專利名稱：基于rs－232串行總線的多軸運動控制卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有線傳輸系統(tǒng)，尤其涉及一種基于RS-232串行總線的多軸運動控制卡。
背景技術(shù)：
隨著制造業(yè)的發(fā)展，中小批量生產(chǎn)的趨勢日益增強，對數(shù)控機床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，迅速高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護和培訓的成本，同時還要求新一代數(shù)控系統(tǒng)具有方便的網(wǎng)絡功能，以適應未來車間面向任務和定單的生產(chǎn)組織和管理模式。為此，近10年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應運而生，發(fā)展很快。但是現(xiàn)在“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)普遍存在一個問題，即開放體系結(jié)構(gòu)運動控制卡。例如，在使用步進電機的場合里，大多數(shù)都是采用臺灣某公司生產(chǎn)的運動控制卡，可是在實際的開發(fā)中發(fā)現(xiàn)很多用戶提出的要求板卡無法滿足，加減速的性能不是很好，而且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于RS-232串行總線的多軸運動控制卡，無需配設計算機插卡便可控制電機運轉(zhuǎn)的基于RS-232串行總線的多軸運動控制卡。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明包括控制單元(1)、開關(guān)量輸入單元(2)和信號輸出單元(3)；其中1)控制單元它包括RS-232通信接口、石英晶體多諧振蕩器、電源監(jiān)測電路；RS-232通信接口一端與單片機CPU通過串行總線相連，一端與上位PC機相連，石英晶體多諧振蕩器發(fā)生脈沖信號與可編程計數(shù)/定時器8254相連，電源監(jiān)控電路通過總線與單片機CPU相連；2)開關(guān)量輸入單元它包括開關(guān)量采集模塊、開關(guān)信號隔離整形模塊；開關(guān)量采集模塊通過限位開關(guān)和光電開關(guān)采集外部X、Y、Z回零、限位開關(guān)、對刀信號量，開關(guān)信號隔離整形模塊通過濾波電路和TPL光耦隔離電路實現(xiàn)開關(guān)量輸入信號和單片機CPU之間的電平轉(zhuǎn)換；3)信號輸出單元它包括脈沖信號輸出電路、電壓信號輸出電路、電流信號輸出電路、正反轉(zhuǎn)方向信號；脈沖信號輸出電路通過可編程計數(shù)/定時器8254與單片機CPU相連，經(jīng)三片可編程計數(shù)/定時器8254實現(xiàn)的脈沖頻率和脈沖數(shù)目與X、Y、Z軸驅(qū)動器相連；電壓信號輸出電路通過D/A轉(zhuǎn)換電路接電主軸驅(qū)動器，電流信號輸出電路通過V/I轉(zhuǎn)換電路接電主軸驅(qū)動器；正反轉(zhuǎn)方向信號通過鎖存器芯片產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)信號提供給各軸驅(qū)動器。
本發(fā)明的特點是運動控制卡采用89C52單片機、MAX232和可編程計數(shù)/定時器等電路相結(jié)合的具體方案，具有外圍器件少、硬件結(jié)構(gòu)簡單、柔性度高等特點。在本發(fā)明控制卡總線的設計上采用了串行總線方式，具有連接引腳數(shù)量少、連接簡單、成本較低和系統(tǒng)可靠性高的特點，同時不需要編寫驅(qū)動程序。在可編程計數(shù)/定時器電路設計上，選用了型號為8254的可編程計數(shù)/定時器電路作為脈沖控制電路，8254的計數(shù)頻率更高且多了一個讀回命令(寫入至控制字寄存器)。在EEPROM的芯片選擇上采用了X5045，具有低VCC檢測上電和掉電保護功能，保證了本運動控制卡的運行穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是控制卡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2是脈沖控制電路；圖3是通信接口電路；圖4是D/A轉(zhuǎn)換電路；圖5是V/I轉(zhuǎn)換電路原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括控制單元1、開關(guān)量輸入單元2和信號輸出單元3；其中1)控制單元1它包括RS-232通信接口1.1、石英晶體多諧振蕩器、電源監(jiān)測電路；RS-232通信接口1.1一端與單片機CPU通過串行總線相連，一端與上位PC機相連，石英晶體多諧振蕩器發(fā)生脈沖信號與可編程計數(shù)/定時器8254相連，電源監(jiān)控電路通過總線與單片機CPU相連；2)開關(guān)量輸入單元2它包括開關(guān)量采集模塊、開關(guān)信號隔離整形模塊；開關(guān)量采集模塊通過限位開關(guān)和光電開關(guān)采集外部X、Y、Z回零、限位開關(guān)、對刀信號量，開關(guān)信號隔離整形模塊通過濾波電路和TPL光耦隔離電路實現(xiàn)開關(guān)量輸入信號和單片機CPU之間的電平轉(zhuǎn)換；3)信號輸出單元3它包括脈沖信號輸出電路3.1、電壓信號輸出電路3.2、電流信號輸出電路3.3、正反轉(zhuǎn)方向信號；脈沖信號輸出電路3.1通過可編程計數(shù)/定時器8254與單片機CPU相連，經(jīng)三片可編程計數(shù)/定時器8254實現(xiàn)的脈沖頻率和脈沖數(shù)目與X、Y、Z軸驅(qū)動器相連；電壓信號輸出電路3.2通過D/A轉(zhuǎn)換電路接電主軸驅(qū)動器，電流信號輸出電路3.3通過V/I轉(zhuǎn)換電路接電主軸驅(qū)動器；正反轉(zhuǎn)方向信號通過鎖存器芯片產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)信號提供給各軸驅(qū)動器。
如圖1、3所示，控制單元1包括RS-232通信接口1.1為MAX232通信接口芯片，MAX232通信接口芯片引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT接TTL/CMOS電平輸入引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN接RS-232C電平輸出引腳，MAX232通信接口芯片外圍接4個電解電容C1、C2、C3、C4和去耦電容C44；電源監(jiān)測電路由X5045組成，它包括上電復位、低電壓監(jiān)測、看門狗定時器和串行EEPROM存儲器；石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號發(fā)生源。
開關(guān)量輸入單元2包括開關(guān)量采集模塊通過限位開關(guān)信號處理和光電開關(guān)信號處理采集外部回零、限位開關(guān)、對刀信號量，開關(guān)信號隔離整形模塊通過濾波電路和TPL光耦隔離電路完成光電開關(guān)、限位開關(guān)和控制器之間的電平轉(zhuǎn)換。
如圖1、2所示，信號輸出單元3包括脈沖信號輸出電路3.1的三個可編程計數(shù)/定時器8254的數(shù)據(jù)線D0～D7分別與單片機的數(shù)據(jù)線AD0～AD7相連，片選信號CS與單片機的地址線A10相連，讀選通信號RD和寫選通信號WR信號線與單片機的讀選通信號RD和寫選通信WR信號線相連，地址輸入線A0和A1選擇相應計數(shù)器，時鐘輸入端CLK0與石英晶體多諧振蕩器相連，門控輸入端GATE0和GATE2接+5V電源，輸出端OUT0的輸出作為時鐘輸入端CLK1的輸入，輸出端OUT1的輸出一方面作為時鐘輸入端CLK2的輸入，另一方面作為脈沖的輸出，輸出端OUT2的輸出作為門控輸入端GATE1的輸入；如圖1、4所示，電壓信號輸出電路3.2的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的數(shù)據(jù)輸入線DI1～DI6、msbDI7和lsbDI0與單片機的數(shù)據(jù)輸入線AD0～AD7相連，片選信號CS和數(shù)據(jù)傳送信號Xfer與單片機的地址線A14相連，輸出電流Iout1和Iout2與運算放大器U8相連產(chǎn)生0～5V的電壓輸出Vout；如圖1、5所示，電流信號輸出電路3.3的V/I轉(zhuǎn)換電路由輸入寬帶高速雙運算放大器LF353JFET和外圍電路組成，把0～5V的電壓輸出Vout轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流輸出Iout。輸入寬帶高速雙運算放大器LF353JFET由U21A、U21B組成，外圍電路由電阻R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43，可調(diào)電阻VR2、VR3、VR4，二極管D2、D3，三極管T1和穩(wěn)壓二極管Z10組成；正反轉(zhuǎn)信號由8位鎖存器74HC377和驅(qū)動管INA2003產(chǎn)生。
如圖1所示，開關(guān)量采集模塊通過限位開關(guān)信號處理和光電開關(guān)信號處理采集外部回零、限位開關(guān)、對刀等信號量，開關(guān)信號隔離整形模塊通過濾波電路和TPL光耦隔離電路實現(xiàn)光電開關(guān)、限位開關(guān)和控制器之間的電平轉(zhuǎn)換；脈沖信號輸出單元3.1由3片可編程計數(shù)/定時器8254與單片機CPU相連，3片8254產(chǎn)生的脈沖頻率和脈沖數(shù)目與X、Y、Z軸驅(qū)動器相連，控制3軸步進電機的運轉(zhuǎn)；電壓信號輸出單元3.2通過D/A轉(zhuǎn)換電路給電主軸驅(qū)動器，電路信號單元3.3通過V/I轉(zhuǎn)換電路給電主軸驅(qū)動器，控制主軸的運轉(zhuǎn)；方向信號輸出單元通過鎖存器芯片產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)信號提供給各軸驅(qū)動器，控制各軸電機的正反轉(zhuǎn)；RS-232通信接口1.1為運動控制卡提供RS-232標準總線通信接口，RS-232通信接口一端與單片機CPU通過串行總線相連，一端與上位PC機相連；石英晶體多諧振蕩器為脈沖信號輸出模塊提供脈沖源；電源監(jiān)測電路X5045組成，為系統(tǒng)電源電壓進行實時檢測，當發(fā)現(xiàn)電壓不穩(wěn)或掉電時，電源監(jiān)控模塊向CPU發(fā)出中斷，請求實施掉電保護操作。
如圖2所示，本發(fā)明脈沖信號輸出電路由3片8254可編程計數(shù)/定時器組成，產(chǎn)生X、Y、Z三個軸的驅(qū)動脈沖信號。鑒于Y、Z軸的電路與X軸相同，采用3.1表示X軸脈沖信號輸出電路原理圖。8254屬于可編程芯片，內(nèi)部有3個獨立的16位計數(shù)器，每個計數(shù)器有6種工作方式，可由程序設定。在該運動控制卡上，8254的計數(shù)器0和計數(shù)器1用來控制輸出脈沖的頻率，它們工作于方式3(方波速率發(fā)生器)；計數(shù)器2用來控制輸出脈沖的數(shù)目，它工作于方式0(記完最后1個數(shù)時中斷)，8254與單片機CPU相連。8254與外設的連接如下8254中3個計數(shù)器各有3個引腳1個時鐘脈沖輸入端(CLK)，一個門控輸入端(GATE)和一個輸出端(OUT)。如圖2所示，在計數(shù)器0的脈沖輸入端接石英晶體多諧振蕩器。計數(shù)器0的門控(GATE0)和計數(shù)器2的門控(GATE2)接+5V電源。計數(shù)器0的輸出(OUT0)作為計數(shù)器1的脈沖輸入(CLK1)，計數(shù)器1的輸出(OUT1)一方面作為計數(shù)器2的脈沖輸入(CLK2)，另一方面經(jīng)過光耦隔離電路輸入到步進電機驅(qū)動器，控制步進電機的運轉(zhuǎn)。計數(shù)器2的輸出一方面輸入至CPU的輸入端口查詢脈沖信號是否處理完，另一方面和CPU的控制信號經(jīng)與門送入計數(shù)器1的門控端(GATE1)。脈沖控制電路的工作原理為在對各計數(shù)器送計數(shù)值前，先把來自CPU的控制線信號CTL變低，由于輸出脈沖的頻率由振蕩電路的振蕩頻率經(jīng)過計數(shù)器0和計數(shù)器1兩次分頻得到，因此在設置計數(shù)器0和計數(shù)器1的分頻系數(shù)時應考慮兩個計數(shù)器數(shù)值的合理分配，送入計數(shù)器2的計數(shù)值為輸出脈沖的數(shù)目。當設置完各計數(shù)器的方式字和計數(shù)值后，再使來自CPU的控制線信號CTL變高，從OUT1引腳輸出所需頻率的脈沖。當查詢到OUT2的電平變?yōu)楦唠娖綍r，經(jīng)反向器U26A變?yōu)榈碗娖?，?jīng)與門U27A使GATE1引腳電平變低，禁止計數(shù)器1計數(shù)，從而實現(xiàn)了脈沖頻率和脈沖數(shù)目的控制。本發(fā)明的通信接口電路1.1采用MAX232作為系統(tǒng)的通信接口芯片。MAX232引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT接TTL/CMOS電平輸入引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN接RS-232C電平輸出引腳。在本發(fā)明中T1IN、T2IN引腳接單片機CPU的串行發(fā)送引腳TXD，R1OUT、R2OUT接單片機CPU的串行接收引腳RXD；與之對應的RS-232C電平的T1OUT、T2OUT接上位PC機的接收端，R1IN、R2IN接上位PC機的發(fā)送端。本發(fā)明的D/A轉(zhuǎn)換電路3.2由數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832實現(xiàn)。在本發(fā)明D/A轉(zhuǎn)換器采用了單緩沖輸入方式，輸出0～5V電壓提供給電主軸驅(qū)動單元。DAC0832的數(shù)據(jù)輸入線DI1～DI6、msbDI7和lsbDI0與單片機的數(shù)據(jù)輸入線AD0～AD7相連，片選信號CS和數(shù)據(jù)傳送信號Xfer與單片機CPU的地址線A14相連，輸出電流Iout1和Iout2與運算放大器U8相連產(chǎn)生0～5V的電壓輸出Vout；本發(fā)明的V/I轉(zhuǎn)換電路33主要采用了輸入寬帶高速雙運算放大器LF353JFET及外圍電路，實現(xiàn)了0～5V的電壓輸出Vout到0～20mA的電流輸出Iout轉(zhuǎn)換，其中輸入寬帶高速雙運算放大器LF353JFET由U21A、U21B組成，外圍電路由電阻R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43；可調(diào)電阻VR2、VR3、VR4；二極管D2、D3；三極管T1和穩(wěn)壓二極管Z10組成。
權(quán)利要求
1.一種基于RS-232串行總線的多軸運動控制卡，其特征在于包括控制單元(1)、開關(guān)量輸入單元(2)和信號輸出單元(3)；其中1)控制單元(1)它包括RS-232通信接口(1.1)、石英晶體多諧振蕩器、電源監(jiān)測電路；RS-232通信接口(1.1)一端與單片機CPU通過串行總線相連，一端與上位PC機相連，石英晶體多諧振蕩器發(fā)生脈沖信號與可編程計數(shù)/定時器8254相連，電源監(jiān)控電路通過總線與單片機CPU相連；2)開關(guān)量輸入單元(2)它包括開關(guān)量采集模塊、開關(guān)信號隔離整形模塊；開關(guān)量采集模塊通過限位開關(guān)和光電開關(guān)采集外部X、Y、Z回零、限位開關(guān)、對刀信號量，開關(guān)信號隔離整形模塊通過濾波電路和TPL光耦隔離電路實現(xiàn)開關(guān)量輸入信號和單片機CPU之間的電平轉(zhuǎn)換；3)信號輸出單元(3)它包括脈沖信號輸出電路(3.1)、電壓信號輸出電路(3.2)、電流信號輸出電路(3.3)、正反轉(zhuǎn)方向信號；脈沖信號輸出電路(3.1)通過可編程計數(shù)/定時器8254與單片機CPU相連，經(jīng)三片可編程計數(shù)/定時器8254實現(xiàn)的脈沖頻率和脈沖數(shù)目與X、Y、Z軸驅(qū)動器相連；電壓信號輸出電路(3.2)通過D/A轉(zhuǎn)換電路接電主軸驅(qū)動器，電流信號輸出電路(3.3)通過V/I轉(zhuǎn)換電路接電主軸驅(qū)動器；正反轉(zhuǎn)方向信號通過鎖存器芯片產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)信號提供給各軸驅(qū)動器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于RS-232串行總線的多軸運動控制卡，其特征在于1)控制單元(1)包括RS-232通信接口(1.1)為MAX232通信接口芯片，MAX232通信接口芯片引腳T1IN、T2IN、R10UT、R20UT接TTL/CMOS電平輸入引腳，引腳T10UT、T20UT、R1IN、R2IN接RS-232C電平輸出引腳，MAX232通信接口芯片外圍接4個電解電容C1、C2、C3、C4和去耦電容C44；電源監(jiān)測電路由X5045組成，它包括上電復位、低電壓監(jiān)測、看門狗定時器和串行EEPROM存儲器；石英晶體多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號發(fā)生源；2)開關(guān)量輸入單元(2)包括開關(guān)量采集模塊通過限位開關(guān)信號處理和光電開關(guān)信號處理采集外部回零、限位開關(guān)、對刀信號量，開關(guān)信號隔離整形模塊通過濾波電路和TPL光耦隔離電路完成光電開關(guān)、限位開關(guān)和控制器之間的電平轉(zhuǎn)換；3)信號輸出單元(3)包括脈沖信號輸出電路(3.1)的三個可編程計數(shù)/定時器8254的數(shù)據(jù)線D0～D7分別與單片機的數(shù)據(jù)線AD0～AD7相連，片選信號CS與單片機的地址線A10相連，讀選通信號RD和寫選通信號WR信號線與單片機的讀選通信號RD和寫選通信WR信號線相連，地址輸入線A0和A1用于選擇相應計數(shù)器，時鐘輸入端CLK0與石英晶體多諧振蕩器相連，門控輸入端GATE0和GATE2接+5V電源，輸出端OUT0的輸出作為時鐘輸入端CLK1的輸入，輸出端OUT1的輸出一方面作為時鐘輸入端CLK2的輸入，另一方面作為脈沖的輸出，輸出端OUT2的輸出作為門控輸入端GATE1的輸入；電壓信號輸出電路(3.2)的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的數(shù)據(jù)輸入線DI1～DI6、msbDI7和lsbDI0與單片機的數(shù)據(jù)輸入線AD0～AD7相連，片選信號CS和數(shù)據(jù)傳送信號Xfer與單片機的地址線A14相連，輸出電流Ioutl和Iout2與運算放大器U8相連產(chǎn)生0～5V的電壓輸出Vout；電流信號輸出電路(3.3)的V/I轉(zhuǎn)換電路由輸入寬帶高速雙運算放大器LF353JFET和外圍電路組成，把0～5V的電壓輸出Vout轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流輸出Iout.輸入寬帶高速雙運算放大器LF353JFET由U21A、U21B組成，外圍電路由電阻R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43，可調(diào)電阻VR2、VR3、VR4，二極管D2、D3，三極管T1和穩(wěn)壓二極管Z10組成；正反轉(zhuǎn)信號由8位鎖存器74HC377和驅(qū)動管INA2003產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于RS－232串行總線的多軸運動控制卡，是由控制單元、開關(guān)量輸入單元和信號輸出單元組成。其控制單元包含RS－232通信接口、石英晶體多諧振蕩器、電源監(jiān)測電路；開關(guān)量輸入單元包含開關(guān)量采集模塊和開關(guān)信號隔離整形模塊；信號輸出單元包含脈沖信號輸出單元、電壓信號輸出單元、電流信號輸出單元、方向信號輸出單元。運動控制卡具有外圍器件少、硬件結(jié)構(gòu)簡單、柔性度高等特點。在可編程計數(shù)/定時器電路設計上，選用了型號為8254的可編程計數(shù)/定時器電路作為脈沖控制電路，在EEPROM的芯片選擇上采用了X5045，具有低VCC檢測上電和掉電保護功能，保證了本運動控制卡的運行穩(wěn)定性。在總線設計上采用了串行方式，具有連接引腳數(shù)量少、成本低和無需驅(qū)動程序。
文檔編號G05B19/18GK1564095SQ20041001711
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者鄔義杰, 冷洪濱 申請人:浙江大學