飞思卡尔单片机KinetisEA系列在电机控制系统中的应用

宁金铱

摘 要：本文使用飞思卡尔公司推出的KinetisEA系列单片机实现了电机控制的应用，并简要介绍了控制系统组成；在系统结构设计的基础上，设计了系统硬件，编制了系统软件；并从硬、软两方面采取了抗干扰措施。在实际的产品开发中具有很重要的参考价值。

关键词：KinetisEA系列单片机；电机控制；KEA系列评估板；

中图分类号：TP271.4 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02

目前，电机控制应用具有多种解决方案，包括8位，16位和32位的单片机作为主控芯片，其内部包含的各种模块实现了对电机的控制。随着控制系统变得越来越复杂，对单片机的要求也越来越高，尤其需要其有很强大的运算能力和更大的存储容量以应对系统不断升级和扩展的需求。

飞思卡尔公司推出的KinetisEA系列单片机提供了基于ARM的经济高效的解决方案。并具有相对强大的运算能力和高达128K的闪存。能符合更复杂系统不断升级和扩展的需求。

一、KinetisEA系列单片机简介

KinetisEA系列单片机是飞思卡尔公司在2014年推出的一款面向汽车行业应用单片机，该系列单片机提供了基于ARM的经济高效的解决方案。该系列包含一组功能强大的模拟、通信、定时和控制外设，提供各种闪存规格和引脚数。这些可扩展的器件高度可靠，具有增强的EMC/ESD性能，可为低成本汽车应用提供相应的解决方案。

此外，该系列还提供多个开发工具、软件和硬件参考选项，帮助客户轻松的开始设计。整个KinetisEA系列引脚兼容，该系列还将与未来的Kineits的其他产品系列引脚兼容。为今后客户的平滑升级提供便利。该系列单片机具有简单的工具、丰富的开发环境和覆盖-40至125°C温度范围的汽车级质量认证，可协助产品开发，加快产品的上市速度。并附带一套丰富的文档、硬件和软件工具及应用说明，有助于加速开发，降低设计成本。

二、系统简介

整个电机控制系统由以下几个部分组成，电池组，开关电路，中控板，电机接口电路，电机和传感器电路。电池组通过开关电路提供给中控板和电机控制电路及电机电源。开关电路负责电源的通断。主控板则起到最重要的控制作用，收到传感器的信号后对电机进行控制，协调整个系统正常工作。电机控制接口电路和电机则执行主控板的指令进而驱动硬件系统动作，实现左右转向，前后运动等控制动作。传感器和电机的数目可以不断扩展以实现系统更复杂的需求。系统框图见图1。

三、主控芯片板，KEA系列评估板

该系统使用的是StarterTRAK基于KinetisEA系列MCU的低成本开发套件，能够实现快速原型设计和工具的重复利用。TRK-KEA128开发平台基于KinetisEA系列32位ARM?MCU构建，配备128KB闪存，适用于各种应用，是本系列中最强大的平台。这些可扩展的低功耗器件拥有庞大的支持生态合作体系，包括软件驱动程序、操作系统、示例代码和应用说明，能够帮助开发者迅速将设计变为现实。

四、电机控制接口电路

采用可以驱动两路电机的带光电隔离耦合的双H桥控制电路。该电路可以实现电流为2A的双路两项步进电机的控制，和转向的功能。逻辑部分电压为5V，驱动部分最大输出电压可达到35V，最大电流可以达到2A。光耦隔离功能可以有效的保护单片机。

五、电机

普通的直流电机即可实现驱动功能，电压范围在3到12V之间，转速为3000转每分钟作为主驱动电机。当然电机的选择可以根据系统的质量和额定电流大小等多个设计考量来做折衷。两个步进电机用于实现转向功能。

六、传感器

本系统使用了寻线传感器和红外开关的避障传感器，寻线传感器电源电压为3-6V，检测距离为0-3cm，检测到白色物体输出为高电平，指示信号灯亮起。检测到黑色物体输出低电平，信号通过I/O口输入到单片机。红外开关的避障传感器电压为5V，测量范围可达到80cmNPN常开型，检测到目标输出是低电平，正常状态是高电平输出，通过上拉电阻接到单片机的I/O口。通过调节传感器的角度和数量用来实现最不同要求下物体的检测。最大通道数可以由KEA128的I/O通道数决定。

七、电池组及开关电路

电池组使用了5节5号镍氢电池套装搭配充电器，电压为6V，电池容量1200mAH，可反复充电使用，一般为1000次左右。考虑到电机应用，电池的容量越大越好，但是同时需也要考虑重量，尺寸，充电时间等其他因素进行设计折衷。

八、软件部分的设计

软件设计采用了程序结构化和功能模块化的设计方法。系统软件按结构分主程序、定时器中断服务程序及任务子程序等三部分组成。其主程序流程如图2所示。定时器中断服务程序是由软件设置的定时中断程序，主要用于检测各种传感器的输入及进行其它定时处理。任务子程序包括各种子任务实现转向和电机控制等等。本系统使用CodeWarrior开发套件实现了软件的开发，该套件 是飞思卡尔公司提供的系统开发软件，方便易用界面友好，可以协助快速的实现开发目标。

九、抗干扰措施和低功耗设计

为了保证系统能够在恶劣的环境中长时间可靠运行，系统在硬件设计和软件设计方面采取了多种抗干扰措施。在硬件设计方面采取了接地处理、退耦滤波等措施。在软件设计方面采取了数字滤波、重复执行、主动初始化、数字量输入的封锁和模块编号等方法。

同时为了实现更长的运行时间减少电池电力消耗，单片机使用进入低功耗模式的方法来减少系统功耗，在待机状态，单片机进入特殊的低功耗模式，系统工作时再从低功耗模式唤醒进出正常工作模式。从而实现了更低的功耗，减少电池电力损耗。

十、结束语

本系统采用KinetisEA系列单片机实现了电机控制的应用，介绍了基于飞思卡尔公司KinetisEA系列单片机和系统各个模块的组成，该系列单片机提供了基于ARM的经济高效的解决方案。并具有相对强大的运算能力和高达128K的闪存。能符合系统不断升级和扩展的需求。在系统结构设计的基础上，设计了系统硬件，编制了系统软件；并从硬、软两方面采取了抗干扰措施。在实际的产品开发中具有很重要的参考价值。

参考文献：

[1]飞思卡尔KEA系列单片机数据手册，网址www.freescale.com.