...E的DMA高速数据传输控制器的设计和实现.pdf
赵红军+李川+吴斌
摘 要： 受到步进电机低频共振特性的影响，导致以往设计的网络危险数据控制器的控制效率和控制精确度都较低。因此，设计网络危险数据细分控制器。网络数据传入控制器中的步进电机后会产生电流波动，A4988细分芯片对该电流进行细分控制。电源模块为A4988细分芯片的控制工作提供电压转换，维持细分芯片在标准电压下的正常工作。数据筛选模块包括收发电路和分类电路，收发电路对经A4988细分芯片控制后的网络数据进行接收，分类电路将其中的危险数据筛选出来，再经由收发电路传输给使用者。软件构建步进电机对网络数据的细分控制模型，实现控制器的高效、精准控制。实验结果表明，所设计的控制器具有较高的控制效率和控制精确度。
关键词： 网络； 危险数据； 电源模块； 细分控制器
中图分类号： TN711?34； TP321 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0117?03
Abstract： The control efficiency and control precision of the previously?designed network risk data controller is low die to the influence of low frequency resonance characteristics of the step motor. Therefore， the network risk data segmentation controller is designed. The network data transmitted into the stepping motor in the controller may cause a current fluctuation. The A4988 subdivision chip is used to perform a subdividing control of the current. The power supply module provides voltage conversion for A4988 subdivision chip for subdividing control to maintain the normal work of the subdividing chip under standard voltage. The data screening module includes classification circuit and transceiving circuit. The transceiving circuit receives the network data controlled by A4988 subdivision chip. The classification circuit screens out of the dangers data in the network data， and then transmits if to the user through the transceiving circuit. The subdivision control model of network data is built with software to implement the efficient and accurate control of the controller. Experimental results indicate that the designed controller has high control efficiency and control accuracy.
Keywords： network； dangerous data； power module； segmentation controller
0 引 言
近年来，步进电机的出现加快了自动化的发展脚步。将网络与自动化有机结合起来，为各领域技术的不断进步带来了新的曙光，步进电机也在网络数据控制中起到了非常重要的作用[1]。网络中存在较多的危险数据，为了提高网络安全，科研组织为步进电机融合了多种控制方法，但由于受到步进电机低频共振特性的影响，以往提出的控制方法均无法对网络危险数据进行精准控制，控制效率也偏低[2]。细分是一种能够有效改善步进电机低频共振特性的控制方法，因此，设计网络危险数据细分控制器。
1 网络危险数据细分控制器设计
1.1 细分芯片设計
细分芯片的工作方式有三种，分别是电流滞环法、开关频率法和恒频脉宽法[3]。选用某公司生产的A4988细分芯片，该芯片的体积较小，并拥有高达的细分模式，其控制接口的操作简单，可为步进电机的运行提供多种控制方式。A4988细分芯片的输出电流是可调节的，这在一定程度上增强了网络危险数据细分控制器的灵活性，使控制精确度得以有效提升。图1为A4988细分芯片内部电路图。
由图1可知，A4988细分芯片拥有电流衰减自动测试功能，对于不正常的网络数据电流，其可提供电路休眠、电流跟踪和电路交叉等操作，并拥有电源接地和逻辑短路等保护模式。
1.2 电源模块设计
电源模块负责为A4988细分芯片的控制工作提供电压转换，保证细分芯片能够在标准电压下正常工作[4?5]。A4988细分芯片在控制工作中所需的标准电压依次是6 V，5 V和3.3 V，其中6 V电压可由步进电机直接供给，5 V和3.3 V电压则需要电源模块对步进电机的6 V电压进行转化，再供给A4988细分芯片使用。图2是6 V?5 V转换电路图，图3是5 V?3.3 V转换电路图。
由图2、图3可知，电源模块的转换电路设计均较为简单，且尺寸较小。两电路均利用基于序列分组交换协议（SPX）的电源芯片进行设计，这种电源芯片可对电压功率进行快速转换，且不会使电路元件出现发热情况，可维持网络危险数据细分控制器稳定工作。
1.3 数据筛选模块设计
数据筛选模块包括收发电路和分类电路[6]。收发电路对A4988细分芯片处理过的网络数据进行接收，分类电路将其中的危险数据筛选出来，再经由收发电路传输给使用者。收发电路和分类电路如图4、图5所示。
由图4、图5可知，收发电路的实质是天线与晶振电路的有机结合，其根据A4988细分芯片控制工作前后所产生的不同阻抗，对网络数据进行准确收发。收发电路还设有湿度控制开关和显示器，用于调节电路工作模式，对网络数据进行滤波和显示。
2 网络危险数据细分控制器软件设计
2.1 电压平衡模型
步进电机的电压平衡模型可简化为一个等效电路模型，如图6所示。
图6中，假设反电动势为为电压流动角度），用a，b表示网络数据中的正常数据和危险数据，则正常数据和危险数据的反电动势可表示为：
2.2 电磁转矩模型
假设是步进电机中永磁体的电感，由于电感因子已设为常数，故也为常数，此时步进电机的电磁转矩可表示为：
2.3 网络危险数据运动模型
在电磁转矩模型正常应用的前提下，网络危险数据细分控制器中步进电机的网络危险数据运动模型表达式为：
3 实验验证
3.1 控制器控制效率验证
图7～图9是三个控制器在三种类型网络下的控制效率对比图。
由图7～图9知，在星型网络中，本文控制器的控制效率最高，范围在98.8%～99.5%之间，控制效率非常稳定。横流斩波控制器的控制效率最低，其控制效率在95.6%～98.7%之间，控制效率的稳定性最差。单相电源控制器的控制效率则较为中庸。
在环形网络中，横流斩波控制器和单相电源控制器的控制效率明显降低。本文控制器仅有小幅度降低，控制效率仍维持在98.2%～99.3%之间，明显高于其他两个控制器。在总线型网络中，三个控制器的控制效率区别较为明显，这可能是总线型网络安全性能较差导致的。其中，本文控制器的控制效率仍明显高于其他两个控制器的控制效率。综上本文控制器拥有较高的控制效率。
3.2 控制器控制精确度验证
三个控制器对星型网络、环形网络和总线型网络的控制精度用危险数据集合平均误报比例表示，该比例越低，控制器的控制精确度就越高，实验验证结果见表1。
4 结 论
本文的设计目标是提高控制器对网络危险数据的控制效率和控制精确度。细分是一种按照特殊方式对某项事物进行持续细化，进而获取光滑曲线的控制方法，可增强步进电机鲁棒性和定位精度，使步进电机获取较高的分辨率。
为此，本文设计网络危险数据细分控制器，其以步进电机为基础控制硬件，重点设计对象为细分芯片、数据筛选模块和电源模块。实验将本文控制器与单相电源控制器和横流斩波控制器进行了对比验证，实验结果说明，本文控制器在星型网络、环形网络和总线型网络中均具有较高的控制效率和控制精确度。
参考文献
[1] 陈健，凌有铸.矢量细分的双控制器永磁同步電机直接转矩控制系统研究[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2015，32（10）：68?72.
[2] 李欣，刘景林，刘洋.多通道集成化步进电机控制器设计[J].微电机，2014，47（3）：52?55.
[3] 黄序富，刘川，林亦雷，等.在线SDN控制器性能监控器设计与研究[J].电信科学，2015，31（5）：143?149.
[4] 王永伟，刘岩俊.嵌入式网络控制系统设计与实现[J].国外电子测量技术，2014，33（9）：50?53.
[5] 左青云，陈鸣，丁科，等.OpenFlow网络冗余控制报文消除机制研究[J].计算机研究与发展，2014，51（11）：2448?2457.
[6] 刘艺，张红旗，代向东，等.面向OpenFlow网络的访问控制规则自动实施方案[J].计算机应用，2015，35（11）：3270?3274.
