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基于PIC18F系列单片机的嵌入式系统

设计

引言嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，

适应应用系统对功能、体积、成本、可靠性、功耗严格要求的专用计算机系

统。嵌入式系统是面向应用的，系统的硬件选型和软件开发模式都必须根据具

体的应用确定。永磁无刷直流电动机是电机控制研究领域的热点之一，这与其

自身固有的技术优势密切相关：以电子换相取代了有刷直流电动机的机械换

相。从根本上革除了普通有刷直流电动机由于电刷换相带来的火花、噪音

引言

嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁

剪，适应应用系统对功能、体积、成本、可靠性、功耗严格要求的专用计算机

系统。嵌入式系统是面向应用的，系统的硬件选型和软件开发模式都必须根据

具体的应用确定。

永磁无刷直流电动机是电机控制研究领域的热点之一，这与其自身固有

的技术优势密切相关：以电子换相取代了有刷直流电动机的机械换相。从根本

上革除了普通有刷直流电动机由于电刷换相带来的火花、噪音、高故障率等一

系列问题，同时又使系统的性能能够与普通有刷直流电动机相媲美，因此得到

了广泛的应用。永磁无刷直流电动机的电子换相离不开电机的转子位置信号，

传统的方法是采用霍尔器件或其他位置传感器检测位置信号，这使得系统的维

护和制造都不方便，并且由于传感器的工作特性不稳定，给系统的安全运行带

来了一些隐患。因此，无位置传感器方案引起了人们的极大兴趣。

本文结合无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的开发，以

Microchip公司的PIC18F452单片机为主控器件，并采用嵌入式实时操作系统

μC/OS-II作为软件开发平台，详细讨论了嵌入式系统的开发模式与流程。

2．系统硬件平台设计

嵌入式系统设计的第一步是结合具体的应用，综合考虑系统对成本、性

能、可扩展性、开发周期等各个方面的要求，确定系统的主控器件，并以之为

核心搭建系统硬件平台。

无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的关键问题是位置检测。目

前已经有了很多位置检测方案，其中，反电势法由于简单实用而得以广泛采

用。反电势法的原理是：基于电机的三相端电压，通过硬件检测电路或软件算

法得到三相反电势过零信号，然后用软件移相得到换相时刻，并在换相时刻按

换相逻辑完成换相，触发逆变桥以合适的导通时序工作，从而保证了电机的正

常运行。

反电势法的永磁无刷直流电动机无位置传感器控制对系统硬件提出了更

高的要求：

①三个外部中断输入引脚，便于捕捉三相反电势过零信号；

②至少一个PWM模块，实现电机的斩波调速；

③丰富的定时器资源，完成软件移相、测速等功能；

④多通道的AD转换模块，能够采样速度给定及主电路的电流、电压信号；

⑤硬件乘法器，保证速度、电流调节器的快速性；

⑥足够的程序和数据存储器，便于系统扩展；

⑦高速的系统工作频率，保证系统的强实时性；

⑧丰富的通信模块，便于系统与其他嵌入式系统的互连。

对于无位置传感器永磁无刷直流电动机控制系统的设计，有很多专用芯

片可供选用，但为了进一步提高系统性能，增强设计的灵活性，多采用DSP或

专用单片机等智能器件。但是，这样在提高系统性能的同时却增加了系统开发

成本。为了设计一个高性能、低成本的开发平台，针对应用对系统硬件的要

求，考虑到PIC18F452单片机的高性价比，选用其作为主控器件。

PIC18F452是Microchip公司推出的一款增强型8位单片机，采用精简

指令集（RISC）的设计，有两级流水线，最高运行频率可达到10MIPS，能够满

足系统对实时性的要求；指令总线16位宽，数据总线8位宽；单片机内部有

32K字节的FLASH程序存储器，1.5K字节的数据存储器和256字节的EEPROM，

便于系统的扩展；自带8#215;8硬件乘法器；中断资源丰富，提供18个中断

源，两个中断优先级，并且中断优先级可配置。PIC18F452单片机配备了丰富

的外围模块，极大地简化了单片机外围电路的设计。同时，Microchip公司为

PIC18F系列单片机提供了功能强大的指令集，共77条指令，绝大部分指令为

单字（2个字节）存储，单周期执行，应用代码的存储压缩率高，指令执行效

率高。

以PIC18F452为主控器件构成的系统硬件框图如图1所示。