步进电机控制系统实验指导书

基于TMS320F28027 LaunchPad 步进电机控制系统

实验指导书

《DSP控制器及其应用》第8组

2014年7月

目录

第一章简介 (1)

1.1 T MS320F28027硬件资源简介 (1)

1.2 TMS320F28027 引脚图及结构框图 (2)

1.3 TMS320F28027 引脚图及结构框图 (3)

1.4步进电机控制系统硬件模块简介 (4)

第二章实验环境介绍 (7)

2.1 使用CCSv5.4 建立项目工程 (7)

2.2使用Visual Basic 6.0建立上位机工程 (9)

第三章步进电机控制实验 (12)

3.1 实验目的 (12)

3.2 系统设计方案 (12)

3.3 硬件部分设计 (12)

3.4 软件部分设计 (15)

3.5 实验结果及结论 (21)

第一章简介

1.1 TMS320F28027硬件资源简介

◆高效32 位中央处理单元（CPU）

·可有60MHz、50MHz、40MHz 的时钟周期

·16×16和32×132媒介访问控制（MAC）运算

·16×16双M AC

·哈佛（Harvard）总线架构

·快速中断响应和处理

·统一存储器编程模型

·高效代码（使用C/C++和汇编语言）

◆低器件和系统成本：

·3.3V 单电源

·无需电源排序

·集成性加电和欠压复位

·可采用至38 引脚小型封装

·低功率

·无模拟支持引脚

◆计时：

·两个内部零引脚振荡器

·片载晶振振荡器/外部时钟输入

·支持动态锁相环路（PLL）比率变化

·安全装置定时器模块

·丢失时钟检测电路

◆外设：

·多达22 个具有输入滤波功能可单独编程的多路复用G PIO 引脚·可支持所有外设中断的外设中断扩展（PIE）模块

·三个32 位C PU 定时器

·每个e PWM 模块具有独立的16 位定时器

◆片载存储器：

·闪存，SRAM，OTP，引导R OM 可用

·128位安全密钥/锁

·保护安全内存块

·防止固件逆向工程

◆串行端口外设：

·一个S CI（UART）模块

·一个S PI 模块

·一个S PI 模块一个内部集成电路（I2C）总线

1.2 TMS320F28027 引脚图及结构框图

TMS320F28027引脚图如图1.1、图1.2所示，结构框图如图1.3所示。

图1.1 TMS320F28027 48 引脚图

图1. 2 TMS320F28027 38 引脚图

图1.3 TMS320F28027 结构图注：其引脚具体功能请参考T MS320F28027 数据手册1.3 TMS320F28027 引脚图及结构框图

图1.4 TMS320F28027 LaunchPad 硬件实物图。

图1.4 TMS320F28027 LaunchPad 硬件实物图

1.4步进电机控制系统硬件模块简介

1.4.1 步进电机模块

本模块主要有步进电机28BYJ48和ULN2003驱动板，如图1.5所示。

图1.5 28BYJ48步进电机和ULN2003驱动板实物图

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用进电机来控制变的非常的简单。

ULN2003驱动板

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路。

直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

1.4.2 LCD显示模块

带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

基本特性：

（1）低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）；

（2）显示分辨率:128×64点；

（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)；

（4）内置 128个16×8点阵字符；

（5）2MHZ时钟频率；

（6）显示方式：STN、半透、正显；

（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS；

（8）视角方向：6点；

（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10；

（10）通讯方式：串行、并口可选；

（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压；

（12）无需片选信号，简化软件设计；

（13）工作温度: 0℃—+55℃,存储温度: -20℃—+60℃。

图1.6 LCD12864实物图

图1.7 LCD12864外形尺寸图

第二章实验环境介绍

2.1 使用CCSv5.4 建立项目工程

(1) 点击project->new添加工程名和路径，点击OK后左边生成一个文件列表。

(2) 把example里面的DSP2802x_common和DSP2802x_headers拷贝到项目目录中。

(3) 添加cmd文件。

右击刚刚建立的工程项目名Add File to Project先选择DSP2802x_common 的 cmd 目录

点击28027_RAM_lnk.cmd 选择，继续选择 DSP2802x_headers 目录中cmd 目录DSP2802x_Headers_nonBIOS.cmd。

(4) 添加H文件。

右击工程名，选择Build Options选择Compiler选项卡左边标签选择Preprocessor在

Include Search Path里面把你工程目录下的H文件路径拷贝到这里，一共两个，用分号分开，

比如路径为

D:\C2000\TMSF2802xProject\myproject2\DSP2802x_common\include;D:\C2000 \TMSF2802x Project\my project2\DSP2802x_headers\include。

(5) 添加源代码

用添加cmd文件的方式找到source文件夹添加如下几个文件分别在两个source目录中。

图2.1 source文件目录图

(6) 添加LIB库文件

右击添加找到CCS 安装目录：比如

C:\CCStudio_v5.4\C2000\cgtools\lib添加rts2800_ml.lib 文件

(7) 最后的文件目录如下：

图2.2 工程目录图

(8) 建立一个main文件

库文件已经添加完成，接下去添加源代码。点击file->new->source file 新建一个源文件，点击保存保存在工程目录中，保存成.c文件格式，然后把这个文件也添加到source文件夹中，在main中添加代码，一个简单的LED闪烁代码如下：

#include "DSP28x_Project.h"

void main()

{

//系统初始化，关闭看门狗

//选择内部时钟 1 位系统时钟

//使能外设时钟

InitSysCtrl();

InitPieCtrl();

//GPBselet,OUTPUT,PUD UP

//GPB 设置成输出，上拉方式

//EALLOW 为解锁寄存器，对应 EDIS 为锁定寄存器（C2000 里面保护寄存器的特殊方式）

EALLOW;

GpioCtrlRegs.GPBMUX1.bit.GPIO34 = 0; //选择 GPIO34 为普通 IO 口模式

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO34 = 1;//方向输出

GpioCtrlRegs.GPBPUD.bit.GPIO34 = 0;//上拉

EDIS;

for(;;)

{

//GPIO34 低电平输出

GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO34 = 0;

//delay 1s

DELAY_US(1000000);

//GPIO34 高电平输出

GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO34 = 1;

DELAY_US(1000000);

}

}

2.2使用Visual Basic 6.0建立上位机工程

(1) 串口通信简介

一般说来, 计算机都提供一个或多个符合RS- 232 标准的串行端口, 它们依次为Com1、Com2、. . . , 这些串口提供了外部设备与PC 间进行数据传输和通信的通道, 并在CPU 和外设之间充当解释器的角色。当字符数据从CPU 发送给外设时, 这些字符数据将被转换成串行比特流数据;当接收数据时, 比特流数据被转换为字符数据传递给CPU。通过对串口芯片进行编程, 可以使串口具有不同的工作方式、不同的波特率和不同的数据位数等。

(2) VB6.0的MSComm控件介绍

利用VB6.0开发串口通信程序有两种方法: 一是利用Windows的API函数, 另一种是采用VB6.0标准控件MSComm来实现。

MSComm控件, 提供了使RS-232进行数据通信的所有协议, 它有两种处理通信的方式, 即事件驱动和查询方式, 事件驱动是处理串口通信的一种有效方法, 它利用MSComm提供的一个事件OnComm来截取串口的消息, 进而转入事件处理程序。

(3) 实时数据曲线绘制的基本思路

数据曲线实际上是由许多直线首尾相连组合而成的，通常在图片框中通过画线来实现，绘图区域的大小和比例则可通过图片框的Scale方法设定。当前点通常在曲线上的最右端显示，随着时间的推进，整条曲线从左向右移动。

(4) 编制VB应用程序的基本步骤

①界面设计：

ⅰ添加控件

向窗体中添加控件的方法：

单击工具箱中的控件图标，鼠标指针变成一个十字指针，在窗体的工作区按住鼠标左键拖动鼠标，即可在窗体上画出对应的控件。

ⅱ设置属性

在VB中有两种方法设置对象的属性。

第一种为：在属性窗口中进行；

第二种为：在程序代码中通过赋值实现，其格式为：

对象.属性=属性值

②过程设计：

在设计好用户界面后，要编写代码来完成整个应用程序的功能。

Private Sub Timer1_Timer() '显示时间

Text2.Text = CStr(Time$())

End Sub

以上代码是timer控件的代码，事件过程的首尾两行由系统自动给出。

图2.3 过程设计界面图

③调试运行：

单击工具栏的“启动”按钮或者按F5键，即运行工程。

如果应用程序的运行结果不符合设计要求，则需要修改程序。包括修改对象的属性和代码，也可以添加新的对象和代码，或者调整控件的大小等，直到满足设计需要为止。

图2.4 上位机界面图

第三章步进电机控制实验

3.1 实验目的

学习DSP工作原理及其集成开发环境CCS；

学习F28027的GPIO、PWM、SCI等模块的寄存器配置和应用程序设计；

学习步进电机的驱动原理以及使用。

3.2 系统设计方案

通过TMS320F28027 LaunchPad开发板，实现对步进电机的以下功能：

1、基本控制：通过按键控制步进电机，控制其开、关、正转、反转加速和减速，液晶屏显示状态。

2、扩展演示：对电机的梯形加减速（加速、匀速、减速）和双S曲线加减速（加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速）的过程演示，上位机实时显示。

图3.1 系统设计方框图

3.3 硬件部分设计

按照设计方案，硬件部分主要由处理器模块、步进电机模块、按键模块和显示模块组成。

3.3.1 处理器模块设计

本系统以 TMS320F28027 为核心控制芯片，为了满足本系统的设计需要，通过 TMS320F28027 LaunchPad核心板上的扩展接口J2和J6，设计了能直接与其接插的扩展板功能模块。

图3.2 TMS320F28027管脚图

图3.3 扩展接口J2和J6图

3.3.2 步进电机模块设计

步进电机模块由ULN2003驱动板和步进电机28BYJ48组成。

步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。ULN2003是一款电机脉冲分配芯片，由于其结构简单，价格低廉，而且无需外接功率放大电路，本系统用来作为步进电机的驱动芯片。

ULN2003和步进电机硬件电路原理图如图3.5所示:

图3.4 ULN2003芯片引脚图

图3.5 步进电机部分原理图

3.3.3 显示模块设计

本系统使用LCD12864液晶显示模块，采用

用于显示电机状态。

LCD12864液晶屏有并行和串行通信两种工

作方式，由于TMS320F28027引出的GPIO管脚

较少，因此本系统采用简易的串行的工作方式，

只需要两条线便可控制液晶屏显示，原理图如

图3.6所示：

图3.6 液晶显示模块原理图

3.3.4 按键模块设计

按键模块设计比较简单，一端通过TMS320F28027接入，另一端接地，如图3.7所示：

图3.7 按键模块原理图

3.4 软件部分设计

3.4.1 主函数程序设计

系统程序一开始进入主函数进行一系列（系统、GPIO、SCI、定时器、PWM、LCD等）初始化，然后进入主循环，不断扫描按键。流程图如下：

图3.8 主函数流程图

3.4.2 按键扫描程序设计

当有按键按下时，系统进入按键扫描程序。系统设计了三个按键，分别是向前、向后、确认键，通过按下不同按键，幅值给全局变量，再搜索索引表，进入相应的执行程序。流程图如下：

图3.8 按键扫描程序流程图

3.4.3 液晶显示程序设计

程序设计时采用模拟SPI的时序来控制LCD12864液晶屏。

(1) 首先定义了控制管脚SID和SCLK的宏定义

(2) 然后用模拟SPI接口的方式设计了写一个字节的函数：

(3) 控制液晶屏有写数据和写指令两种模式：

(4) 为了便于上层显示电机状态，本系统设计了一个方便写入液晶屏上具体行具体位置的函数：

3.4.4 索引目录程序设计

索引目录是本系统设计的一大创新点，方便了建立上下级目录的显示方式和显示具体位置与相应执行函数的联系，并使用索引序号和函数指针的方式巧妙地调用执行函数。

(1) 首先声明相应的结构体：

(2) 然后定义使用此结构体的索引表：

(3) 按键按下时指向相应的执行函数：