电子信息工程专业毕业论文基于STM32的H桥功放电路设计论文.docx
《电子信息工程专业毕业论文基于STM32的H桥功放电路设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子信息工程专业毕业论文基于STM32的H桥功放电路设计论文.docx（45页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
电子信息工程专业毕业论文基于STM32的H桥功放电路设计论文
本科毕业设计（论文）
题目基于STM32的H桥的驱动实现
摘要
本次设计是基于STM32的PWM输出控制，通过硬件电路，采用定时器配合软件的方法实现占空比可调、周期固定的PWM输出控制。
最终将产生的PWM信号输入到H桥功放电路来实现功率放大。
本文对STM32和PWM的原理做了详细的论述，对STM32的时钟电路和复位电路进行了分析。
在对STM32内部结构熟悉的基础上完成硬件电路设计，同时对该电路保护做出了简单概述，并通过编程实现了STM32的PWM输出控制，完成软件设计。
本文还对JLINK和keilmdk370软件做了相关介绍，通过JLINK和keilmdk370软件的联调在keilmdk370中编写程序，在JLINK中进行仿真，最终实现PWM控制的H桥功率放大。
关键词:
STM32；PWM控制；H桥功放；keilmdk370；4N35
Abstract
ThisdesignisbasedonSTM32PWMoutputcontrol,throughthehardwarecircuit,usingthetimerwiththesoftwaretoachieveadjustabledutycycle,thecycleoffixedPWMoutputcontrol.Usethepotentiometertoachievethedutycyclechanges,andthengenerateagivendutycyclePWMwaveforminputtoalow-passfilter,theinputdigitalsignalinputtotheH-bridgeamplifiercircuittoachievepoweramplification.
Inthispaper,theprincipleofSTM32andPWMisdiscussedindetail,andtheclockcircuitandresetcircuitofSTM32areanalyzed.ThehardwarecircuitdesigniscompletedonthebasisoffamiliaritywithSTM32internalstructure,andthePWMoutputcontrolofSTM32isrealizedbyprogramming,andthesoftwaredesigniscompleted.ThisarticlealsomadeadescriptionofJLINKandkeilmdk370software,throughJLINKandkeilmdk370softwareinthekeilmdk370inthepreparationofprocedures,inJLINKsimulation,thefinalrealizationofPWMcontroloftheHbridgepoweramplification.
1、绪论...............................................5
1.1、研究的背景及意义.......................................5
1.2、研究现状及发展趋势.....................................5
2、STM32微处理器说明..................................6
2.1、STM32系列微控制器概述................................6
2.2、STM32微控制器系统构架................................12
2.3、CORTEX-M3内核简介.....................................13
2.4、STM32定时器简介......................................13
三、PWM功率放大原理...................................14
3.1、PWM功率放大原理......................................14
四、PWM输出信号产生...................................16
4.1、高级定时器...........................................16
4.2、PWM模式..............................................20
4.3、互补输出与死区插入....................................22
4.4、STM32的PWM信号输出相关寄存器说明....................24
4.5、PWM输出的实现........................................25
4.6、TIM1_CH1输出PWM信号配置步骤..........................25
五、硬件设计...........................................28
5.1、时钟电路.............................................28
5.2、复位电路.............................................29
5.3、驱动电路原理设计.....................................30
六、软件设计...........................................32
6.1、开发环境.............................................32
6.2、设计标准............................................33
6.3、KeilMDK介绍.......................................34
6.4、KeiluVision软件介绍...............................34
6.5、JLINK仿真器介绍....................................36
6.6、程序编写............................................38
6.7、程序流程图.........................................43
七、结论..............................................44
一、绪论
1.1、研究背景及意义
随着现代信息网络的发展，新型的脉冲宽度调制控制在现代信息中仍占据一定的地位，而脉冲宽度调制控制电机驱动依然拥有重要的制造价值，在经济发展及工业发展上具有重要的意义。
与传统功率放大器件相比，PWM控制输出的功放具有比较明显的优势。
首先脉冲宽度调制从处理器到被控系统的信号都是数字形式的；其次脉冲宽度调制对噪声抵抗能力有所增强。
而且从模拟信号转向PWM控制输出可以很大地延长通信距离。
脉冲宽度调制在能量变换系统中有广泛应用是因为它可以同时实现变频变压和抑制谐波的特点。
国产ARM技术的含有PWM模块的芯片在市场已经深入普及，ARM技术在当前盛行的各类电子设备已得到广泛使用，我国目前的PWM控制输出产业化规模较偏小，而且档次不高，国内企业的需求远远不能够达到。
但ARM技术在PWM控制输出的应用市场上面，仍然存在产品种类、品种等两个方面的缺陷，本次研究提出采用PWM输出实现H桥功率放大。
我国在90年代以前电子发展水平一直处于较低的水平，从而导致了PWM控制基本原理一直没有普及，PWM控制技术的研究重点在于控制PWM输出模式，现实生产中电力电子技术将会成为PWM控制技术发展的大趋势。
因此，为了优化PWM控制输出领域存在的各种问题，进一步推广、规模化应用，对PWM控制输出的深度研究，是刻不容缓的。
同时通过对STM32控制的H桥功率放大设计的研究，可以综合我四年所学对实际的实物设计有所了解检验了在学校的学习成果也为即将出身社会做实际的项目打下了一定的基础。
1.2、研究现状及发展趋势
在当今经济的快速发展，民众生活水平不断提高的趋势下，功率放大器件已经成为生活中不可或缺的元器件。
脉冲宽度调制控制功率放大器件在性能上主要要求是安全、高效率和在允许范围内不失真地输出所需信号功率。
其在20世纪80年代后期得到迅猛发展，成为新型的输出控制。
我国从事功放的各类企业约有150家，从业人员近万人，PWM控制输出产业自发展以来，已形成一定规模，具有一定的骨干企业。
当前国内从事PWM控制输出的研发地，主要集中于东南沿海、华北、成都以及各大高校，其销售市场遍及整个中国。
国内功放厂商中，年产值上千万的有3家在规模迅速发展的同时，产品技术也不断的更新，一直将数字功放保持了在该领域内比较先进的水平。
数字功放在专用大规模集成电路方面，得到国内各个大型企业的研究开发与生产制造。
数字功放的质量，随着电子电力控制技术的发展，他的稳定性在不断提高。
PWM方式控制输出技术在减少的电流占空周期内提供完整电流给功放电路使之达到比较理想的效果，完全可以胜任各区域、全天候、严苛的环境要求。
数字功放作为音响的主打产品之一，必然会有更进一步的发展，或成为音响的代表性主流产品，大功率功放将广泛应用于生活。
数字功放的开发研究随着社会对功放的不同要求而不断丰富，功放技术的不断成熟，性价比的不断提升，数字功放将会越来越普及。
鉴于功放市场的迅猛发展，且依托数字功放价格性能比的优势，数字功放将逐步取代传统的功放产品。
二、STM32微控制器说明
2.1、STM32概述
意法半导体公司stm32系列的stm32F107VCT6微处理器为这次毕业设计中采用的核心芯片，这种产品拥有较高性能且带有各种各样丰富的端口，出现在相应的高性能微芯片系列之中。
在它上面有满足各种各样工业标准的端口和STM32产品在引脚和软件不同类型完成了很好的实用性，可以很容易地适应更多的应用。
主要有定时器十个，12位的1-M样点/s的AD（模数转换器）两个（快速交替方式2样本/秒）还有12位DA（数字模拟转换）两个，I2C端口两个，5个USART端口及3个SPI接口还有很好的数字音频IIS总线端口，以及全速USBOTG接口，另外新增设的以太网MAC接口10/100和两个CAN2.0B端口出现在该公司的此类系列的标准外部用设备之中。
这种高性能的微处理器能很好的实现工业自动化、家电医疗及家庭使用型音响等各种市场的多种多样的要求。
芯片实物图
芯片脚位
基本数据：
■内核：
ARM32位的Cortex?
-M3CPU
?
最高72MHz工作频率，到1.25dmips/mhz（Dhrystone2.1）在0等待期的记忆。
?
单周期乘法和硬件除法
■存储器
?
从64K或256K字节的闪存程序存储器
?
64K字节的SRAM
■时钟、复位和电源管理
?
2.0～3.6伏供电和I/O引脚
-对监视电压变化的设备（PVD）的编辑使用及相应的具有复位能力的（POR/PDR进行的开启/关闭操作
?
3～25MHz晶体振荡器
?
内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器
?
内嵌带校准的40kHz的RC振荡器
?
带校准功能的32kHzRTC振荡器
■低功耗
?
睡眠、停机和待机模式
?
VBAT为RTC和后备寄存器供电
■调试模式
?
串行单线调试（SWD）和JTAG接口
?
Cortex-M3内置调试模块（ETM）
■DMA：
12通道DMA控制器
支持外设：
定时器、ADC、DAC、I2S、SPI、I2C、USART
■2个12位模数转换器，1μs转换时间（16个输入通道）
?
转换范围：
0~3.6V
?
采样和保持功能
?
温度传感器
?
在交叉模式下高达2MSPS
■2个12位数模转换器
■多达80个快速I/O端口
?
50/80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外
部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号
■高达10个定时器，支持引脚重映射功能
而多达16个四位定时器，能够进行捕获方面的输入及输出以及相应的对比和控制脉宽和相应的脉冲计数正交增量编程设备等输入功能是通过其中定时器内嵌四个通道来控制实现的。
?
1个16位马达控制PWM定时器，支持死区时间和紧急停止
?
2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）
?
系统时间定时器：
24位自减型计数器
?
2个16位定时器用于驱动DAC
■多达14个通信接口
?
多达2个I2C接口（支持SMBus/PMBus）
?
多达5个USART接口（支持ISO7816接口，
LIN，IrDA接口和调制解调控制）
-3对应的SPI端口速率可以达到（18M比特/秒），2是用于复用的I2S端口，利用高水平的机制以及相应的通讯用精密音频锁相环
?
2个CAN接口（2.0B），内置512字节的专用
SRAM
?
USB2.0全速设备/主机/OTG控制器，支持
PHYhnpID协议在相应芯片上的分布，以及其主要拥有的容量为.25k字节的sram
sram字节数目为4k，还有相应的sma，mac他们在太网上的分布：
IEEE1588有相应的硬件设备对其进行规范支撑，软件包对于MII和RMII接口的兼容是由相应软件完成的
■CRC计算单元，96位的芯片唯一代码
■ECOPACK?
封装
STM32系列芯片都是ARMCortex-0内核，该系列微控制器主要应用于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，而其内核架构可分多种产品：
其中STM32F1系列有:
STM32F101"基本型"系列
STM32F103"增强型"系列
STM32F105、STM32F107"互联型"系列
其中增强型系列STM32的时钟频率最高可以达到72MHz，在同一级别的产品中来说性能是最好的;而基本型时钟频率的STM32则为36MHz，它拥有16位产品的价位，但性能却远远高于16位，对于用户需要用到32位产品时基本型则是最佳选择。
两个系列的相同点在于均自带了32K到28K的闪存，不同点在于SRAM的最大容量和外设接口的搭配。
在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前，意法半导体已发布了STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列；新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。
内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。
新的产品系列有以下3中封装类型：
LQFP64、LQFP100和LFBGA100，虽然他们的封装不一样，但他们的引脚排列都保持一致性，而且他们都融合了STM32平台的设计理念，用户可以通过选择不同产品来实现多次设置功能、存储器、性能和引脚数量去不断优化用户设计，这样可以满足最小的硬件变化以及个性化的应用需求之间的统一。
目前市面依然在用的型号有:
基本型系列:
STM32F101R6；STM32F101C8；STM32F101R8；STM32F101V8；STM32F101RB；STM32F101VB
增强型系列:
STM32F103C8；STM32F103R8；STM32F103V8；STM32F103RB；STM32F103VB；STM32F103VE；STM32F103ZE
STM32系列产品命名规则
产品系列：
STM32=基于ARM的32位微控制器；
产品类型：
F=通用类型；
产品子系列：
101=基本型，102=USB基本型、USB2.0全速设备，103=增强型，105或107=互联型；
引脚数目：
T=36脚，C=48脚，R=64，脚V=100，脚Z=144脚；
闪存存储器容量：
16K字节的闪存存储器，32K字节的闪存存储器，64K字节的闪存存储器，128K字节的闪存存储器，256K字节的闪存存储器，384K字节的闪存存储器，512K字节的闪存存储器；
封装：
H=BGA，T=LQFP，U=VFQFPN，Y=WLCSP64；
温度范围：
6=工业级温度范围-40°C--85°C，7=工业级温度范围-40°C--105°C；
内部代码：
A或者空；
在此给出芯片的管脚定义与供电方案：
管脚定义：
供电方案：
2.2、STM32系列微控制器系统架构
STM32系统架构图
STM32主系统主要由四个驱动单元和四个被动单元构成。
四个驱动单元为：
DCode 系统总线;通用 DMA1;通用 DMA2;
四被动单元为：
AHB 到 APB 的桥：
连接所有的 APB 设备；内部 FlASH 闪存；内部 SRAM；FSMC;
2.3、CORTEX-M3内核简介
Cortex‐M3是一个32位处理器内核，是属于哈佛结构，它的主要参数为：
1.数据路径、寄存器、存储器接口均为32位；
2.指令总线和数据总线都是相互独立的单元，而且可以实现取指与数据访问的同时进行，这样就进一步提升了它的性能。
当然这个特性的实现主要依托于CM3内部的多条总线接口，每条总线接口都针对相应的应用场景而做过特殊的优化，并且相互之间可以并行工作。
同时，指令总线和数据总线它们是共享同一个存储器空间的。
CM3设置了1个可选的MPU，以适用于复杂应用所要求的更多的存储性能。
CM3拥有两种可支持模式：
小端模式和大端模式。
CM3内部还自带了多各调试组件，在硬件水平上辅助调试操作。
除了这些之外，为了提供更高级的调试模式，CM3还增加了其它可选组件，其中包括指令跟踪和多种类型的调试接口。
Cortex‐M3内核处理器拥有R0‐R15组的寄存器。
其中R13作为堆栈指针SP。
该内核处理器有两个堆栈指针，但在同一刻只有一个可以看到，也就是“banked”寄存器。
Cortex‐M3处理器支持两类处理器的操作模式，并提供两级特权操作。
两类操作模式分别为：
handler mode和thread mode。
划分普通应用程序和异常服务例程的代码包括中断服务例程的代码是设定这两种模式的目的。
为了实现存储器访问的保护，Cortex-M3设定了一套区分机制:
特权级和用户级是其特性特权的划分分级,这样就使得普通的用户程序代码不能意外地，甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。
一般来说，一个基本的安全模型，应该是支持和提供两种特权级。
2.4、STM32定时器简介
STM32的另一个功能强大的应用模块就是定时器模块，该定时器除了可实现一些基本的定时功能，还可以完成PWM输出和输入捕获功能。
但它的使用频率是比较高的。
STM32拥有11个定时器：
高级控制定时器两个，基本定时器两个、普通定时器四个以及两个看门狗定时器和一个系统嘀嗒定时器。
TIM通用定时器配置步骤：
1.配置TIM时钟
2.定时器基本配置
3.使能定时器中断
4.配置NVIC。
5.写中断函数
三、PWM功率放大原理
3.1PWM功率放大原理
PWM功率放大电路有单极性功率放大和双极性功率放大两种极性功率放大的分别。
在一个给定的PWM周期内，电机电枢电压正、负极性改变一次此为双极性；电机电枢在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。
也就是说在PWM功放管工作时，有一个PWM信号输入端和一个方向控制端，在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止此为单极性。
如果忽略晶体管的管压降，则可以认为PWM功率放大管的输出电平等于电源电压，即|
|=
。
电机电枢电压与电流波形图如下：
图2是一个典型的H桥型功放，它是一个标准的双极性PWM功率放大器。
图中光电耦合器件把PWM脉冲信号加到晶体管的输入端。
光电耦合器件的作用是把控制电源与驱动电源隔离，这样如果驱动器电源不稳定就不会影响到整个控制系统；同时，光电耦合器件的输出端还提供功放管的基极驱动电流。
该电路的工作过程：
当PWM1端为低电平输入而PWM2端为高电平输入时，Q2与Q3导通，Q1与Q4截止，电流从电机两侧的B点流向A点，此时电机正转；反之，反转。
二极管是续流二极管，在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。
在此对光电耦合器件4N35做出简单的说明，
由于提供PWM信号的STM32微控制器与H桥驱动电路的驱动电流不相同，为了能有效的输出信号与安全的实现整个功能做到电路保护，此光电耦合器件是非常有用的。
在双极性PWM电路中，由于PWM1和PWM2两路控制信号通常不是严格对称的，这就造成切换过程中有一个小的时间延迟
，如图4所示。
实际上是功率管的开关时间，考虑时间延迟的目的是为了防止H桥同侧的功放管在开关切换时短路。
图4
四、PWM输出信号产生
4.1、高级定时器
高级定时器TIM1是由一个16位的自动装载计数器组成，它是由一个可编程预分频器驱动的。
适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度，或者产生输出波形。
使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度的调节和波形周期从几个微秒至几个毫秒的调节。
高级控制定时器（TIM1）和通用（TIMx）定时器是完全独立的，它们不会共享任何资源，但它们可以同步操作。
我们也可以把高级控制定时器（TIM1）看成是一个分配到6个通道的三相PWM发生器，它还可以被当成一个完整的通用定时器。
四个独立的通道可以用于：
·输入捕获；
·输出比较；
·产生PWM；
·单脉冲输出；
·反相PWM输出；
当四个独立通道配置为16位标准定时器时，它与TIMx定时器具有相同的功能。
当配置16位PWM发生器时，它就具有全调制的能力。
TIM1定时器的内部包括：
·16位上/下自动装载计数器；
·16位可编程预分频器；
·4个独立通道：
·使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路；
·在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器；
·刹车输入信号可以将定时器输出信号置于复位状态或者一个已知状态；
·如下事件发生时产生中断/DMA：
?
更新：
计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化
?
触发事件；
?
输入捕获；
?
输出比较；
?
刹车信号输入。
时基单元
可编程高级控制定时器的主要是由一个16位计数器和与其相关的自动装载寄存器组成。
这个计数器可以向上计数、向下计数或者向上向下双向计数。
此计数器时钟由预分频器分频得到。
计数器、自动装载寄存器和预分频器寄存器可以由软件读写，即使计数器还在运行读写仍然有效。
时基单元包含：
·计数器寄存器（TIM1_CNT）；
·预分频器寄存器（TIM1_PSC）；
·自动装载寄存器（TIM1_ARR）；
·周期计数寄存器（TIM1_RCR）；
自动装载寄存器是预先装载的。
写或读自动重装载寄存器将访问预装载
升级会员 