硬件设计

系统概述

步进电机控制系统的设计分为两大部分：硬件部分和软件部分。硬件部分的设计包括脉冲发生模块、电流驱动模块、液晶显示模块和键盘输入模块四个部分。软件部分的设计包括键盘扫描模块、脉冲发出模块、液晶显示模块、延时模块和速度调节模块等。

图1 系统硬件设计框图

系统硬件设计

1.1 设计概要

在系统硬件设计中主要考虑的事MCU的选型、系统各模块的实际工作效率、模块的接口

1.2 STM32F103C8微处理器

1.2.1 微处理器选型

在步进电机控制系统设计中，微控制器起着关键的作用。步进电机控制的数据处理运算并不多，不要求微控制器具有很高的处理速度和较大的RAM存储空间。从成本和电路简化方面考虑，我们希望寻找一款体积较小、功能全面、价格低廉的单片机。通过系统分析，我们确立微处理器的选型原则如下：

1)基于控制类微处理器

2)内置程序存储空间

3)内置数据存储空间

4)具备足够的I/O端口

5)具有常见的封装形式，且便于电路制作和焊接

6)性价比高，容易选购

此外还需考虑处理器在市场的应用广泛情况、学习与参考的资料是否丰富。结合以上的选型考虑最终选择STM32F10x系列的处理器作为步进电机电机控制系统设计的核心处理器。

1.2.2 STM32F103c8简介

STM32F103c8增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103xx增强型系列工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

1.2.3 设计中部分应用介绍

通用输入输出接口(GPIO)

每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口。多数GPIO引脚都与数字或模拟的复用外设共用。除了具有模拟输入功能的端口，所有的GPIO引脚都有大电流通过能力。在需要的情况下，I/O引脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定，以避免意外的写入I/O寄存器。在APB2上的I/O脚可达18MHz的翻转速度。

图2 I/O端口位的基本结构

在本次步进电机控制系统设计中使用GPIO输出脉冲序列，结合输出特性将配置成推挽输出。采用50MHZ速率输出（不考虑功耗）。

推挽输出的特性：

1)推挽输出可以输出高,低电平,连接数字器件

2)推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候

另一个截止.要实现线与需要用OC(open collector)门电路.是两个参数相同的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小,效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。

Systick定时器

Systick主要的作用就是用来计时，采用Systick计时可以获得准确的时钟间隔，从而获得精准频率的脉冲序列。采用Systick定时器获得时间间隔是采用硬件延时的手段，比较软件延时可以知道有一下几个特点：

1)硬件延时占用了硬件资源，但是不占用CPU的运算资源。硬件延时有着自己的计时系

统，不会占用CPU，只有到达了设定的时间间隔CPU才会响应中断，处理中断过程序。

而软件延时是循环消耗CPU的运算时间，在此间CPU不会处理其他任务。这对于多任务的控制系统是相当浪费资源的。

2)硬件延时准确，不用考虑内部程序的处理情况，就可以反应准确的时间间隔响应；而这

一点软件延时由于内部处理的程序不同，指令周期不同，产生的时间间隔也不同。

外部中断/事件控制器（EXTI）

外部中断/事件控制器有用于阐释事件/中断请求的19个边沿检测器组成。每个输入线可以被单独配置以选择类型（脉冲或者挂起）和相关的触发（上升沿触发或者下降沿触发或者双边沿触发）。每个线也可以被单独屏蔽，一个挂起的寄存器保存了中断请求的状态线。在本次步进电机控制系统设计中使用EXTI作为按键的中断接口。

1.3脉冲发生模块

步进电机的驱动脉冲是由处理器GPIO端口产生的。在这采用GPIO四个端口分别对步进电机的A，B，C，D端口输入脉冲。脉冲的频率通过软件来设定。

单极性5线4相步进电机的工作方式有：

1)单拍：A – B – C – D 它指每次仅给一个绕组通电，使得转子旋转，并且运动到转子永磁

体与具体相反记性的绕组对齐的位置。

2)双拍：AB –BC – CD – DA 它同时给两个绕组通电，这样就使转子旋转，并且在永磁体到

达两个通电绕组的中间位置点时平衡。双拍方式的优点是比单拍方式多获得41.4%的输出力矩，不过代价是需要花费后者的双倍的能量，因为它有两相绕组同时通电。

3)半拍：A – AB – B – BC – C – CD – D – DA 它工作时的则让两个绕组通电与单个绕组通电方

式交替的进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，在15% - 30%之间变化，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率（每圈两倍的步数）。

本文采用半拍方式。其工作方式通电换相的相序如上3)所示，共8个状态。如果GPIOA 口输出的控制信号中，用“0”和“l”分别代表绕组通电和断电，则可用8个控制字来对应这8个状态。在程序中，只要依次将这8个控制字送到GPIOA口，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角，每步转角3.75°。程序可根据这个原理来设计。