基于DMA控制器的軟件環形脈沖分配器設計

　　摘要：介紹一種基于DMA 控制器的步進電機軟件環形脈沖分配器的設計。該設計具有容易實現，占用CPU資源少，速度快等優點。

　　1 引言

　　步進電機是數字控制系統中重要的執行元件，廣泛應用于各種控制系統中。步進電動機的作用是將脈沖電信號轉換成機械角位移，每當電機繞組輸入一個電脈沖，電機轉子便轉動一個步進角，電機轉動的角位移和角速度分別由輸入電脈沖和電脈沖的頻率確定，控制精度在一般情況下，由步進角決定。由于步進電機的工作原理是各繞組必須按一定的順序通電變化才能正常工作（A AB B BC C CA A AB B ……），完成這種通電順序變化規律的部分稱為環形脈沖分配器。步進電機的環形分配器設計通常可以采用硬件和軟件兩種方法。軟件分配器的特點是可以充分利用計算機資源降低硬件成本，適用多相脈沖分配，但將占用計算機運行時間，可能影響步進電機的運行速度。本文通過利用 DMA 控制器，設計了響應速度快，占用 CPU 時間少的脈沖分配器。

　　2 基于 DMA 控制器的脈沖分配器設計

　　2.1 微機控制的步進電機驅動原理

　　微機控制的步進電機驅動電路原理框圖如圖1 所示，系統由單片機，環形脈沖分配器，功率放大器等組成。步進電機的控制過程一般由單片機和環形脈沖分配器來完成，功率放大器按照控制規律驅動控制電機運轉。從計算機或環形分配器輸出的脈沖信號，其電流和功率較小，不能直接驅動步進電機轉動，脈沖信號必須經功率放大才能驅動步進電機轉動。采用微機對步進電機進行控制，控制線路簡單，控制方案改變容易，適應性強。

　　圖 1 步進電機驅動原理框圖

　　環形脈沖分配器的軟件分配方法即完全由軟件編程來實現步進電機相序信號分配，直接從微機輸出信號端口輸出控制信號實現脈沖分配的方法。軟件分頻就是利用查表或計算軟件進行控制脈沖分頻，按一定順序讀取數據（正向讀取或反向讀取數據控制電機正反轉），并通過輸出接口輸出相應的電信號，經功率放大提供給相應的電機繞組控制電機運轉。電機的轉速由輸入的脈沖信號頻率決定，也就是說，電機轉速控制是通過控制輸入脈沖信號的頻率實現。電機的轉向可以通過控制勵磁信號加載的順序來實現。

　　軟件脈沖分配器要依據脈沖頻率和轉向控制要求來產生電機繞組的控制波形。以二相步進電機為例，其正轉和反轉的勵磁狀態轉換如表 1 所示。可以把上述轉換表存入內存表中，以一定頻率按順序循環讀取數據，并輸出相應的脈沖信號。

　　表 1 步進電機繞組通電狀態轉換表

　　2.2 DMA 控制器基本原理

　　DMA 即直接存儲器存取，是一種快速傳送數據機制。DMA 技術的重要性在于，利用它進行數據存取時不需要 CPU 進行干預，可提高系統執行應用程序的效率。利用 DMA 傳送數據的另一個好處是，數據直接在源地址和目的地址之間傳送，不需要中間媒介。DMA 對總線控制的優先級比 CPU 更高，所以能在 DMA 請求發生后非常短的時間內，就可把數據從源地址送到目的地址。

　　為了保證步進電機的控制精度，必須把內存表中的四位數據按等時間間隔同時發送到輸出端口。純軟件的實現方法因為軟件執行的不確定性較難保證時間控制的精確度。有些文獻采取較常見的外接 EPROM［2］的方式實現。但是外接EPROM 的方法必須增加一個器件，就加大了電路設計的復雜度，也增加了成本。

　　DMA 控制器是通常的單片機都具備的片內資源。以定時器中斷為 DMA 請求因子，使 DMA控制器把內存表數據直接傳送到端口輸出，實現了類似外接 EPROM 一樣的控制精度，也不會增加使用CPU進行數據傳輸帶來的額外時間和資源的消耗。

　　2.3 基于 DMA 控制器的脈沖分配器系統設計

　　2.3.1 系統工作原理

　　以瑞薩的 MCU M16C/62P［2］為例，原理如圖2所示。先把表1的正轉和反轉狀態轉換表分別存入內存表中。然后，開始初始化 DMA 控制器：設置 DMA 請求因子為定時器B4中斷，DMA 數據源為上述內存表的起始地址，傳輸目的為連接外部功率放大電路的 4 位通用 I/O 端口；再根據狀態表的長度設置 DMA 計數器，使其循環輸出這一塊內存區域。最后，初始化 TmerB4：設置 TimerB4 工作在定時器模式，以 3MHz 時鐘為例作為輸入參考時鐘，根據轉速要求計算并設置定時器的計數值。在初始化完成之后，就可以通過控制定時器B4，產生步進電機的控制信號了。控制電機旋轉時，打開定時器 B4 開始計數，達到計數值時就產生一次中斷。每當定時器 B4 發生一次中斷，就產生一次 DMA 請求；這時 DMA 控制器就從內存表中讀出4位數據，傳輸到輸出端口，對應步進電機就前進一步；同時，指向內存表的指針也相應的前進一步，指向下一個要輸出的狀態向量。定時器的計數值也需要在中斷時重新載入，用來產生下一次中斷。定時器以一定頻率產生中斷，就不斷產生脈沖輸出，電機就按一定的速度運轉起來了。要控制電機停止時，停止定時器的計數，即停止了脈沖的輸出，電機就停止轉動。