第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现.docx

第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现.docx

《第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现

第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现

4.1微处理器的选择

由于机械手控制系统中没有大量的信号需要处理，同时又要满足控制要求，决定采用美国SiliconLabs公司的C8051F型单片机，具体型号为C8051F020。

从嵌入式计算机系统的角度来看，单片机的技术发展经历了SCM（SingleChipMicrocomputer，单片微型计算机），MCU（MicrocontrollerUnit，微控制器）以及SoC（SystemonChip，片上系统）三个阶段。

该单片机C8051F020为高度集成的混合信号SoC系统级芯片，具有与8051单片机兼容的高速、流水线CIP-51微处理器核，与MCS-51指令集完全兼容。

64K字节可在线编程的FLASH存储器，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口等资源。

除了具有标准8051的数字外设部件外，片还集成了数据采集和控制系统中的常用的模拟部件及其他一些数字外设部件[15]。

C8051F020单片机部的结构如图4.1所示。

图4.1C8051F020单片机部结构框图

Fig.4.1C8051F020SCMinternalstructurediagram

C8051F020的封装为100脚TQ型式。

其中电源10根，分为数字电源和模拟电源。

JIAG接口引脚为6根。

C8051F020单片机是混合信号型的单片机所以引脚分为数字子系统引脚（64根）和模拟子系统（18根）。

I/O端口有复用方式和非复用方式两种方式。

C8051F020单片机引脚如图4.2所示。

图4.2C8051F020引脚结构图

Fig.4.2TheC8051F020pinstructurepicture

在C8051F系列单片机中采用交叉开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。

在这种通过交叉开关配置的I/O端口的系统中，单片机外部为通用I/O口，有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

对C8051F020引脚功能的熟悉是设计外围硬件电路和绘制电路原理图的基础。

只有深刻的理解这100个引脚每个引脚的功能，复用方式，才能合理分配使用每个引脚，在与外围硬件电路的设计中达到C8051F020效能的最大化。

4.2模块化控制系统硬件总体设计方法

4.2.1单片机外围硬件电路设计基本原则

C8051F020SoC型单片机具有集成度高，功能强大的特点。

过去设计单片机系统往往采取的是搭积木式扩展的方式。

根据需要将外设（如A/D，D/A，RAM等）进行片外扩展，体积规模较大，与之相配合的供电，时钟信号，抗干扰一系列问题也要考虑，系统的复杂程度越大故障点就越多。

而片上系统具有高度集成性，我们要做的只是根据自己的设计要求进行设置。

因此，应用SoC系统可靠性会提高不少[16]。

尽管如此，SoC设计与应用仍然有一些共性的问题和设计原则需要处理，处理妥当才可以把它的特点和性能较好的发挥出来。

（1）尽可能选择典型电路，并符合51单片机常规设计规。

典型电路为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础，典型电路易查找资料，改正问题[17]。

（2）系统设计应充分满足控制系统的功能要求，并一定要有预留模块，以便扩展系统功能。

（3）硬件设计出的实物最后是PCB板，所以系统设计时要规划好PCB的设计。

SoC工作频率较高，对电源的要求也较高，因此所设计的电路板至少是2层。

除从PCB考虑外，还要从供电电源考虑，无论单片机片是否有稳压器，最好都要接稳压器再连接单片机，并在电源入口处加容量为4.7uF与0.1uF的电容。

（4）要充分利用C8051F020的可编程I/O口的分配功能，若在设计PCB时发现问题可再调整电路原理图，做到I/O口最佳的分配方案。

（5）C8051F020的电压较低，连接其他系统或本系统的高压外设时要经过光耦隔离。

这种做法可以有效的切断干扰，保证电路不被烧坏。

4.2.2模块化硬件系统总体架构与设计

硬件设计上以功能特征作为划分模块的依据，分为基本功能模块、预留功能模块和辅助功能模块。

选择触摸屏作为软硬件交互的平台。

硬件上C8051F020单片机作为主控芯片，基本功能模块部分分为串口电路模块、JTAG接口模块、步进电机驱动两关节模块，输出端子口J1模块。

预留功能模块部分设计了12位电路转换模块、输入端子口模块、输出端子口模块、驱动三关节模块等。

其中12位模数转换电路模块的设计是考虑到采集到的视频信号的输入与转换。

输入端子口模块电路的预留是方便用开关按键对机械手的控制。

输出端子口的设计是考虑到若手动按键时LCD可以显示机械手运动过程中的相关参数等。

步进电机驱动三关节这是模块化机械本体已设定的要求。

辅助功能模块部分有电源电路模块和晶振复位电路模块。

具体见图4.3。

图4.3硬件模块化总体设计框图

Fig.4.3Thehardwaremodularoveralldesigndiagram

4.3基于触摸屏的人机交互平台功能架构

本控制系统中触摸屏作为整个控制系统人机交互的核心，同时也是软硬件交互的核心。

通过触摸屏发送命令给单片机调用单片机部的功能模块，完成相应动作，达到控制要求。

所以触摸屏是整个控制系统的关键。

触摸屏购买并使用迪文科技的以工业应用为主的T系列8寸800*600（分辨率）触摸屏，具体型号为DMG80600T080_01W。

触摸屏两根串口线与单片机相连，一根电源线。

触摸屏功能架构的确定是根据模块化机械手本体来设定，通过设计触摸屏的界面和命令按钮来达到。

界面设计包括参数的设定，关节模式的选择，工作方式选择等界面。

其中关节模式有两关节模式和三关节模式，参数的设定是大小臂长度的设定，装配点，抓取点位置的设定，工作方式有手动和自动等。

在设计触摸屏的同时是与硬件模块化相互参照，协同设计，从而达到触摸屏的界面和命令按钮与硬件模块相互吻合，实现预想的控制功能。

4.4基本功能模块设计

4.4.1串口模块设计

C8051F020单片机中有2个增强型串行口：

UART0和UART1。

所谓“增强型”是指，这2个串行口都具有帧错误检测和通信地址硬件识别功能。

串口通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。

本控制系统中迪文触摸屏采用的是串口通信，所以单片机串口UART0作为与触摸屏通信的接口，UART1作为预留模块的串口接口为以后可能的数据传输预留。

UART0串口通信采用MAX232电平转换芯片。

它是专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，集成度高，在设计电路时片外最低只需4个1uF的电容即可工作[18]。

设计原理图如图4.4所示。

图4.4串口电路图

Fig.4.4Theserialinterfacecircuitdiagram

4.4.2JTAG接口模块设计

JTAG（JointTestActionGroup,联合测试行动小组），是一种国际标准测试协议，它与IEEE1149.1兼容，主要用于芯片部测试，可以以单片或其它方式调试程序。

现在越来越多的器件支持JTAG协议，如DSP，FPGA等。

支持JTAG协议的80C51兼容类单片机并不多，当前市场上主要就是C8051F系列。

JTAG编程方式是在线编程，简化流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而可以大大加快工程进度。

标准的JTAG接口是4根信号线：

TMS，TCK，TDI，TDO，分别为模式选择，时钟，数据输入和数据输出线。

可选引脚TRST用于测试复位，为输入引脚，低电平有效。

C8051F020本身就带有JTAG接口，其端口引脚1到引脚4与JTAG连接端子相连。

JTAG适配器通过USB接口与上位机相连，同时通过10芯JTAG连接端子与目标电路板相连。

JTAG连接完成后，可以通过上位机来控制程序的运行，停止，单步和过程单步执行，可以设置硬件断点，可以查看和修改存储器和寄存器。

在调试完成后，能够将代码下载到Flash程序存储器中，从而完成一个完整的开发过程[19]。

如图4.5所示。

图4.5JTAG与单片机的连线图

Fig.4.5ThewiringdiagramofJTAGtothesinglechipmicrocomputer

4.4.3步进电机驱动模块设计

装配机械手为平面关节型，大、小臂均为回转运动，重量较轻，转动惯量不大，一般电机都能带动。

步进电机系统多用于开环控制，结构简单，位置和速度易于控制，其相应速度快，输出力矩较大，能快速启动，反制和制动。

特别是步进电机没有积累误差，一般精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积，驱动机械手运动时有较高的位置精度，对于本系统的控制较为理想，其它交流伺服电机等性价比不高。

经过分析比较目前省步进电机生产厂家的产品，现选择市泽明自动化设备两相混合式步进电机39BYG系列：

表2.1两相混合式步进电机39BYG系列技术参数

Tab.2.1Theseriestechnicalparametersof39BYGtwophasehybridsteppingmotor

型号

歩距角

机身长

电流

电阻

静力距

定位距

转动惯量

引线

重量

39BYGB6410

1.8°

26mm

0.6A

9欧姆

1.4Kg.cm

0.8N.cm

14g.cm^2

4根

120g

图4.6两相混合式步进电机39BYG系列尺寸

Fig.4.6Theseriessizeoftwophasehybridsteppingmotorof39BYG

步进电机驱动电路设计中购买了96560AV3型CNC步进电机驱动器。

如图4.7所示。

图4.7步进电机驱动器

Fig.4.7Thesteppingmotordrive

它采用TB6560AHQ型驱动芯片。

此芯片是东芝公司最新设计生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，与早期推出TB6560HQ芯片相比，其性能有较大的提高，输出电流最高可达3.5A。

而采用该芯片的驱动板在电路上，结构上都使用了可靠性设计，在普通散热方式的情况下可稳定地工作在3A电流。

可以驱动3A以下的二，四相步进电机。

（1）在结构上TB6560AHQ芯片采用卧式安装，增强了散热效果和结构强度，所有接线，操作部位移至一侧，方便操作。

（2）接口情况见图4.8。

图中的四幅图分别代表了整体接口情况，电源输入及步进电机接口，控制信号输入接口（最后的一幅图中，其中白色的插头与绿色接线端口功能相同）。

图4.8步进电机接口图

Fig.4.8Thesteppingmotorinterfacediagram

驱动器电源接入12~34直流电源，注意正负极。

电源可用交流变压器加整流滤波得到，整流前的交流电压不能高于25V，滤波电容用3300uF比较合适。

适用的电机为两相，四相混合式（4线，6线或8线步进电机）[20]。

（3）C8051F020单片机的P0.2口到P0.4口通过74HC245驱动芯片接到步进电机的控制信号输入端，欲作为步进电机脉冲信号的输入端。

74HC245芯片为总线驱动器芯片。

它是典型的CMOS型三态缓冲门电路。

由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器，作用就是信号功率放大[21]。

同理4个步进电机的片选，方向由单片机的P7.0口到P7.7口通过74HC245芯片来控制。

具体如图4.9所示。

（4）设计的步进电机共4个，其中3个是用来满足两关节模块时大小臂和立柱的驱动，预留的1个步进电机是考虑三关节模块的驱动。

这样的硬件设计符合模块化的设计思想。