【文章內(nèi)容簡介】 運(yùn)算處理，并通過高性能的驅(qū)動(dòng)單元對機(jī)械執(zhí)行構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化控制的高新技術(shù)?，F(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)逐步向柔性化、集成化、智能化方向發(fā)展，因此新一代數(shù)控技術(shù)就必需強(qiáng)調(diào)具有開放式、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特征 [1]。本文采用新型微處理器、高性能集成電路，研究開發(fā)智能步進(jìn)電機(jī)控制 卡。 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過對步進(jìn)電機(jī)控制器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、研究和比較，并綜合國內(nèi)外運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品智能化、集成化、開放化的發(fā)展趨勢，我們提出的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 18 圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 脈沖分頻電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的主要控制 對象為步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的脈沖分頻電路由圖 2所示。整個(gè)電路采用 3片 8254來產(chǎn)生 X， Y， Z三個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，鑒于Y， Z軸的電路與 X軸相同，因此圖中只表示了 X軸脈沖數(shù)輸出的電路原理。 Inte18254 是可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，片內(nèi)包含 3個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)通道均為功能相同的16位計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)數(shù)長度分別由軟件編程選擇。 8254是 8253的改進(jìn)型，操作方式及引腳與 8253完全相同。 8253計(jì)數(shù)頻率為 ， 8254的計(jì)數(shù)頻率則更高，可達(dá)到 6MHz。本系統(tǒng)選擇 8254作為脈沖分頻電路的主控芯片。 圖 2 脈沖分頻電路圖 RS232通信接口電路設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)的通信中， RS232和 RS485標(biāo)準(zhǔn)總線應(yīng)用最為成熟。為了使運(yùn)動(dòng)控制器的適用范圍更加 廣泛，配合 PC的現(xiàn)有接口，我們選用 RS 232標(biāo)準(zhǔn)總線來實(shí)現(xiàn)控制器和 PC 19 的通信，其接口電路如圖 3所示。在圖 3中，選用 MAX232作為系統(tǒng)的通信接口芯片。 MAX232是 MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙 RS232發(fā)送 /接收發(fā)器，適用于各種 EIA232E和。 MAX232 芯片可以把輸入的 +5V電源變換成 RS232輸出電平所需的177。10V 電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的 +5V電源就可以。 圖 3 通信接口電路 MAX232外圍需要 4個(gè)電解電容 C1， C2， C3， C4是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為。 C44為 的去耦電容。 MAX232的引腳 T1IN， T2IN， R1OUT， R2OUT為接TTL/CMOS 電平的引腳。 引腳 T1OUT， T2OUT， R1IN， R2IN為接 RS232C電平的引腳。因此 TTL/CMOS電平的 T1IN，T2IN引腳應(yīng)接 MCS51 的串行發(fā)送引腳 TXD。R1OUT， R2OUT 應(yīng)接 MCS51的串行接收引腳 RxD。與之對應(yīng)的 RS232C電平的 T1OUT， T2OUT應(yīng)接 PC機(jī)的接收端 RD。R1IN， R2IN應(yīng)接 PC機(jī)的發(fā)送端。 D/A轉(zhuǎn)換與 V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 本運(yùn)動(dòng)控制器需要對電主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對電主軸的控制通過其驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。電主軸驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入的電壓或電流的大小來確定主軸的轉(zhuǎn)速，因此系統(tǒng)需要輸出 0～ 5V的電壓或 0～ 20mA的電流，必須將系統(tǒng)處理過的數(shù)字量經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換變 成模擬量輸出。本控制器的D/A轉(zhuǎn)換主要由 DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)。 DAC0832是 8位微處理器兼容型數(shù) /模轉(zhuǎn)換器芯片，是DAC0830系列的一種。 DAC0832 與微機(jī)接口方便，可以充分利用微處理器的控制能力實(shí)現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換的控制，因此在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 不同的電主軸驅(qū)動(dòng)器對輸入的信號(hào)有不同的要求，有的需要 0～ 5V的電壓信號(hào)，有的需要 0～ 20mV的電流信號(hào)，因此我們同樣設(shè)計(jì)了 V/I轉(zhuǎn)換電路，使系統(tǒng)具備了電流信號(hào)的輸出，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。 開關(guān)信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì) 在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中 ，常采用機(jī)械式開關(guān)和光電開關(guān)構(gòu)成開關(guān)信號(hào)輸入回路，通過開關(guān)的閉合或斷開，以電平的形式反映步進(jìn)電機(jī)的工況。這包括 X， Y， Z軸限位 。加工過程中對刀， X， Y， Z軸電機(jī)的回零操作等等 [23]。 由于開關(guān)的機(jī)械式設(shè)計(jì)，觸點(diǎn)閉合或斷開時(shí)伴有機(jī)械抖動(dòng)，會(huì)使輸出信號(hào)波形出現(xiàn)振蕩。若將該信號(hào)輸入到微控制器的計(jì)數(shù)器中，會(huì)造成錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)而導(dǎo)致系統(tǒng)控制混亂。開關(guān)量的輸入干擾是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中客觀存在的問題。因此在獲得開關(guān)信號(hào)后，我們必須對開關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，使其成為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后才能做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)共提供了 12路的開 關(guān)信號(hào)接口，限位開關(guān)信號(hào)處理如圖 4所示。 20 圖 4 限位開關(guān)信號(hào)處理電路原理圖 在開關(guān)信號(hào)輸入 CPU之前，首先用電容對其進(jìn)行濾波，抑制信號(hào)中的高頻分量。 TPL光耦隔離實(shí)現(xiàn)了光電開關(guān)、限位開關(guān)信號(hào)和控制器之間的電平轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同回路間的隔離，保證了控制器電路不受來自開關(guān)信號(hào) 電路的干擾。 硬件抗干擾技術(shù) 為了克服可能發(fā)生的各種干擾，保證系統(tǒng)能夠可靠的運(yùn)行，現(xiàn)有的抗干擾技術(shù)在硬件方面采取如下措施 [4]： ① 抑制電源干擾。傳導(dǎo)干擾通常由交流電源端引入系統(tǒng)內(nèi)部。為了抑制這種干擾，系統(tǒng)通常在交流進(jìn)線端串接入低通 LC濾波器。這種方法在實(shí)際中己經(jīng)取得明顯效果，但為了抑制電源浪涌電壓的沖擊，系統(tǒng)還必須在電源線之間及電源線對地之間分別裝壓敏電阻。 ② 抑制傳輸線干擾。對于系統(tǒng)中傳輸距離較長的線路通常選用屏蔽電纜來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的連接，以達(dá)到抗干擾的目的。在一些應(yīng)用環(huán)境比較 惡劣的系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步抑制干擾，可采用光電隔離方式將系統(tǒng)控制部分與 I/O口部分分開，并采用雙電源供電。 ③ 盡量減小干擾造成的影響。通常的做法有： 1）增加硬件看門狗電路。 2）增加電壓監(jiān)測電路。 3）選擇抗干擾能力較強(qiáng)的單片機(jī)系列。 4）盡可能使用單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而不使用外部總線連接這些器件。 5）協(xié)調(diào)好電路中不同類型 IC的電平匹配。6）數(shù)據(jù)總線和控制總線間形成板與板連接時(shí)，應(yīng)加總線驅(qū)動(dòng)器。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主程序由消息循環(huán)和初始化程序構(gòu)成，其流程如圖 5所示。在系統(tǒng)的主程序中，初始化程序的功能是在系統(tǒng)復(fù)位后完成單片機(jī)各個(gè)特殊功能寄存器的設(shè)置、各數(shù)據(jù)區(qū)的初始化、外部硬件設(shè)備的設(shè)置等操作 。系統(tǒng)的消息循環(huán)則用來實(shí)現(xiàn)消息合法性的判斷及消息處理功能模塊的調(diào)用。 21 圖 5 系統(tǒng)主程序流程圖 為了能夠?qū)ο⒌暮戏ㄐ赃M(jìn)行判斷，我們?yōu)橄⒔M中的每個(gè)消息定義了對應(yīng)的合法性判斷 標(biāo)識(shí)位。如果某消息所對應(yīng)的合法性判斷標(biāo)識(shí)位為 “1” ，則表示該消息是合法的消息，系統(tǒng)應(yīng)該調(diào)用相應(yīng)的消息處理功能模塊對消息進(jìn)行處理 。為 “0” 則表示該消息是非法的消息，系統(tǒng)應(yīng)該忽略該消息。為了實(shí)現(xiàn) “ 看門狗 ” 功能，我們還在消息循環(huán)中加入了喂狗輸出操作。值得注意的是，在系統(tǒng)的串行通信處理模塊中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是自動(dòng)加工，或是手動(dòng)加工，還是參數(shù)設(shè)置，分別對消息序列中的標(biāo)志位進(jìn)行置位，以保證主程序能夠正確實(shí)現(xiàn)各處理模塊的調(diào)用 6. 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文 單片機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，其核心技術(shù)是單 片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。介紹了對單片機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試等各環(huán)節(jié)并進(jìn)行了討論，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)給出了調(diào)試方法。 關(guān)鍵詞 ：單片機(jī)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)調(diào)試 隨著材料科學(xué)、工藝技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電路系統(tǒng)向著集成度極高的方向發(fā)展。CPU 的生產(chǎn)制造技術(shù)，也朝著綜合性、技術(shù)性、實(shí)用性發(fā)展。如 CPU的運(yùn)算位數(shù)從 4 位、8 位 …… 到 32 位機(jī)的發(fā)展，運(yùn)算速度從 8 MHz、 32 MHz…… 到 GHz?？梢哉f是日新月異的發(fā)展著。其中單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是越來越普遍了。單片機(jī)控制系統(tǒng) 是以單片機(jī)（ CPU）為核心部件，擴(kuò)展一些外部接口和設(shè)備，組成單片機(jī)工業(yè)控制機(jī)，主要用于工業(yè)過程控制。要進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先必須具有一定的硬件基礎(chǔ)知識(shí)；其次，需要具有一定的軟件設(shè)計(jì)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求，靈活地設(shè)計(jì)出所需要的程序； 22 第三，具有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。最后，還必須掌握生產(chǎn)過程的工藝性能及被測參數(shù)的測量方法，以及被控對象的動(dòng)、靜態(tài)特性，有時(shí)甚至要求給出被控對象的數(shù)學(xué)模型。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數(shù)的測量范圍等；選 擇各參數(shù)檢測元件及變送器；建立數(shù)學(xué)模型及確定控制算法；選擇單片機(jī)，并決定是自行設(shè)計(jì)還是購買成套設(shè)備；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)〔 1〕，包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括管理、監(jiān)控程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分〔 2〕；系統(tǒng)的調(diào)試與試驗(yàn)。 1 單片機(jī)控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 確定單片機(jī)控制系統(tǒng)總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步。總體方案的好壞，直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能及實(shí)施細(xì)則?？傮w方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對象的任務(wù)及工藝要求而確定的。設(shè)計(jì)方法大致如下：根 據(jù)系統(tǒng)的要求，首先確定出系統(tǒng)是采用開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或者是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。選擇檢測元件，在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好被測參數(shù)的測量元件，它是影響控制系統(tǒng)精度的重要因素之一。選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是微型機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件之一。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據(jù)被控對象的實(shí)際情況確定。選擇輸入 /輸出通道及外圍設(shè)備。選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：被控對象參數(shù)的數(shù)量；各輸入 /輸出通道是串行操作還是并行操作；各通道數(shù)據(jù)的傳遞速率；各通道數(shù)據(jù)的字長及選擇位數(shù)；對顯示、打印有何要求；畫出整個(gè)系統(tǒng) 原理圖。 單片機(jī)控制系統(tǒng)中控制算法的選用一般有： (1) 直接數(shù)字控制 當(dāng)被控對象的數(shù)學(xué)模型能夠確定時(shí)，可采用直接數(shù)字控制。所謂數(shù)學(xué)模型就是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它表示系統(tǒng)輸入輸出及其內(nèi)部狀態(tài)之間的關(guān)系。一般多用實(shí)驗(yàn)的方法測出系統(tǒng)的特性曲線，然后再由此曲線確定出其數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)在經(jīng)常采用的方法是計(jì)算機(jī)仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，由計(jì)算機(jī)確定出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，因而加快了系統(tǒng)模型的建立。當(dāng)系統(tǒng)模型建立后，即可選定上述某一種算法，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，并求出差分方程。計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)就是按此差分方程計(jì)算并輸出控制量， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制。 (2) 數(shù)字化 PID 控制 由于被控對象是復(fù)雜的，因此并非所有的系統(tǒng)均可求出數(shù)學(xué)模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環(huán)境的影響，許多參數(shù)經(jīng)常變化，因此很難進(jìn)行直接數(shù)字控制。此時(shí)最好選用數(shù)字化 PID（比例積分微分）控制。在 PID 控制算法中，以位置型和增量型 2 種 PID 為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)的要求，可對 PID 控制進(jìn)行必要的改進(jìn)。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統(tǒng)，以滿足各種不同控制系統(tǒng)的要求。例如串級(jí) PID 就是人們經(jīng)常采用的控制方法之一。 所謂串級(jí)控制就是第一級(jí)數(shù)字 PID 的輸出不直接用來控 制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是作為下一級(jí)數(shù)字PID 的輸入值，并與第二級(jí)的給定值進(jìn)行比較，其偏差作為第二級(jí)數(shù)字 PID 的控制量。當(dāng)然，也可以用多級(jí) PID 嵌套。 2 單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 盡管單片機(jī)集成度高，內(nèi)部含有 I/O 控制線， ROM， RAM 和定時(shí) /計(jì)數(shù)器。但在組成單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，擴(kuò)展若干接口仍是設(shè)計(jì)者必不可少的任務(wù)。擴(kuò)展接口有 2 種方案，一種是購置現(xiàn)成的接口板，另一種是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，選用適合的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。就后一種而言，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。 23 基本系統(tǒng)的構(gòu)成：一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)核心系統(tǒng)，一般由時(shí)鐘電路、地 址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、模擬量輸入通道的擴(kuò)展、模擬量輸出通道的擴(kuò)展、開關(guān)量的 I/O 接口設(shè)計(jì)、鍵盤輸入和顯示電路等組成。 (1)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 由于單片機(jī)有 4 種不同的存儲(chǔ)器，且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分別編址的，所以單片機(jī)的存儲(chǔ)器容量與同樣位數(shù)的微型機(jī)相比擴(kuò)大了一倍多。擴(kuò)展時(shí)，首先要注意單片機(jī)的種類；另一方面要把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開。 (2)模擬量輸入通道的擴(kuò)展 主要有以下 2 個(gè)問題：一個(gè)是數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式，一般單片機(jī)控制系統(tǒng)都是多通道系統(tǒng)。因此選用何種結(jié)構(gòu)形式采集數(shù)據(jù)，是進(jìn)行模擬 量輸入通道設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。多數(shù)系統(tǒng)都采用共享 A/D 和 S/H 形式。但是當(dāng)被測參數(shù)為幾個(gè)相關(guān)量時(shí)，則需選用多路 S/H，共享 A/D 形式。對于那些參數(shù)比較多的分布式控制系統(tǒng)，可把模擬量先就地進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后再送到主機(jī)中處理。對于那些被測參數(shù)相同（或相似）的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為減少投資，可采用模擬量多路轉(zhuǎn)換，共享儀用放大器、 S/H 和 A/D 的所謂地電平多路切換形式。另外一個(gè)問題是 A/D 轉(zhuǎn)發(fā)器的選擇，設(shè)計(jì)時(shí)一定要根據(jù)被控對象的實(shí)際要求選擇 轉(zhuǎn)換器，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選用位數(shù)比較低的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 (3)模擬量輸出通道的擴(kuò)展 模擬量輸出通道是單片機(jī)控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或控制設(shè)備）連接的紐