中斷模塊通過設(shè)置寄存器，可以設(shè)定好中斷觸發(fā)方式，清中斷標(biāo)志方式，定時(shí)方式和溢出中斷方式等等。設(shè)置好后，只要開中斷，等待管腳上或者是的中斷觸發(fā)

24、，即可進(jìn)入中斷服務(wù)程序。單片機(jī)中斷形式豐富，圖 5-1-3 列出了其中一部分的中斷向量地址。圖 5-1-3 部分中斷向量地址列表要使用對(duì)應(yīng)中斷時(shí)，除了設(shè)置好中斷的各種方式和開中斷，最終還需要將中斷向量地址和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序?qū)?yīng)起來(lái)。比如圖 5-1-4 所示：圖 5-1-4 中斷向量表PWM 模塊PWM（Pulse Width Modulate）即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制是一種可以用程序來(lái)把握波形占空比、周期、相位的方法。它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A 變換等場(chǎng)合具有廣泛應(yīng)用。MC9S12 芯片的 PWM 脈寬調(diào)制模塊有 8 路獨(dú)立的可設(shè)置周期和占空比的8 位 PWM 通道，每個(gè)通道配有特地的計(jì)數(shù)器。該模塊有

25、 4 個(gè)時(shí)鐘源，能分別把握 8 路信號(hào)。通過配置寄存器可設(shè)置 PWM 的使能與否、每個(gè)通道的工作脈沖極性、每個(gè)通道輸出的對(duì)齊方式、時(shí)鐘源以及使用方式（八個(gè) 8 位通道還是四個(gè) 16 位通道）。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，我們將 PWM0、PWM1 兩路 8 位通道合并為一個(gè)16 位通道來(lái)把握舵機(jī)，由于轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)需要的 PWM 波的頻率只有 50HZ，而 8 位的 PWM 通道最小只能達(dá)到 200HZ，所以只有接受 16 位的 PWM 通道，選擇通道 0 和通道 1 組成 16 位的 PWM 通道。選擇時(shí)鐘 A，頻率為總線頻率的 1/16，而總線頻率為 24MHZ，這樣算下來(lái) 16 位 PWM 通道的頻率為 1.5MHZ。而我們需要的 PWM波的頻率只有 50HZ，PWM 通道周期寄存器的初值為：1500000/50=30000，占空比在 5%-10%之間，那么 PWM 通道占空比寄存器初值范圍是 15003000。速度把握所需要的PWM 波的頻率是 20KHZ，所以我接受 8 位的PWM 通道來(lái)產(chǎn)生 20KHZ 的PWM波。選擇通道 7，接受頻率為總線頻率的時(shí)鐘 B，依據(jù)前述的方法