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基于步进电机驱动器的车速表设计方案解析
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步进电机式仪表与模拟威廉希尔官方网站 电子式仪表相比，其分度均匀，指针的重复性能好、响应速度快、抖动小、产品品质的稳定性和可靠性有根本保证［1］ ，因此步进电机式汽车仪表在我国逐渐普及。这种汽车仪表通常采用微控制器驱动步进电机带动仪表指针转动。微控制器控制步进电机一般需要外加驱动威廉希尔官方网站 ，而采用专用的汽车仪表步进电机驱动集成威廉希尔官方网站 可以简化汽车仪表的软硬件设计，提高仪表的稳定性和可靠性。本文介绍并比较了国内常用的驱动器的性能特点，最后以飞思卡尔半导体生产的MC33991为实例设计了车速表。
1 常用仪表电机驱动芯片特点及性能比较
国内常用的仪表步进电机驱动芯片包括瑞典SWITEC公司的X12.017、伟盈集团生产的VID66- 06和美国飞思卡尔公司生产的MC33991等。
1.1 X12.017与VID66- 06的主要特点
SWITEC公司生产的X12.017在国内应用较广，可以同时驱动4路十字线圈步进电机。VID66- 06控制方式和X12.017完全相同，其各项性能参数也基本相同。它们的主要特点如下。
a.以微步驱动，每个脉冲对应电机输出轴转动（1/12）°。
b.每个电机只需要速度和方向2个控制端。
c.所有输入脚都有干扰过滤器；低电磁干扰辐射。
d.工作温度在- 40～105℃；工作电压4.5～5.5 V.
这种驱动器控制简单，输入信号CW/CCW控制步进电机的转动方向，输入信号F（ scx）的上升沿驱动电机转动一个微步。通过发送脉冲的频率可以控制电机的转动速度。
1.2 MC33991的主要特点
MC33991是单独封装，通过SPI （串行外设接口）进行通信，可同时控制2个步进电机的驱动威廉希尔官方网站 。该威廉希尔官方网站 也可以仿照气隙磁通的运动，把普通电机转化为步进电机来控制。它有以下主要特点［3］。
a.有4 096个静态指示位置，接收位置命令后驱动指针指示。
b.最大指针扫过范围340度；最大指针速度为400 deg/s；最大指针加速度为4 500 deg/s.
c.应用微步距控制技术（每步细分为12个微步）。
d.指针回零校准，能准确地回零。
e. 16位SPI （ Serial Peripheral Interface） ，通信占用较少的I /O口。
f.内部时钟校准功能；睡眠模式下的耗电量较小。
g.工作温度- 40～125℃；供电电压范围6.5～26 V。
MC33991可设定步进电机最大转速。其具有内部状态机，保证在正常操作时，驱动器接收到位置命令后，以恒定加速度到达最大速度，然后在合适的时间减速，并保证减速过程中不超过最大减速度，到达指定位置后速度等于零，避免指针抖动。此外， MC33991可以允许2个步进电机或其中之一工作。其内部诊断功能可诊断单个步进电机是否过热、电池电压过高或者过低、指针归零状态驱动器内部时钟的工作状态、确定仪表的指针是否在转动。由以上性能特点可以看出， MC33991比X12.017和VID66-06功能更丰富，如过电压和过热诊断功能、回零校验功能。且使用X12.017和VID66-06作为驱动时，为使仪表指针运行平滑，必须在微控制器程序中对步进电机速度进行细分，否则容易产生超调抖动。
2采用MC33991的汽车车速表设计
汽车在行驶过程中，汽车车速传感器产生频率与汽车车速成正比的脉冲信号，此脉冲信号经过滤波放大后送给微控制器，微控制器利用输入捕捉通道捕捉2次脉冲信号的间隔时间，并根据间隔时间计算汽车行驶速度。最后，微控制器把计算得到的速度转换成位置命令发送给MC33991， MC33991驱动步进电机指向对应的刻度。
本设计选用微控制器MC68HC908GR16作为主控芯片，采用SWITEC公司生产的仪表用步进电机X15.288作为执行器。MC68HC908GR16是飞思卡尔半导体公司生产的8位微控制器，片内具有16 KBFLASH存储器和1 KB RAM存储器。其内部锁相环（ PLL）可以把外部32.768 kHz晶振频率升频至8 MHz内部总线频率。微控制器内部集成了增强的串行通信模块（ ESCI）、8路10位A/D模块、SPI模块、8位键盘模块，拥有2个独立的16位定时器，每个定时器都由1个定时计数器和2个输入输出通道组成。其内部还集成了定时基模块，可以定时把微控制器从STOP模式中唤醒。
MC33991内部有6个寄存器，微控制器通过发送16位的SPI命令到这些寄存器来控制并读取MC33991的工作状态。16位SPI数据的15～13位是地址， MC33991接收到微控制器的命令后，把命令的15～13位与这些地址对比，并把数据放到对应的寄存器。这些寄存器的地址与功能如表1所列。微控制器通过这些寄存器来控制电机的最大速度、指针位置、指针回零，并读取电机的运行状态、线圈是否过热、电压是否过高或过低。
2.1硬件威廉希尔官方网站 设计
硬件威廉希尔官方网站 包括速度传感器信号调理威廉希尔官方网站 、微控制器与MC33991的接口威廉希尔官方网站 。
2.1.1速度脉冲检测威廉希尔官方网站
车速传感器把车速信号转化为脉冲信号，其频率与车速成正比。此脉冲信号经过调理威廉希尔官方网站 送给单片机的T1 CH0 （ Timer 1 channel 0） ，速度脉冲的调理威廉希尔官方网站 如图1所示。在没有脉冲信号输入时，三极管集电极和发射极关断，脉冲调理威廉希尔官方网站 输出高电平。有脉冲输入时，三极管导通，调理威廉希尔官方网站 输出跳变到低电平。
2.1.2 MC33991接口威廉希尔官方网站
微控制器MC68HC908GR16与MC33991利用串行外设接口SPI通信。微控制器、MC33991和仪表用步进电机的接口威廉希尔官方网站 如图2所示。
表1 MC33991内部寄存器
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