管Ｄ为理想二极管）；当ｂ点电位上升至高电平Vin时，因为电容两端电压不能突变，此时ａ点电位上升为Vin?Vcc，所以，ａ点电压就是一个方波，最大值是Vin?Vcc，最小值是Vcc，可见输出端电压平均值将高于Vcc，其波形就跟随输入波形的变化而变化，但始终维持一个稳定的差值，实现自举。
2.4 单片机选型
由单片机实现检测控制，其中一个首要的工作就是选择合适的单片机。目前国内在使用单片机作控制系统的微处理器时多选择51系列或Motorola系列单片机，而本系统选用的PIC系列单片机在多个方面较其它系列单片机更有优越性。下面对PIC单片机作较详细介绍。
2.4.l PIC单片机与其他单片机的比较
当今世界上涌现出各种各样的单片机，目前应用较广的主要有美国Intel公司开发和生产的MCS一51，MCS一96系列、台湾ICSI公司的8051系列、美国Motorola公司的MC68系列和美国Microchip公司的PIC系列等，其中各个系列的单片机都有其各自的优点，与其它系列相比，美国Microchip公司近几年推出的系列PIC单片机，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带LED负载:具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护;外围配置简单、明晰、提高了整机的可靠性;并且具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力，以下分几个方面通过与其它类型单片机的比较来说明它的优越之处。 (l)哈佛总线结构
PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，PIC系列单片机不仅采用了哈佛体系结构(也就是两种存储器位于不同的逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为哈佛体系结构)，而且还采用了哈佛总线结构。在PIC系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，这样做的好处是，便于实现指令提取的“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指令操作;便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的(即分时复用)Motorola公司开发的MC68HC05/08系列单片机，其程序存储器和数据存储器统一编址(也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理
11
器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为普林斯顿体系结构)，早期在国内市场上最流行的单片机产品Intel开发生产的MCS一51系列单片机，其程序存储器和数据存储器虽然独立编址;但是它们与CPU之间传递信息必须共用同一条总线，仍然摆脱不了瓶颈效应的制约，于是影响到CPU运行速度的进一步提高。见图2.6。
(2)指令单字节化
因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序器ROM和数据存储器RAM的寻址空间(即地址编码空间)是互相独立的，而且存储器度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速实现全部指令的单字节化。在此所说的字节，特指PIC单片机的指令字节，是常说的8位字节。例如， PIC12C50X/PIC16CSX系列单片机的指令字节12位，PIC16C6X/PIC16C7X/PIC16CSX系列的指令字节为14位;PIC18FXXX系列的字节为16位。它们的数据存储器全为8位宽。而MCS一51系列单片机的ROM和宽度都是8位，指令长度从一个字节(8位)到3个字节长短不一。另外，PIC 微控制器的取指令和执行指令采用指令流水线结构，当一条指令被执行时允一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期内可以获得的最高效率。其指令线结构见图2.7。
12
(3)精简指令集(RISC)技术
PIC系列单片机的指令系统(就是该单片机所能识别的全部指令的集合，叫做指令系统或者指令集)只有35条指令。PIC系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流都带来极大的便利，真可谓“易学好用”。而MCS一51单片机的指令系统共有In条指令，MC68HCOS单片机的指令系统共有89条指令。
(4)寻址方式简单
寻址方式就是寻找操作数的方法。PIC系列单片机只有4种寻址方式(即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址)，容易掌握，而MCS一51单片机则有7种寻址方式，68HC05单片机有6种寻址方式。 (5)代码压缩率高
IKB的存储器空间，对于PIC系列单片机则能够存放的指令条数可达1024条。对于像MCS一51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而与几种典型的单片机相比，PIC系列单片机是一种最节省程序存储器空间的单片机。 (6)寻址空间设计简洁
PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址(或地址编码)空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到大家的欢迎。而MC68HC05和MC68HCn单片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和1/0端口所占用的地址空间作精心安排，这样给开发人员在设计上带来很大的麻烦。 (7)外接电路简洁
与MCS一51系列及其它单片机相比，PIC单片机内集成了上电复位电路、1/0引脚上拉电路、看门狗定时器，尤其是集成了ADC模块和CCP模块(输入捕捉/输出比较/脉宽调制)，可以最大程度的减少和免用外接器件，以便实现“纯单片”化，这样，不仅便于开发，而且还可以节省电路板空间和制造成本。 (8)存储器容量大
PIC18F458系列单片机具有多达1536字节的数据存储器(RAM)，多达256的EEPROM数据存储器，另外还有多达SKxl4字节的可多次重复写入的闪速FLASH程序存储器。而MCS一51单片机只有4K字节的EEPROM。128字节RAM以及64K的外部数据、程序存储器空间，无FLASH程序存储器。
13
(9)定时器数目多、功能全
PIC系列单片机具有3个定时器:带有8位预分频器的8位定时器/计数器TMR0;带有预分频器的16位定时器/计数器TMR1，并且在休眠期间外部晶振/时钟可以工作;以及带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器TMR3。而MCS一51只有两个16位的定时器/计数器。 (10)独特具有的功能
PIC系列单片机具有两个捕获(Capture)、比较(Compare)、脉宽调制(PWM)模式、多通道10位A/D转换器、带有SPI和IZC的同步串行端口SSP、带有9位地址检测的同步异步接收发送器USART(USART/SCI)、8位宽并行从属端口(PSP)、有节电锁定复位的节电检测电路等;而MCS一51系列单片机没有。 2.4.2 PIC18F458单片机的其它优点 (1)CPU的性能特点
它有16位指令，8位宽数据通道，高达2MB的程序存储器，4kB的数据存储器，高达10MIPS的执行速度。DC-40MHz时钟输入，4-10MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入；带优先级的中断和8?8单周期硬件乘法器。 (2)外围功能模块特性
捕捉/比较/脉宽调制（PWM）（CCP）模块；CCP引脚配置如下：捕捉输入:16位，最大分辨率为6.25ns；比较单元：16位，最大分辨率为100ns；脉宽调制（PWM）输出: 分辨率为1-10位；最高PWM频率：88位分辨率时为156kHz，10位分辨率时为39kHz。增强型CCP模块具有标准型CCP模块的所有特性，但它在先进的电机控制时还有如下特性：1，2，4路的PWM输出；可选择PWM的极性；可编程的PWM死区时间。 (3)运行速度高
PIC18F458由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作业方式，使得PIC18F458单片机运行速度大大提高，远远高于其它相同档次的单片机。 (4)功耗低
PIC18F458单片机的功率消耗极低，是目前世界上低的单片机之一。在8MHz时钟下工作时耗电不超过mA，在睡眠模式下耗电可以低到1mA以下。 (5)驱动能力强
I/0端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚吸人和输出电流的最大值可分别达到2mA和20mA，能够直接驱动发光二极管LED、光电祸合器或者微型继电器等。
14
(6)独特的C语言开发环境
对于PIC18F458单片机，Microchip公司提供了“C语言编译程序”，这样用C语言这样高级语言来进行程序设计，可大大的提高了工作效率。与一般的C语言版本如Turbo C相比，作为单片机的开发语言，PICC增加了针对PIC单片机硬件本身的操作，如端口、引脚的输入输出、寄存器的位操作等。 (7)产品系列齐全、拥有高性能的高端产品
另外，必须说明的是，PIC系列单片机品种齐全、根据其指令的位数可分为初级产品、中级产品和高级产品，在以后的开发过程中，可根据具体需要选择单片机的型号。其高级产品一16位指令字系列的PIC17CXXX和PIC18CXXX。16位指令字系列是8位单片机中运行速度最快的，它具备一个指令周期内完成8位二进制乘法的能力，可以在一些需要高速运算的应用场合取代DSP数字信号处理器。再加上PIC17CXXX还具有丰富的I/0控制功能，并可以外接扩展EPROM和RAM，使它成为目前8位单片机中性能最高的品种之一，可被广泛的应用于高中档的电子设备中。而PIC18CXXX系列是一款高性能、全静态设计、内带A/D转换器的CMOS16位单片机，可应用于各种复杂和高性能的电子及工业控制。
正因为如此本课题选用PIC18F458单片机，为以后产品升级及个人能力的进一步提高都将带来便利。
2.5本章小结
本章分析了直流电机的能量转换和特性曲线;依据系统技术要求进行了整体方案设计;分析了系统工作原理;依据系统技术要求和方案对直流电机、放大器、光电数字编码器、PIC单片机等进行了选型。
3 硬件电路设计
3.1 引言
本系统在设计硬件电路时主要从以下原则出发:
(l)硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。
(2)可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平
15