第四章 控制系統(tǒng)硬件模塊化設(shè)計研究與實現(xiàn).

1、第四章 控制系統(tǒng)硬件模塊化設(shè)計研究與實現(xiàn)4.1微處理器的選擇由于機(jī)械手控制系統(tǒng)中沒有大量的信號需要處理，同時又要滿足控制要求，決定采用美國Silicon Labs公司的C8051F型單片機(jī)，具體型號為C8051F020。從嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的角度來看，單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了SCM(Single Chip Microcomputer，單片微型計算機(jī))，MCU(Microcontroller Unit，微控制器)以及SoC(System on Chip，片上系統(tǒng))三個階段。該單片機(jī)C8051F020為高度集成的混合信號SoC系統(tǒng)級芯片，具有與8051單片機(jī)兼容的高速、流水線CIP-51微處理器內(nèi)核，

2、與MCS-51指令集完全兼容。64K字節(jié)可在線編程的FLASH存儲器，可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口等資源。 除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中的常用的模擬部件及其他一些數(shù)字外設(shè)部件15。C8051F020單片機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 C8051F020單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4.1 C8051F020 SCM internal structure diagram C8051F020的封裝為100腳TQ型式。其中電源10根，分為數(shù)字電源和模擬電源。JIAG接口引腳為6根。C8051F020單片機(jī)是混合信號型的單片機(jī)所以引腳分為數(shù)字

3、子系統(tǒng)引腳(64根)和模擬子系統(tǒng)(18根)。I/O端口有復(fù)用方式和非復(fù)用方式兩種方式。C8051F020單片機(jī)引腳如圖4.2所示。 圖4.2 C8051F020引腳結(jié)構(gòu)圖 Fig.4.2 The C8051F020 pin structure picture在C8051F系列單片機(jī)中采用交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)I/O端口的靈活配置。在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口的系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用I/O口，內(nèi)有輸入/輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。 對C8051F020引腳功能的熟悉是設(shè)計外圍硬件電路和繪制電路原理圖的基礎(chǔ)。只有深刻的理解這100個引腳每個引腳

4、的功能，復(fù)用方式，才能合理分配使用每個引腳，在與外圍硬件電路的設(shè)計中達(dá)到C8051F020效能的最大化。4.2模塊化控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方法4.2.1單片機(jī)外圍硬件電路設(shè)計基本原則C8051F020 SoC型單片機(jī)具有集成度高，功能強(qiáng)大的特點。過去設(shè)計單片機(jī)系統(tǒng)往往采取的是搭積木式擴(kuò)展的方式。根據(jù)需要將外設(shè)(如A/D，D/A，RAM等)進(jìn)行片外擴(kuò)展，體積規(guī)模較大，與之相配合的供電，時鐘信號，抗干擾一系列問題也要考慮，系統(tǒng)的復(fù)雜程度越大故障點就越多。而片上系統(tǒng)具有高度集成性，我們要做的只是根據(jù)自己的設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)置。因此，應(yīng)用SoC系統(tǒng)可靠性會提高不少16。盡管如此，SoC設(shè)計與應(yīng)用仍然有一些共

5、性的問題和設(shè)計原則需要處理，處理妥當(dāng)才可以把它的特點和性能較好的發(fā)揮出來。(1)盡可能選擇典型電路，并符合51單片機(jī)常規(guī)設(shè)計規(guī)范。典型電路為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化打下良好基礎(chǔ)，典型電路易查找資料，改正問題17。(2)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分滿足控制系統(tǒng)的功能要求，并一定要有預(yù)留模塊，以便擴(kuò)展系統(tǒng)功能。(3)硬件設(shè)計出的實物最后是PCB板，所以系統(tǒng)設(shè)計時要規(guī)劃好PCB的設(shè)計。SoC工作頻率較高，對電源的要求也較高，因此所設(shè)計的電路板至少是2層。除從PCB考慮外，還要從供電電源考慮，無論單片機(jī)片內(nèi)是否有穩(wěn)壓器，最好都要接穩(wěn)壓器再連接單片機(jī)，并在電源入口處加容量為4.7uF與0.1uF的電容。(4)要充分利

6、用C8051F020的可編程I/O口的分配功能，若在設(shè)計PCB時發(fā)現(xiàn)問題可再調(diào)整電路原理圖，做到I/O口最佳的分配方案。(5)C8051F020的電壓較低，連接其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)的高壓外設(shè)時要經(jīng)過光耦隔離。這種做法可以有效的切斷干擾，保證電路不被燒壞。4.2.2模塊化硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)與設(shè)計硬件設(shè)計上以功能特征作為劃分模塊的依據(jù)，分為基本功能模塊、預(yù)留功能模塊和輔助功能模塊。選擇觸摸屏作為軟硬件交互的平臺。硬件上C8051F020單片機(jī)作為主控芯片，基本功能模塊部分分為串口電路模塊、JTAG接口模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動兩關(guān)節(jié)模塊，輸出端子口J1模塊。預(yù)留功能模塊部分設(shè)計了12位電路轉(zhuǎn)換模塊、輸入端子口模

7、塊、輸出端子口模塊、驅(qū)動三關(guān)節(jié)模塊等。其中12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊的設(shè)計是考慮到采集到的視頻信號的輸入與轉(zhuǎn)換。輸入端子口模塊電路的預(yù)留是方便用開關(guān)按鍵對機(jī)械手的控制。輸出端子口的設(shè)計是考慮到若手動按鍵時LCD可以顯示機(jī)械手運動過程中的相關(guān)參數(shù)等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動三關(guān)節(jié)這是模塊化機(jī)械本體已設(shè)定的要求。輔助功能模塊部分有電源電路模塊和晶振復(fù)位電路模塊。具體見圖4.3。 圖4.3硬件模塊化總體設(shè)計框圖Fig.4.3 The hardware modular overall design diagram4.3基于觸摸屏的人機(jī)交互平臺功能架構(gòu)本控制系統(tǒng)中觸摸屏作為整個控制系統(tǒng)人機(jī)交互的核心，同時也是軟硬件交互

8、的核心。通過觸摸屏發(fā)送命令給單片機(jī)調(diào)用單片機(jī)內(nèi)部的功能模塊，完成相應(yīng)動作，達(dá)到控制要求。所以觸摸屏是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。觸摸屏購買并使用北京迪文科技有限公司的以工業(yè)應(yīng)用為主的T系列8寸800*600(分辨率)觸摸屏，具體型號為DMG80600T080_01W。觸摸屏兩根串口線與單片機(jī)相連，一根電源線。觸摸屏功能架構(gòu)的確定是根據(jù)模塊化機(jī)械手本體來設(shè)定，通過設(shè)計觸摸屏的界面和命令按鈕來達(dá)到。界面設(shè)計包括參數(shù)的設(shè)定，關(guān)節(jié)模式的選擇，工作方式選擇等界面。其中關(guān)節(jié)模式有兩關(guān)節(jié)模式和三關(guān)節(jié)模式，參數(shù)的設(shè)定是大小臂長度的設(shè)定，裝配點，抓取點位置的設(shè)定，工作方式有手動和自動等。在設(shè)計觸摸屏的同時是與硬件模塊化

9、相互參照，協(xié)同設(shè)計，從而達(dá)到觸摸屏的界面和命令按鈕與硬件模塊相互吻合，實現(xiàn)預(yù)想的控制功能。4.4基本功能模塊設(shè)計4.4.1串口模塊設(shè)計C8051F020單片機(jī)中有2個增強(qiáng)型串行口：UART0和UART1。所謂“增強(qiáng)型”是指，這2個串行口都具有幀錯誤檢測和通信地址硬件識別功能。串口通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本。本控制系統(tǒng)中迪文觸摸屏采用的是串口通信，所以單片機(jī)串口UART0作為與觸摸屏通信的接口，UART1作為預(yù)留模塊的串口接口為以后可能的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留。UART0串口通信采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。它是專門為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電

10、源供電，集成度高，在設(shè)計電路時片外最低只需4個1uF的電容即可工作18。設(shè)計原理圖如圖4.4所示。 圖4.4 串口電路圖 Fig.4.4 The serial interface circuit diagram4.4.2JTAG接口模塊設(shè)計 JTAG (Joint Test Action Group,聯(lián)合測試行動小組)，是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，它與IEEE1149.1兼容，主要用于芯片內(nèi)部測試，可以以單片或其它方式調(diào)試程序?，F(xiàn)在越來越多的器件支持JTAG協(xié)議，如DSP，F(xiàn)PGA等。支持JTAG協(xié)議的80C51兼容類單片機(jī)并不多，當(dāng)前市場上主要就是C8051F系列。JTAG編程方式是在線編程，簡

11、化流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而可以大大加快工程進(jìn)度。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4根信號線：TMS，TCK，TDI，TDO，分別為模式選擇，時鐘，數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線?？蛇x引腳TRST用于測試復(fù)位，為輸入引腳，低電平有效。C8051F020本身就帶有JTAG接口，其端口引腳1到引腳4與JTAG連接端子相連。JTAG適配器通過USB接口與上位機(jī)相連，同時通過10芯JTAG連接端子與目標(biāo)電路板相連。JTAG連接完成后，可以通過上位機(jī)來控制程序的運行，停止，單步和過程單步執(zhí)行，可以設(shè)置硬件斷點，可以查看和修改存儲器和寄存器。在調(diào)試完成后，能夠?qū)⒋a下載到Flash程序存儲器中，從而完成

12、一個完整的開發(fā)過程19。如圖4.5所示。 圖4.5 JTAG與單片機(jī)的連線圖 Fig.4.5 The wiring diagram of JTAG to the single chip microcomputer4.4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計裝配機(jī)械手為平面關(guān)節(jié)型，大、小臂均為回轉(zhuǎn)運動，重量較輕，轉(zhuǎn)動慣量不大，一般電機(jī)都能帶動。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多用于開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，位置和速度易于控制，其相應(yīng)速度快，輸出力矩較大，能快速啟動，反制和制動。特別是步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差，一般精度為實際步距角的百分之三到五，且不累積，驅(qū)動機(jī)械手運動時有較高的位置精度，對于本系統(tǒng)的控制較為理想，其它交流伺服電機(jī)等性價比不

13、高。經(jīng)過分析比較目前省內(nèi)步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，現(xiàn)選擇常州市澤明自動化設(shè)備有限公司兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 39BYG系列： 表2.1 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)39BYG系列技術(shù)參數(shù)Tab.2.1 The series technical parameters of 39 BYG two phase hybrid stepping motor 型號歩距角機(jī)身長電流電阻靜力距定位距轉(zhuǎn)動慣量引線重量39BYGB64101.826mm0.6A9歐姆1.4Kg.cm0.8N.cm14g.cm24根120g 圖4.6兩相混合式步進(jìn)電機(jī)39BYG系列尺寸 Fig.4.6 The series size of two

14、phase hybrid stepping motor of 39BYG 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計中購買了96560A V3型CNC步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。如圖4.7所示。 圖4.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器Fig.4.7 The stepping motor drive它采用TB6560AHQ型驅(qū)動芯片。此芯片是東芝公司最新設(shè)計生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片，與早期推出TB6560HQ芯片相比，其性能有較大的提高，輸出電流最高可達(dá)3.5A。而采用該芯片的驅(qū)動板在電路上，結(jié)構(gòu)上都使用了可靠性設(shè)計，在普通散熱方式的情況下可穩(wěn)定地工作在3A電流?？梢则?qū)動3A以下的二，四相步進(jìn)電機(jī)。(1)在結(jié)構(gòu)上TB6560

15、AHQ芯片采用臥式安裝，增強(qiáng)了散熱效果和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所有接線，操作部位移至一側(cè)，方便操作。(2)接口情況見圖4.8。圖中的四幅圖分別代表了整體接口情況，電源輸入及步進(jìn)電機(jī)接口，控制信號輸入接口(最后的一幅圖中，其中白色的插頭與綠色接線端口功能相同)。圖4.8 步進(jìn)電機(jī)接口圖 Fig.4.8 The stepping motor interface diagram驅(qū)動器電源接入1234直流電源，注意正負(fù)極。電源可用交流變壓器加整流濾波得到，整流前的交流電壓不能高于25V，濾波電容用3300uF比較合適。適用的電機(jī)為兩相，四相混合式(4線，6線或8線步進(jìn)電機(jī))20。(3)C8051F020單片機(jī)的P

16、0.2口到P0.4口通過74HC245驅(qū)動芯片接到步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸入端，欲作為步進(jìn)電機(jī)脈沖信號的輸入端。74HC245芯片為總線驅(qū)動器芯片。它是典型的CMOS型三態(tài)緩沖門電路。由于單片機(jī)或CPU的數(shù)據(jù)/地址/控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，如果負(fù)載超過其負(fù)載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動器，作用就是信號功率放大21。同理4個步進(jìn)電機(jī)的片選，方向由單片機(jī)的P7.0口到P7.7口通過74HC245芯片來控制。具體如圖4.9所示。(4)設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)共4個，其中3個是用來滿足兩關(guān)節(jié)模塊時大小臂和立柱的驅(qū)動，預(yù)留的1個步進(jìn)電機(jī)是考慮三關(guān)節(jié)模塊的驅(qū)動。這樣的硬件設(shè)計符合模塊化的設(shè)計思想。 圖4.9單片機(jī)控制步進(jìn)

17、電機(jī)接線圖 Fig.4.9 The diagram of single-chip microcomputer to stepping motor connecting 4.4.4輸出端子口J1設(shè)計裝配機(jī)械手是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動大小臂的旋轉(zhuǎn)，立柱的升降，所以必須輸出4個步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)控制信號，每個步進(jìn)電機(jī)需要有片選信號CS，方向信號DIR，脈沖信號CP共3種信號。為了控制其它強(qiáng)電的開啟和閉合又設(shè)計了4個繼電器輸出(其中1個作為末端夾持器電磁鐵吸合的控制，其它3個作為預(yù)留)，共16個輸出端子口作為輸出端子口J1。如圖4.10所示。 圖4.10輸出端子口J1接線圖 Fig.4.10 The output

18、 terminals J1夾持器安裝在手臂的機(jī)械接口上，相當(dāng)于人手部的功能，是裝配機(jī)器手的重要部件，作為末端執(zhí)行器。該夾持器的傳動原理：該夾持器通過支座固定在機(jī)械手的小臂的首端，繼電器驅(qū)動系統(tǒng)推動推桿伸縮運動，連桿將運動傳給夾持器手指，將伸縮運動轉(zhuǎn)化為指端的張開和合攏，從而抓緊和放下軸承套。繼電器驅(qū)動的電路圖如圖圖4.11所示。 圖4.11夾持器驅(qū)動電路圖Fig.4.11 The grippers drive circuit diagram 4.5預(yù)留功能電路模塊設(shè)計 預(yù)留功能模塊是在基本功能模塊的基礎(chǔ)上為適應(yīng)模塊化裝配機(jī)械手常用預(yù)留功能而設(shè)計，是滿足多種工況下可以拼裝模塊化主控系統(tǒng)的要求而預(yù)

19、先設(shè)計預(yù)留的模塊，這種設(shè)計改變了傳統(tǒng)的“一種工況要求，一次重新設(shè)計”的設(shè)計方法，大大提高控制系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性。4.5.1 12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計 考慮到若將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，設(shè)計了一個8通道的端口與C8051F020的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。即與單片機(jī)的18引腳到25引腳相連。每個通道都可以傳輸一個模擬信號。C8051F020內(nèi)置兩個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個為12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0，另一個為8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1。其中ADC0采用逐位比較方式將輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而獲得精度為12位的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADC0數(shù)據(jù)字寄存器ADC0H，ADC0L中。ADC0模塊具體由一

20、個9通道的可編程模擬多路選擇器AMUX0 (其中第9通道在內(nèi)部被接到片內(nèi)溫度傳感器)，一個可編程增益放大器PGA0和可編程越限檢測器組成14。如圖4.12為ADC0輸入與單片機(jī)相連圖。 圖4.12 ADC0輸入與單片機(jī)相連圖 Fig.4.12 The diagram of ADC0 inputs to single-chip microcomputer 4.5.2輸入端子口J2設(shè)計為考慮到裝配機(jī)械手有關(guān)控制信號的輸入，設(shè)計了16個輸入端子，采用ORIENT 817C的光電隔離芯片連接到單片機(jī)P4.0口到P4.7口，P5.0口到P5.7口，共16個引腳上。這些預(yù)留的輸入端子口可作為按鈕開關(guān)等信號

21、輸入。817是常用的線性光耦，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。線性光耦原理是當(dāng)輸入端加電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光體上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，這樣隨著輸入信號的強(qiáng)弱變化會產(chǎn)生的相應(yīng)的光信號，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程序也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同22。輸出端子口J3是預(yù)留作為液晶顯示屏的控制預(yù)留地端子口。4.6輔助功能模塊設(shè)計 輔助功能模塊是為控制系統(tǒng)硬件電路正常工作而設(shè)計。它主要包括電

22、源電路模塊和晶振、復(fù)位電路模塊，提供硬件電路必要的多種電壓，單片機(jī)工作所需的晶振頻率，系統(tǒng)復(fù)位等。4.6.1電源電路模塊設(shè)計(1)控制系統(tǒng)的電源單元是一個模數(shù)混合的電路，而且數(shù)字電路需要多種電壓，其中MCU芯片C8051F020需要3.3V供電，而其他芯片，器件需要+5V，+12V等電平供電。因此整個電路要求至少需要3種以上供電電源。(2)設(shè)計電源220V交流電通過變壓器變成15V交流電通過二極管的橋式整流電路后變成直流電輸入給芯片LM7812。三端穩(wěn)壓集成電路LM7812只有三個引腳輸出，分別是輸入端，輸出端和接地端，芯片LM7812輸出穩(wěn)壓為12V。輸出的12V電壓給芯片PWB2405后輸

23、出5V。芯片AS1117輸入5V，輸出3.3V。按照標(biāo)準(zhǔn)電路，芯片旁又有相應(yīng)的濾波電容。芯片LM7812，PWB2405，AS1117基本上都是穩(wěn)壓芯片。如圖4.13所示。 圖4.13 電源電路圖 Fig.4.13 The power supply circuit diagram4.6.2晶振和復(fù)位電路設(shè)計晶振電路和復(fù)位電路都是按照C8051F020標(biāo)準(zhǔn)電路要求設(shè)計的14。4.7總的電路原理圖和元器件布置圖 (1)裝配機(jī)械手控制系統(tǒng)電路原理圖如下圖4.14所示。 圖4.14 裝配機(jī)械手控制系統(tǒng)基本電路原理圖 Fig.4.14 The basic circuit principle diagram of assembling manipulator control system(2)為了將設(shè)計好的原理圖繪制成PCB，設(shè)想的元器件布置圖如下圖4.15所示。 圖4.15 元器件布置圖 Fig.4.15 The diagram of components arrangements4.8 PCB板繪制和制作 電路原理圖設(shè)計的最終目的就是要制成一塊相應(yīng)的PCB板。當(dāng)基本電路原理圖完成后，就要