上海羊羽卓进出口贸易有限公司一种小型双路水下电视驱动系统设计
摘 要： 针对核电站广泛应用的双路水下电视驱动系统存在体积大且重等不足，设计并实现了一种小型10路直流电机驱动系统，完成双路水下电视的所有动作驱动。驱动系统以C8051F340单片机为核心，通过USB模块接收上位机控制指令包。根据解码指令，系统利用SPI编程2块集成功率驱动芯片DRV8823实现6路电机驱动，通过PWM驱动2片DRV8412实现4路电机驱动。试验结果表明，该电机驱动系统可同时实现10路直流电机的有效驱动，应用于双路水下电视具有可靠性高、体积小和发热少等特点。
0 引言
核电站需要定期进行关键部件检修，保障其运营安全。由于关键设备多具有放射性，故处于一定深度的硼酸水中，而双路水下电视则成为水下检修的常用工具之一[1-2]。目前，现场广泛应用的水下电视驱动系统具有体积大且重等问题[3-4]，特别是现场工作人员穿戴防辐射和防沾污装备进行操作，上述问题愈发有必要及时解决。
双路水下电视的动作包括云台转动和镜头参数调整等，每个动作对应一个直流电机，即驱动系统需实现多路直流电机驱动。直流电机驱动需实现弱电信号对电机转动的控制，在实现方法上，传统电机驱动器多采用分立式功率元件或大导通电阻的驱动芯片与PCI接口相结合的方案，装配于工控机时，具有安装不便、体积大、以及发热量高等不足[5-6]。本文提出一种采用集成功率驱动芯片DRV8412、DRV8823与USB接口相结合的多通道电机驱动方案。该方案以C8051F340为主控芯片实现上位机对多路直流电机的驱动控制，具有体积小、发热少和低成本等优点。
1 系统总体设计
本系统驱动对象为双路水下电视的光学镜头和云台的关联电机，具体功能需求：驱动10路工作电压为12 V的直流电机，其中6路电机功率≤10 W，用于控制镜头的变倍、调焦和光圈等参数，4路电机功率≤25 W，用于驱动摄像模块的二维云台；上位机通过USB端口发送控制指令。经分析，系统主要由上位机指令接收模块、控制模块和功率放大模块组成，通过三模块实现多路电机控制命令解码、驱动模块配置和驱动信号发生等功能。系统的整体示意图如图1所示。上位机指令接收模块通过单片机的USB硬件单元实现，利用单片机的中断响应实现上位机指令数据的实时可靠接收；控制模块的功能有：指令协议包解码、SPI接口配置与操作和PWM驱动信号产生等；功率放大模块对两类集成功率驱动芯片进行工作模式配置，实现弱电信号对直流电机的驱动。
2 系统硬件设计
2.1 六通道电机驱动模块硬件设计
本模块以2片TI公司的集成功率驱动芯片DRV8823为核心[7]，实现6路直流电机驱动。驱动芯片包含4路H桥，工作电压范围大，满足12 V电机驱动需求；同时，其最大驱动电流可达1.5 A，2块组合最多可以满足8路功率≤10 W电机的驱动；此外，该芯片可根据系统指标进行8档峰值电流设置，减少系统发热量；最后，芯片还具有过流、短路、过热保护等功能。本模块的配置控制电路如图2所示。图中仅给出单路配置情况，2路均为SPI从设备，通过时钟信号SCLK、数据信号SDAT和片选信号SCS进行控制，区别在于片选信号相互独立，操作上SCS1和SCS2分时有效。芯片外围配置电路简单，除4个大功率传感电阻外，仅有少量小封装电容。其中，传感电阻主要为芯片的PWM斩波电流模块提供比较电压。
2.2 四通道电机驱动模块硬件设计
本模块采用2片集成功率驱动芯片DRV8412实现4路直流电机驱动[8]。DRV8412是TI公司的一款双H桥PWM驱动芯片，具有4种工作模式，保护电路齐全，内置有欠压、过热、过载、短路保护等，同时，具有内阻小、效率高等特点。针对本系统4路功率≤25 W直流电机驱动需求，DRV8412可工作于12 V，同时提供3 A连续驱动电流，满足系统指标。本模块的配置控制电路如图3所示，芯片的M1-M3引脚设置为‘000’，工作于带电流检测的单桥控制方式。图中给出一块驱动芯片的配置，通过单片机输出的四路PWM控制信号经PWMA-D引脚驱动功率半桥，功率放大后的信号由OUTA-D输出，两位一组即可实现直流电机驱动。
2.3 控制模块硬件设计
本模块控制器采用C8051F系列的C8051F340，其是具有高速8051内核的独立片上系统，外围电路简单[9]。C8051F340具有USB硬件单元，可满足系统的上位机指令接收需求。针对驱动芯片配置和控制，单片机采用SPI接口和IO端口结合的方式实现两块DRV8823的操作，利用P2和P3端口分别实现两块DRV8412的状态获取和PWM驱动信号输出。本模块的具体硬件配置如图4 所示。其中，获取状态主要包含过热警告和出错信号；同时，多路PWM驱动信号的频率范围还要满足20-500 kHz，否则，两输出端之间功率不满足系统需求。
3 系统软件设计
本系统软件部分是基于Silicon Lab集成开发环境的MCU软件设计，软件的主程序流程图如图5所示。系统首先完成单片机各类硬件模块的配置，然后通过中断获取上位机的控制指令包，最后，主循环进行新控制指令包的解码操作、各片电机驱动芯片状态的依次更新和驱动信号的分别输出。
硬件模块配置主要包含USB、SPI、定时器以及IO端口等设置。USB设置涉及USB时钟选择、时钟使能以及USB设备描述等的初始化，由于控制命令数据率较低，USB采用6 MHz的低速模式；SPI设置主要包含时钟频率、时钟相位、时钟极性和工作模式等，由于DRV8823通过SPI接收数据在时钟上升沿，故SPI设置为4线单主模式，同时，极性CKPOL位和相位CKPHA位清零；定时器设置为8位自动加载模式，用于给PWM提供基准时钟。
指令包为3字节数据包，依次代表帧头、电机状态和帧尾。解码操作首先获取指令包的帧头0xA5和帧尾0x5A，并进行判定，然后再对状态字节的相关信息进行分析，最后实现程序中各个电机的状态位依次更新。状态字节信息如表1所示，其中，电机类型有大小两类；电机序号包含0-3或0-5；针对PWM信号驱动电机，其速度分为高、中、低3档。
程序主体部分包含DRV8823的寄存器更新和DRV8412的8路PWM驱动信号输出。DRV8823的寄存器为16位，需2次向SPI0DAT中写入状态字节，同时，注意数据传输时低位在前，并且2个8位数据传输间隔需10 μs以上，否则，写入操作会出现不响应的情况。PWM通道数较多，程序采用定时器中断方式进行多路PWM信号模拟，中断程序则根据指令包中的电机状态标志完成各路PWM信号占空比的配置。
4 系统测试
本驱动系统已应用于核电站水下电视设备中，具体安装在视频采集处理机箱内。为了单独测试本驱动系统性能，本文通过VS6.0编写上位机测试程序，程序界面如图6所示。其可以通过各复选框状态的修改，再在发送按钮按下后经USB向驱动系统发送状态指令实现电机控制。为了保证测试可靠性，测试电机均与水下电视中应用的电机型号相同，即均为maxon直流电机。
测试包含DRV8823驱动芯片的SPI寄存器写操作、DRV8412驱动芯片的输入输出波形对比、输出两引脚间波形对比和两者发热状况等。通过连接电机负载，并使其依次连续正反转动10个周期，得驱动芯片均无明显发热，即本驱动系统可同时实现2套水下电视头部的镜头和云台动作驱动。
5 结论
为了解决核电站目前常用双路水下电视的驱动系统体积大、重量沉等问题，本文设计并实现了一种通过USB进行状态更新的10路直流电机驱动系统。经测试分析和现场实际应用，其能够完成2套水下电视的驱动任务。此外，该系统也可推广应用于有多路电机驱动需求且体积受限的其他执行末端中。该系统采用USB端口传输控制指令，操作方便，利用DRV8823和DRV8412功率芯片实现电机驱动，具有可靠性高、体积小和发热量少等优点，具有较高的工程价值。
参考文献
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8051单片机彻底研究（基础篇）
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第1章单片机的来龙去脉.................................................................2
1-1单片机从头说起.....................................................................2
1-2单片机与个人电脑的比较............................................................2
1-3典型的单片机应用系统.................................................................4
1-4最简化的单片机系统...........................................................................5
1-5单片机开发的实际问题.................................................................7
1-6本书的单片机学习环境....................................................................8
第2章8051单片机简介..............................................................12
2-1微型控制器与微型处理器................................................................12
2-2时势造英雄：MCS-51系列单片机..................................................12
2-38051单片机功能方框图...............................................................14
2-48051系统复位分析...................................................................20
习题.............................................................................................22
第3章单片机的汇编语言....................................................................26
3-18051单片机的程序设计..............................................................26
3-2写汇编程序的预备知识................................................................26
3-3汇编语言的基本架构.................................................................27
3-4写汇编语言前：熟悉寄存器与指令..............................................28
3-5试写一个8051汇编程序..............................................................30
3-6配合示波器做汇编语言的除错......................................................31
3-7更进一步的8051汇编程序.........................................................33
3-88051的反汇编程序....................................................................34
习题............................................................................................34
第4章8051的存储器...........................................................................36
4-18051内部存储器的分配.................................................................36
4-2程序存储器空间..............................................................................37
4-3外部数据存储器空间.....................................................................37
4-4内部数据存储器空间.............................................................38
习题...........................................................................................39
第5章8051指令的寻址模式..............................................................42
5-18051执行指令的过程...............................................................42
5-28051的直接寻址模式............................................................45
5-38051的间接寻址模式...................................................................46
5-48051的寄存器寻址模式...............................................................47
5-58051的立即寻址模式.....................................................................49
5-68051的索引寻址模式....................................................................49
习题..............................................................................................51
第6章 8051指令说明..........................................................................54
6-18051指令格式.................................................................................54
6-28051指令概述.................................................................................54
6-38051指令集整理.......................................................................56
6-4影响标志位的指令.................................................................58
6-58051指令解析一：算术运算指令....................................................59
6-68051指令解析二：逻辑运算与移位指令..........................................62
6-78051指令解析三：数据传送指令.....................................................64
6-88051指令解析四：布尔变量操作指令................................................68
6-98051指令解析五：程序分支指令......................................................69
习题.....................................................................................75
第7章8051单片机的引脚说明.............................................................78
7-18051单片机的引脚...................................................................78
7-2认识AT89C2051........................................................................81
7-38051与AT89C2051的差异...........................................................84
7-4AT89C系列的下一步..............................................................84
习题.............................................................................................8.6
第8章8051基本程序练习..................................................................88
8-1工具的准备............................................................................88
8-28051汇编程序X8051与LINK4的操作................................................89
8-3基础范例一：LED的亮与灭.........................................................90
8-4基础范例二：蜂鸣器的使用.........................................................92
8-5基础范例三：指示灯...................................................................93
8-6基础范例四：七段显示器的使用..................................................95
8-7基础范例五：按键的使用............................................................99
习题.......................................................................................102
第9章8051控制板线路说明..............................................................104
9-1如何选用控制板......................................................................104
9-2AT2051控制板的特点..............................................................105
9-3线路分析.................................................................................105
9-4AT2051控制板的应用与学习方向..................................................108
9-5AT2051元件表及元件照片.........................................................110
9-6组装指南.............................................................................112
9-7组装的测试步骤...................................................................113
第10章8051定时/计数彻底研究......................................................124
10-1什么是定时/计数................................................................124
10-28051定时器和计数器安排......................................................124
10-3定时/计数器相关的寄存器.......................................................125
10-48051的Timer定时/计数器设置步骤...............................................127
10-5 Timer模式0彻底研究...........................................................128
10-6Timer模式1彻底研究..............................................................130
10-7 Timer模式2彻底研究.........................................................137
10-8 Timer模式3彻底研究.........................................................138
10-98051Timer模式3的再探讨.....................................................139
第11章8051中断彻底研究.........................................................142
11-1为何要有中断...............................................................142
11-28051的中断................................................................142
11-5中断的寄存器（IE和IP）的介绍..........................................146
11-68051的中断源彻底研究..........................................................148
11-78051的中断设置步骤............................................................150
11-8AT2051控制板在中断上的安排................................................151
11-9内部计数器0中断程序范例.......................................................151
11-10外部负边沿中断INTO程序范例.............................................157
11-11外部低电平中断程序范例.................................................160
11-12串行传输中断程序范例.....................................................162
习题.........................................................................................168
第12章8051串行通信彻底研究（一）.............................................170
12-1为何要通信....................................................................170
12-2如何进行串行通信......................................................171
12-3RS232C的规格...............................................................173
12-48051的串行接口概述..........................................................175
12-5申行传输控制有关的寄存器：SCON.............................................177
12-68051串行传输的波特率设置.....................................................178
12-7串行传输模式0彻底研究..................................................179
12-8串行传输模式1彻底研究.......................................................184
12-9串行传输模式2彻底研究......................................................188
12-10串行传输模式3彻底研究...................................................191
第13章8051串行通信彻底研究（二）.................................................196
13-18051的多处理器通信彻底研究......................................................196
13-2AT2051的串行硬件线路分析.........................................................199
13-3AT2051控制板如何与PC连接....................................................200
13-4多处理器通信的写法分析.........................................................201
13-58051串行接口发送硬件分析.....................................................202
13-6串行传输实用程序范例............................................................205
13-7串行传输的应用与影响..........................................................207
习题...........................................................................................208
进阶练习篇
第14章 AT2051进阶练习（一）.......................................................210
14-1练习：蜂鸣器的控制................................................................210
14-2练习：中断服务程序所占用的时间..............................................213
14-3练习：七段显示器的初步使用....................................................215
14-4练习：ACC值的转换与显示.......................................................218
14-5练习：BCD值的转换与显示...................................................221
14-6练习：按键操作的确认.............................................................224
14-7练习：学习波形Duty Cycle的计算与显示......................................227
14-8练习：学习温度值的换算与显示...................................................227
14-9练习：温度值每秒读取两次的写法...............................................228
14-10练习：另一种温度测量的写法..................................................229
习题...........................................................................................230
第15章AT2051进阶练习（二）...............................................................234
15-1练习：启动RS485串行通信接口.................................................234
15-2练习：练习温度值转成ASCIⅡ字符串的写法.......................................235
15-3练习：串行传输的写法.........................................................236
15-4练习：串行传输的写法二..........................................................237
15-5练习：将温度的精确度提高到小数点后一位...................................238
15-6练习：串行除错程序的加入.......................................................239
习题.........................................................................................240
第16章AT2051进阶练习（三）...................................................242
16-1练习：写入一个字节的数据到E'PROM 24LC16内...........................242
16-2练习：E2PROM的读回写法分析...............................................243
16-3练习：ID值读取的写法....................................................244
16-4练习：如何判断E2PROM是否存在...........................................245
16-5练习：ID值的在线更改...........................................................246
16-6练习：配合ID调用的串行通信程序........................................246
16-7练习：串行通信程序的除错....................................................247
16-8练习：RS485通信程序的完整版............................................248
第17章汇编语言的写法分析与除错.....................................................254
17-1汇编语言的难点.........................................................................254
17-2写程序的重点..............................................................................254
17-3LED除错法..................................................................................254
17-4蜂鸣器除错法...........................................................................255
17-5DISPLAY除错法.........................................................................255
17-6串行通信除错法.........................................................................256
17-7仪器协助除错法.........................................................................257
17-8高级仪器除错法...................................................................257
习题.......................................................................................258
第18章8051例程归纳整理..................................................................260
18-1清除4个内部DATA MEMORY地址.............................................260
18-2清除4个外部DATA MEMORY地址...............................................260
18-3将外部数据存储器上4个字节值存入内部数据存储器...........................261
18-4将4个内部数据值转存到外部数据存储器中......................................261
18-5内部数据存储器内4字节相加（不含正负符号）...............................262
18-6内部数据存储器的值和外部数据存储器的值相加...............................262
18-7内部数据存储器的4字节相减.....................................................263
18-8将内部数据存储器内的值取补码.................................................263
18-9对外部数据存储器做16位的加法运算.........................................264
18-10对外部存储器做减法运算.........................................................264
18-11内部数据存储器做值的比较..........................................................265
18-12外部数据存储器做整段值的比较.............................................265
18-13内部数据存储器区与累加器做比较...............................................266
18-144字节不含正负符号的乘法运算...............................................266
18-154字节不含正负符号的除法运算...................................................267
18-16对外部数据存储器内的值做异或运算产生一个校验码..........................268
18-17确认外部数据存储器（4字节）的校验码是否正确............................269
18-18在内部数据存储器内产生4个随机数..............................................269
18-19检查外部数据存储器（16位）是否为0000H.....................................270
18-20检查外部数据存储器（16位）的值是否为1000................................271
18-21检查外部数据存储器（16位）的值是否比5000大............................271
18-22将外部数据存储器（16位）值转换成6个BCD码.............................272
18-23将ACC值（<99）转换成两个BCD码..........................................273
18-24将累加器的值转换成3个BCD码...................................................273
18-25检查一段外部数据存储器（2KB）的读写功能...................................274
18-26计算2KB程序空间的校验和（CHECKSUM）.......................................274
18-27清除外部数据存储器共2048个地址...............................................275
18-28将1个字节值转换成ASCⅡ码，供数据显示用..................................275
18-29将ASCII码转换成二进.制...................................................276
第19章混合式示波器的认识与使用....................................................280
19-2基本测量示范....................................................................283
19-3特殊信号测量.........................................................................285
第20章数字电表的使用...................................................................288
20-1数字电表功能..............................................................................288
20-2数字电表操作要点...................................................................288
20-3数字电表使用时的特别注意事项...................................................290
20-4AT2051控制板操作示范............................................................291
20-5电表的校正.........................................................................291
习题............................................................................................293
第21章USB烧录器的安装与使用........................................................296
21-1旗威USB烧录器....................................................................296
21-2烧录器的安装...........................................................................296
21-3烧录程序的安装....................................................................297
21-4烧录功能说明............................................................................297
21-5 Files文件菜单......................................................................299
21-6IC芯片菜单........................................................................301
21-7Programmer烧录器菜单.............................................................303
21-8Diagnostic 诊断菜单....................................................................305
21-9USB烧录器特殊用法...............................................................306
21-10USB烧录器注意事项...........................................................307
习题.......................................................................................307
附录............................................................................................309
附录AASCII表..........................................................................309
附录B8051相关IC引脚图............................................................311
附录C8051指令集总整理..................................................................314
附录D8051指令整理（按功能划分）................................................324
附录E8051指令整理（按十六进制排列）..........................................329
附录F8051SFR表与RESET后的初始值.............................................336
附录GSFR特殊功能寄存器整理表....................................................337
附录H如何购买电子元件.............................................................340
附录l如何识别晶体管（三极管）的引脚..............................................342
附录J如何看Data Sheet................................................................345
附录K如何焊接...........................................................................347
附录L如何上网找元件..............................................................349
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为什么 8051 叫做 单片机 ?8051没有反馈电路只是个音频输入放大元件所以又叫单片机。8051没有反馈电路只是个音频输入放大元件所以又叫单片机。
msp430、stm8、avr、 8051 、IAR有什么关系?msp430是16位单片机,STM8和avr是8位单片机。至于8051以前是单片机型号,现在成为一种标准,这类的单片机都叫8051内核。IAR与KEIL一样,是编译软件。msp430是16...
