一种基于ARM的电机网络化控制系统的制作方法

本发明属于网络化控制领域的具体应用，尤其涉及一种基于ARM的电机网络化控制系统。

背景技术：

随着网络技术的不断发展，工业领域经历了巨大的技术变革。计算机控制系统的发展先后经历了直接数字式控制系统(DDCS)到分布式控制系统(DCS)再到现场总线控制系统(FCS)的过程，以及近年来推出的基于网络的网络化控制系统(NCS)，正是由于这些变革，才使得控制系统的控制性能发生了飞跃性的变化，并且极大的拓展了控制系统在航天、兵工、工业领域以及日常生活中的应用。

网络化控制系统是将控制系统的传感器、控制器、执行器 控制要素通过数据通信网络进行物理连接形成的闭环的分布式控制系。系统节点的分布化以及控制回路的网络化带来的好处就是能使信息资源在各个节点间得到充分的共享，从而极大程度上减少了连接线路的数量，更易于进行系统的扩展与维护。

传统的远程控制一般采用专线方式实现，是一个封闭的专用系统，即用户自己架设数据通信网络或向电信部门租用某条线路作为远程控制的通信线路，系统通信设备与协议都需要专门制定，这和集中、封闭的生产方式和规模是相适应的。而随着工业以太网的发展，嵌入式系统与网络技术联系越来越紧密，将网络功能与嵌入式系统结合，使得变送器、执行器 终端设备具有网络功能。将网络功能嵌入到终端设备中，使其可方便实现网络通信、数据交换，实现远程组态、参数修改 ，并且去掉了网关、代理服务器 中间环节，简化了网络结构，降低了安装维护的难度和成本。同时现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高，满足了工业控制网络的高性能要求。该发明基于远程控制器程序对系统进行联调，实现了对直流电机的远程调速控制。

技术实现要素：

针对传统的远程控制系统架构复杂、资源封闭、开放性差的特点，本发明的目的在于，提供一种简单化的基于ARM和Zigbee的电机网络化控制系统。

为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：

一种基于ARM的电机网络化控制系统，其特征在于该系统由控制器、无线通信模块、电机驱动模块、软件控制程序、被控电机构成；所述的一种基于ARM的电机网络化控制系统，通过无线通信模块对远程信号进行接收，对信号进行处理并传送给控制器，控制器从无线通信模块中读取数据并变换成PWM占空比，进一步由电机驱动模块接受标准TTL逻辑电平信号，驱动两相或四相电机，从而实现电机的使远程控制调速成为现实。进一步的，所述控制器一端连接电机驱动模块一端与无线通信模块之间通过接口电路进行连接，电机驱动模块直接与被控电机连接，软件控制程序存储于各模块中。

在该电机网络化控制系统中，所述控制器用于从无线通信模块中读取数据并变换成PWM占空比从而控制电机的调速，该控制器包括：AT91RM9200核心板、电源电路、外部存储、JTAG调试接口、网络接口、USB接口、UART1接口。所述控制器的AT91RM9200核心板以AT91RM9200微处理器作为核心，其中电源电路用于为控制器电路供电，提供12V和5V两种电压；外部存储电路是在片内16KB SRAM和128KB ROM之外扩展的4MB NOR FLASH存储器，用于存放启动代码、Linux内核、应用程序；JTAG调试电路用于在裸机阶段为控制器烧写Uboot，网络接口则为后续嵌入式开发过程中提供目标机与宿主机之间的通信信道；UART1作为控制器与Zigbee模块之间数据交互的接口；利用AT91RM9200的片内集成USB通信控制器支持USB设备的读写。

为了方便使用，在此将AT91RM9200微处理器上几乎所有的GPIO口通过插针引出，该发明所使用的PWM设备实际上是系统定时计数器TC与GPIO中的PA19引脚复用的结果，而机转速测量设备是定时计数器TC与PA21引脚再加上高级中断管理器AIC的一些配置完成的。

在该电机网络化控制系统中，所述无线通信模块用于对网络中传输的数据进行打包和解析，并通过天线进行收发，该无线通信模块包括：CC2530芯片、电源电路、JTAG调试接口、GPIO接口、巴伦电路、UART电路。

其中所述CC2530芯片整合了一个8051处理器、128KB可编程Flash、16KB RAM、定时计数器、晶振电路、模数转换器ADC以及21个可编程的I/O引脚，CC2530内含Zigbee射频(RF)前端和一个高性能的2.4GHzDSSS射频收发器。

在该电机网络化控制系统中，所述无线通信模块的电源电路采用5V输入电压，经过低压差线性稳压后，给存储器和外部I/O提供所需的3.3V电源。

UART使用MAX232将TTL电平转换成RS-232电平，CC2530的P0.3引脚作为串口数据发送端接到MAX232通道1的IN管脚T1IN，P0.2作为串口数据接收端接到MAX232通道1的OUT管脚R1OUT，其他管脚的接线方法按照典型应用电路的接法进行即可，最后将通道1的输出用DB9接口引出，供用户插接电缆使用。

在该电机网络化控制系统中，所述电机驱动模块与被控电机连接，用于接受标准TTL逻辑电平信号，驱动两相或四相电机。

在该电机网络化控制系统中，所述软件控制程序用于控制整个系统中各模块的具体执行过程。其中，Zigbee应用程序用于实现组网——串口数据的读取——打包并通过无线网络发送，同时从无线网络中接收数据解析并写入到串口发送给控制器；对控制器的PIO和定时计数器TC操作产生PWM波形，进行计算后转换为电机的实际转速数据；对PWM设备、电机测速设备和串口三个设备的操作；同时用于实时读取电机转速数据并显示电机转速曲线，根据用户设置的PID参数进行电机调速。

本发明的有益效果是：

一种基于ARM的电机网络化控制系统，其特征在于，该系统由控制器、无线通信模块、电机驱动模块、软件控制程序几部分组成；所述的一种基于ARM的电机网络化控制系统，通过无线通信模块对远程信号进行接收，对信号进行处理并传送给控制器，控制器从无线通信模块中读取数据并变换成PWM占空比，进一步由电机驱动模块接受标准TTL逻辑电平信号，驱动两相或四相电机，从而实现电机的使远程控制调速成为现实。进一步的，所述控制器一端连接电机驱动模块一端与无线通信模块之间通过接口电路进行连接，电机驱动模块直接与被控电机连接，软件控制程序存储于各模块中。该系统可以方便的实现对直流电机的远程调速控制，同时具有很强的通用性与可扩展性的优点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是基于ARM的电机网络化控制系统框架图；

图2是控制器硬件结构框图；

图3是无线通信模块硬件结构框图；

图4是Zigbee节点JTAG接口电路图；

图5是Zigbee节点UART接口电路图；

图6是CC2530巴伦电路图；

图7是控制器程序流程图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：一种基于ARM的电机网络化控制系统所述的一种基于ARM的电机网络化控制系统，通过无线通信模块对远程信号进行接收，对信号进行处理并传送给控制器，控制器从无线通信模块中读取数据并变换成PWM占空比，进一步由电机驱动模块接受标准TTL逻辑电平信号，驱动两相或四相电机，从而实现电机的使远程控制调速成为现实，在此过程中，所述软件控制程序包括Zigbee应用程序、PWM设备驱动程序、Linux应用程序、PID算法程序，实现对整个系统中各模块的具体执行过程。

图1是基于ARM的电机网络化控制系统框架图，其中控制器一端连接电机驱动模块一端与无线通信模块之间通过接口电路进行连接，电机驱动模块直接与被控电机连接；该系统可以方便的实现对直流电机的远程调速控制。

图2是控制器硬件结构框图，在该电机网络化控制系统中，所述控制器用于从无线通信模块中读取数据并变换成PWM占空比从而控制电机的调速，该控制器包括：AT91RM9200核心板、电源电路、外部存储、JTAG调试接口、网络接口、USB接口、UART1接口。所述控制器的AT91RM9200核心板以AT91RM9200微处理器作为核心，其中电源电路用于为控制器电路供电，提供12V和5V两种电压；外部存储电路是在片内16KB SRAM和128KB ROM之外扩展的4MB NOR FLASH存储器，用于存放启动代码、Linux内核、应用程序；JTAG调试电路用于在裸机阶段为控制器烧写Uboot，网络接口则为后续嵌入式开发过程中提供目标机与宿主机之间的通信信道；UART1作为控制器与Zigbee模块之间数据交互的接口；利用AT91RM9200的片内集成USB通信控制器支持USB设备的读写。

图3是无线通信模块硬件结构框图，在该电机网络化控制系统中，所述无线通信模块包括：CC2530芯片、电源电路、JTAG调试接口、GPIO接口、巴伦电路、UART电路；该无线通信模块用于对网络中传输的数据进行打包和解析，并通过天线进行收发。

图4是Zigbee节点JTAG接口电路图，在该电机网络化控制系统中，CC2530为用户提供了一个两线调试接口，通过这个调试接口可以对片内Flash进行编程。在此，将这个两线调试接口扩展成JTAG调试接口，用2×5的插针引出，供用户使用。

图5是Zigbee节点UART接口电路图，在该电机网络化控制系统中，使用MAX232将TTL电平转换成RS- 232电平，CC2530的P0.3引脚作为串口数据发送端接到MAX232通道1的IN管脚T1IN，P0.2作为串口数据接收端接到MAX232通道1的OUT管脚R1OUT，其他管脚的接线方法按照典型应用电路的接法进行即可，最后将通道1的输出用DB9接口引出，供用户插接电缆使用。

图6是CC2530巴伦电路图，在该电机网络化控制系统中，天线阻抗匹配电路又称巴伦电路，它是利用普通的电感、电容以及几条微带线设计而成的。CC2530射频端口的最佳差分负载为115+j180Ω，在实际设计阻抗匹配电路时，按照这个参考值进行相应的调整。阻抗匹配电路是由8.2nH电感L2、22nH 电感L3、1.8nH电感L1以及5.6pF电容C7组成的，其中，电感L1和L2用于射频信号的阻抗匹配，L2和L3用于为功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置，而1/2λ的传输线用于保证射频信号的相位的准确性，其中λ为射频信号的波长。ANT指的是2.4GHz棒状天线插座。

电机驱动模块电路使用L298N芯片实现标准TTL逻辑电平信号的转换，L298N是SGS公司生产的电机驱动芯片，它内含两个H桥高电压大电流全桥式驱动器，能接受标准TTL逻辑电平信号，驱动两相或者四相电机。IN1与IN2或者IN3与IN4接到控制器PWM波形输出，对应OUT1与OUT2或OUT3与OUT4接到电机输入端。为了防止电机在换向时产生的较大的反向电流烧毁芯片，在输出端增加了几个二极管，起到保护L298N芯片的作用。

图7是控制器程序流程图，所述控制器的程序流程如下：

步骤1、开始；

步骤2、串口初始化；

步骤3、打开设备；

步骤4、读取串口数据；

步骤5、通过ioctl()修改PWM占空比；

步骤6、读取vel_dev，获得电机转速；

步骤7、将读取到的数据写入串口缓冲区；

步骤8、重复上述步骤4。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。