单片机实现的步进电机控制系统设计.docx

第1章绪论1第2章方案论证比较设计错误!未定义书签。2.1单片机概述52.2步进电机的工作原理62.3单片机控制步进电机的设计思路8第3章控制系统的硬件电路设计103.1SPCE061A的介绍103.1.1性能103.1.2结构113.L3芯片的引脚排列和说明123.1.4SPCE061A单片机硬件结构133.1.5u'Nspni的核心结构153. 2步进电机的选择174. 3步进电机的驱动电路设计175. 4数码管显示电路的设计193.54X4键盘电路的设计20第4章控制系统的软件设计236. 1控制脉冲的产生236.2 步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系246.3 步数的确定256.4 步进电机的变速控制274.5语音报数30第5章结论32参考文献33致谢34附录35单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机主要应用于控制领域，由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,实质上是一种数字/角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成.步进控制器由缓冲寄存器,环形分配器,控制逻辑及正,反转控制门等组成,能把输入的脉冲转换成环形脉冲,以便控制步进电机,并能进行正反向控制.但由于步进控制器线路复杂.成本高.采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加,灵活改变步进电机的控制方案,无需逻辑电路组成时序发生器.软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现一台单片机控制多台电机.提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现,尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性。本设计采用凌阳16位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过K)口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。关键词：单片机步进电机ABSTRACTThesinglesliceofmicrocomputersisabbreviatedastheone-chipcomputer.Itiseveryfunctionpartwhichmakesupthemicrocomputer:Centralprocessingunit,CPU,arbitraryaccessmemoryRAM,read-onlymemoryROM,I/Ointerfacecircuit,timer/counterandserialcommunicationinterface,etc.makeintheintegratedchiptogether,formanintactmicrocomputer.One-chipcomputerapplycontrolledfieldtomainly,becauseithavedependabilityhigh,small,pricelow,easycommercialization,etc.characteristic,thereforewonextensiveapplicationinfieldsofautomaticcontrolsuchasintellectualinstrumentandapparatus,real-timeindustrialcontrol,intelligentterminal,communicationequipment,navigationsystem,householdappliances,etc.Itisthatonekindcanchangetheelectricpulsesignalintoaelectromechanicalcomponentofangledisplacementorlinedisplacementtowalkintotheelectricalmachinery,itisakindoffigure/angleconverterthatiswalkedintothecontrolsystemoftheelectricalmachinerytomainlywalkintothecontrollerinfact,poweramplifierandwalkingintotheelectricalmachinery,etc.makeup.Walkedintothecontrollertobuffertheregister,theannulardistributor,controllogicand,overturn,controldoor,etc.makeup,canchangethepulseinputintointoanannularpulse,inordertocontrol,walkintoelectricalmachinery,cancarryonpositiveandnegativetocontrol.ButbecausewalkintothecontrollercircuitComplicatedly.Withhighcosts.Adoptone-chipcomputercontrol,replacewithsoftwaredescribedabovetowalkintothecontroller,makethecircuitsimple,withlowcosts,dependabilityincreasesgreatly,changethecontrolschemeofwalkingintotheelectricalmachineryflexibly,donotneedlogicalcircuittomakeupthetimesequencegenerator.Softwareprogrammingveryflexibletoproduce,walkintoelectricalmachineryexcitationarraycome,controlvariousoperationwaytowalkintoelectricalmachineryandcanrealizeonemachinecontrolmanysetsofelectricalmachinerywhilebeingdifferentkindsof.Itiseasytorealizetooffertheflexiblecontrolmeansandimprovingtheprecisionofcontrollingtocomplicatedandtediouscontrol,demonstratethesuperioritythatthecomputercontrolsespeciallyinthissystemevenmore.Design,adopt,insultmalegenital16one-chipcomputerSPCE061Atowalkintoelectricalmachinerycontroloriginally,squarewavewithtimesequenceasthecontrolsignalofwalkingintotheelectricalmachinerythroughwhatIOmouthisoutputted,thesignaldrivesandwalksintotheelectricalmachinerythroughthechipL298N;Meanwhile,comestateinelectricalmachinerygoon,controlwithkeyboardof4X4,inchargeofrotationalspeedtorevealelectricalmachinerywithnumber,adopt74LS164urgeas4singlenumberdisplaythatinchargeof,fromtheinputsignaloftheone-chipcomputer;Utilizethepronunciationfunctionofinsultingtheopenone-chipcomputertoreporttherotationalspeedoftheelectricalmachinery.Keyword:One-chipcomputerWalkintotheelectricalmachinery第1章绪论近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。单片机不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口（Intel）。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机MCS-51系列中的一片8751芯片叫内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz,完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低,甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段：第一阶段：19711974年，4位微处理器工intel4004及8位微处理器工intel8008,这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。第二阶段：19741978年，初级单片机阶段，以工intel公司的MCS-48为代表，8位单片机。第三阶段：19781983年，高性能单片机阶段。以工Intel公司的MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM,ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。第四阶段:1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度为12万只品体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己经进入一个崭新的阶段。步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铳床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。随着现代电子科学的不断发展与进步，电子计算机已深深介入机械制造的各个领域，诞生了一系列机、电、计算机一体化的新产品。同时微电子技术的不断发展，数控系统也在不断地更新换代，先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬线）数控系统，一般称为普通数控系统，简称NC。70年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称CNC。1974年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统，简称MNCo随着机电产品对负载精度要求的提高，原有的PLC控制系统的步进电机已很难满足不断发展的机电产品的要求。PLC控制系统的步进电机存在成本高，工作方式单一和人机交互不便等缺点。为解决此问题，我们研制了一种能代替PLC控制系统的新的控制系统-基于单片机的步进电机控制系统。本文论述了基于单片机的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括:硬件设计、软件设计、可靠性设计等方面。硬件电路用凌阳16位SPCE061A单片机、先进的接口技术和大规模集成电路设计而成。软件程序用SPCE061A汇编语言写成。利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。利用单片机输出的CP脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转，步距精度等工作状态，方便良好的人机界面是用4x4键盘/数码管显示来实现的。单片机控制系统的步进电机，自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。单片机控制系统的研制成功，是步进电机发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多PLC控制系统完全可以由单片机控制系统所代替。第2章方案论证和比较1 .1单片机概述M电子计算机是20世界纪40年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自1971年以来，随着大规模集成电路的发展，又出现了微型计算机。它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的推动作用。作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。硬件是指微型计算机本身及其外围设备;软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。2 .1.1硬件硬件是由主机、接口电路及外部设备组成的。各个系统采用硬件的数量也不相同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。1）主机。它是计算机空着系统的主要部分,通过接口它向外部发出各种命令,同时它还可以进行巡回检测、数据的处理及计算、报警处理、逻辑判断等功能。2）接口及输入输出通道。它是主机和被控对象信息交换的桥梁。一般根据功能及传送数据的方法可分为：（1）并行接口，如PI0；（2）串行接口，如SIO;（3）直接数据传送，如DMA;（4）实时时钟，如CTC。3）通用外部设备。包括显示器、打印机、存储器等，这些设备极大地扩充了主机的功能。4）检测设备及操作台。检测设备的主要作用是将被检测参数的非电量变成电量，而通过操作台人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作指令等。5）执行机构。比如说，步进电机和马达等，常见的执行机构有电动、气动和液动等形式。2.1.2软件软件是指能完成各功能的计算机程序的总合，如操作、监控、控制、计算和自诊断等。因此，软件的分类也很多，就语言来分，可分为机器语言、汇编语言和高级语;就功能来分，可以分为系统软件、应用软件及数据库。系统软件专门用来使用管理计算机本身的程序;应用软件是面向用户本身的程序;数据库及数据库管理系统主要用于大量的数据管理及资料检索系统。2.2步进电机的工作原理步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。如图2-1所示，电机的定子上有6个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为60度。磁极上装有控制绕组并联成A,B,C三相。转子上均匀分布40个齿，每个齿的齿距为9度。定子每段极弧上也有5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距为60度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当A极下的定、转子齿对齐，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度。这时若给B相通电，电机中产生沿B极轴线力一向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距（磁阻转距）的作用而转动，直到转子齿和B极上的齿对齐为止。此时，A极和C极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。由此可见:错齿是促使步进电机旋转的根本原因。A图27步进电机的剖面图若断开B相控制绕组，而接通C相控制绕组，这时电机中产生沿C极轴线方向的磁场。同理，在反应转距（磁阻转距）的作用下，转子安顺时针方向转过3度，使定于C极下的齿与转子齿对齐。以此类推，当控制绕组按A-BY-A顺序循环通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动3度的规律转动起来。若改变通电顺序，即按A-C-B-A顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动3度。这就是单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过L5度。2. 2.1步进电机工作方式的选择常见的步进电机的工作方式有以下二种：1）三相单三拍:A-B-C-A;2）三相双三拍:AB-BC-CA-AB;3）三相六拍IA-AB-B-BC-C-CA-A按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此,同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。（1）控制步进电机换向顺序通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。（2）控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。（3）控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2. 3单片机控制步进电机的设计思路典型的步进电机控制系统如图2-2所示。方向控制图2-2典型的步进电机控制系统图变频信号源是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。如果采用单片机来作为变频信号源，来控制步进电机，则可以发出有规律的脉冲信号，经过脉冲放大器后，为步进电机提供了一种可行的通电方式。为步进电机提供时序脉冲是单片机的主要作用，每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定的方向进一步。设计的要求：本设计采用凌阳16位单片机SPCE06IA对步进电机进行控制，通过K)口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。根据设计要求总体设计方案如图3-2所示：图2-3总的设计图第3章控制系统的硬件电路设计3. 1SPCEO61A的介绍人SPCE061A是继SPTM系列产品SPCESOOA等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCESOoA不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）o较高的处理速度使SPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCESOOA相比，以SPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。3. 1.1性能3 16位U'nSpTM微处理器； 工作电压（CPU）VDD为2.43.6V（I/O）VDDH为2.45.5VCPU时钟：0.32MHZ49.152MHz； 内置2K字SRAM； 内置32KFLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器； 系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2A,3.6V 2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）； 2个10位DAC（数一模转换）输出通道； 32位通用可编程输入/输出端口； 14个中断源可来自定时器A/B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据； 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟； 7通道10位电压模-数转换器(ADe)和单通道声音模-数转换器； 声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能; 具备串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)接口； 具有保密能力； 具有WatchDog功能。3.1.2结构SPCE061A的结构如图1.2所示:IOA15-0IOB15-0图37SPCEO61A的结构图3.1.3芯片的引脚排列和说明SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式;它的排列 ¥O 600Z9SPC(NlZ999999999如图32所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。如图33所示。O600Zl9ISklECSllLUl8坪卜卜卜卜卜泞1 T 二2l -8 P , TT 正 22 T4 75 T677 TC T5, 2-X32O X32I TEST NC VDD NC ICE ICECLK ICESDA VSS PVIN DAC1 DAC2 V2VREF AVSS AGC OPI MICOUTMICN Q PFUSECz0000000000grSPCE061 QFP80r<o-> J<o-> 25 9VO 30- 30- 20 20 50- 02 ss>Oz Ol QQX<O-QQ><05Q>NC I0B11 IOB12 IOB13 IOB14 I0B15 SLEEPNC VSSIOB ROMTNC IOA15 IOA14 I0A13 IOA12 I0A11 IOA10I0A960更58 5756 5554 53524948 47 46 4544U774T图3-2PLCC84结构图U1OSC32O OSC32I XTEST VDD XICE ×ICECLK ×ICESDA VSS PVIN DAC1DAC 2 VREF2 VSS AGCOPI MICOUT MICN PFUSE NCNC NCO H Q O Qi Q > > >O QZ ZQZQ QOZo <BS 山"X<0- TQQ> IQQ> >oZIQQ> Oso-NC NC NC NC NCPVPP IOB11 IOB12 IOB13 IOB14 IOB15 XSLEEPVSS XROMT IOA15 IOA14 IOA13 IOA12 IOA11 IOA10IOA9VECLO68Z99l8880O8ZZZZZ图3-3LQFP80结构图3.1.4SPCE061A单片机硬件结构SPCE061A芯片内部集成了ICE（在线实时仿真/除错器）、FLASH（闪存）、SRAM（静态内存）、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环（PLL）,ADC（模拟数字转换器）,DAC（数字模拟转换器）输出、UART（通用异步串行输入输出接日）、SK）串行输入输出接口）、低电压监测/低电压复位等模块。在本章中我们将详细介绍各个模块的结构及应用。如图3-4所示：图3-4SPCE061A硬件结构图用户寄存器SP:堆栈指针R1-R4通用寄存器BP基指针SR:段寄存器NZSC4个标志位DS:数据段选择控制位PC：程序计数器SHIFTER移位器ALU算术逻辑单元ADDRGEN地址编码器MUD多路选择开关3.1.5,NSPTM的核心结构U'nSP'rM的核心由总线、ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。ALU算术逻辑运算单元u'nSpTM的ALlJ非常有特色，除了一般基本的16位算术逻辑运算，还提供了结合算术逻辑的16位移位运算。在数字信号处理方面，提供了高速的16位X16位乘法运算和内积(乘加)运算。16位算术逻辑运算u'nSP'M与大多数CPU一样，提供了基本的算术运算与逻辑操作指令，加法、减法、比较、补码、异或、或、与、测试、写入、读出等16位算术逻辑运算及数据传送操作。结合算术逻辑的16位移位运算U'nSpTM的移位运算包括：算术右移ASR、逻辑左移LSLs逻辑右移LSR、旋转左移ROL及旋转右移RORo口'nSprM的移位器shifter就串接在ALU的前面，也就是说，操作数在经过移位处理后，马上会进入ALU进行算数逻辑运算。所以，u'nSPM的移位指令都是复合式指令，一个指令会同时完成移位和算术逻辑运算。程序设计者可利用这些复合式的指令，撰写更精简的程序代码，进而增加程序代码密集度(COdeDensity)O在微控制器应用中，如何增加程序代码密集度是非常重要的问题；提高程序代码密集度可以减少程序代码的大小，进而减少ROM或FLASH的需求，以降低系统成本与增加执行效能。16位*16位的乘法运算和内积(乘加)运算除了普通的16位算数逻辑运算指令外，u'nSpTM还提供了高速的16位16位乘法运算指令MUL,和16位内积运算指令MULS0二者都可以用于有符号数相乘(Signedsigned)或无符号数与有符号数相乘(unsignedSigned)的运算。在u'nSPISAl.1指令集下，MUL指令只需花费12个时钟周期，MULS指令花费10n+6个时钟周期，其中n为乘加的项数。例如:MR=R2*R1,4"表示求4项乘积的和，MULS指令只需花费46(10×4+6=46)个时钟周期。这两条指令大大的提升了H'nSpTM的数字信号处理能力。寄存器组,nSPCPU的寄存器组一共有8个16位寄存器，可分为通用寄存器和专用寄存器两大类别。通用寄存器包括：RR4,作为算术逻辑运算的来源及目标寄存器。专用寄存器包括SP、BPsSR、PC,是与CPU特定用途相关的寄存器。通用寄存器R1R4(Genera!-purposeregisters)可用于数据运算或传送的来源及目标寄存器。寄存器R4、R3配对使用，还可组成一个32位的乘法结果寄存器MR；其中R4为MR的高字符组,R3为MR的低字符组，用于存放乘法运算或内积运算结果。堆栈指针寄存器SP(StackPointer)SP是用来纪录堆栈地址的寄存器，SP会指向堆栈的顶端。堆栈是一个先进后出的内存结构，U'nSpTM的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。CPU执行push、子程序调用call、以及进入中断服务子程序(ISR,InterruptServiceRoutine)时，会在堆栈里储存寄存器内容，这时SP会递减以反映堆栈用量的增加。当CPU执行pop时、子程序返回ret、以及从ISR返回reti时，SP会递增以反映堆栈用量的减少。U'nSpTM堆栈的大小限制在2K字的SRAM内，即地址为OXOOOOoO0x0007FF的内存范围中。基址指针寄存器BP(BasePointer)U'nSpTM提供了一种方便的寻址方式，即基址寻址方式BP+IM6；程序设计者可通过BP来存取ROM与RAM中的数据，包括：局部变量(LocalVariable)、函数参数(FUnCtiOnParameter)、返回地址(RetUrnAddress)等等。BP除了上述用途外，也可做为通用寄存器R5,用于数据运算传送的来源及目标寄存器。因此，在本书或程序中，BP与R5是共享的，均代表基址指针寄存器。程序计数器PC(ProgramCounter)它的作用与一般微控制器中的PC相同，是用来纪录程序目前执行位置的寄存器，以控制程序走向。CPU每执行完一个指令，就会改变PC的值，使其指向下一条指令的地址。在U'nSpTM里，16位的PC寄存器与SR寄存器的CS字段，共同组成一个22位的程序代码地址。状态寄存器SR(StatusPointer)SR内含许多字段，每个字段都有特别的用途，如图2.1所示。其中包含两个6位的区段选择字段:CS(CodeSegment),DS(DataSegment),它们可与其它16位的寄存器结合在一起形成一个22位的地址,用来寻址4M字容量的内存。SPCE061A只有32K字的闪存，只占用一页的存储空间，所以CS和DS字段在SPCE061A中都是设为O03.2步进电机的选择本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，在设计要求中没有对步进电机提出特别的要求，因此为了设计的方便，选择受控电机为三相三线制的步进电机(内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V)3.3步进电机的驱动电路设计3方案一：使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。方案二：使用L298N芯片驱动电机1.298N芯片可以驱动两个二相电机(如图3-5所示)，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。通过比较，根据设计提出的要求，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，从经济考虑，且价格不高，故选用L298N芯片驱动电机。而使用L298N芯片时，可以用L297芯片来提供时序信号，可以节省单片机IO的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，电路通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图3-6所示。通过单片机SPCE061A的IOB8IOB13对L298N的INlIN4和ENA、ENB发送方波脉冲信号，起时序图如图37所示。VDD图3-6进电机的驱动电路图1234567812345-LrLn_n_TLn_n_n_rLrLOinh1IIiIIL三IIIIII图3-7起时序图3.4数码管显示电路的设计.方案一：串行接法设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO,发送数据时容易控制。方案二：并行接法使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，因此选择了方案一。另外,使用锁存也起到节约资源的作用。数码管的显示驱动使用74LS164,通过SPCE061A的K)BO和IOBl口对DATA和CLK发送数据。如图3-8所示：图38用74LS164驱动电路图3.54X4键盘电路的设计1间行列式键盘的工作原理：在键盘中按键数量较多是，为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式，如图3-9所示，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，本来一个端