基于USB的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)及采集卡的設(shè)計(jì)

1 引言

基于PC機(jī)各種總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，總線形式多種多樣，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術(shù)。通常使用的是基于ISA總線、PCI總線。由于計(jì)算機(jī)主板的更新?lián)Q代，ISA插槽使用的越來越少了PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制卡成了目前的主流。但是PCI總線存在一些缺陷：易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設(shè)備等。USB總線具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，其中USB2.0標(biāo)準(zhǔn)有著高達(dá)480MB/s的傳輸速率，已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)接口的主流。而且，通用串行總線USB為多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集提供了很大的便利，利用USB可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方式更有效、更經(jīng)濟(jì)、點(diǎn)數(shù)更多的數(shù)據(jù)采集。USB數(shù)據(jù)總線已經(jīng)在各種計(jì)算機(jī)上得到普及，成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于USB總線的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)及采集卡系統(tǒng)按照功能的劃分，主要包括3個(gè)方面：USB接口設(shè)計(jì)，通過USB接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通訊；電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片UC3717A；數(shù)據(jù)采集問題，數(shù)據(jù)采集的目的是為了監(jiān)控外界情況，步進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境例如溫度，以及捕獲運(yùn)動(dòng)軌跡等，它是通過傳感部件利用傳感器監(jiān)控外界，將采集的信息作模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳遞到單片機(jī)，由單片機(jī)送到微機(jī)，作分析、顯示。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作過程就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集和控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的過程，其中的每一步都需要不同組的支持。首先，溫度和壓力參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；接著單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理之后，就可以送往LED顯示或者發(fā)送給USB接口芯片；然后USB接口芯片在主機(jī)需要的時(shí)候，把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)USB總發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行處理和顯示；最后將處理的結(jié)果經(jīng)USB總線和單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。

3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：USB通信電路部分、數(shù)據(jù)采集電路部分、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。模塊的功能都是在以ATmega16為核心的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。

3.1 USB通信電路的設(shè)計(jì)

USB通信電路的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備端和主機(jī)端之間的通信，這一功能主要是由核心微控制器ATmega16和USB控制器件PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)的。其中，PDIUSBD12是符合USB1.1協(xié)議的芯片，在USB通信電路中起著聯(lián)系設(shè)備和主機(jī)的橋梁的作用。微控制器ATmegal6和USB控制器PDIUSBD12之間通過8位并行總線進(jìn)行通信，8位并行總線在ATmegal6端需要連接8個(gè)I/O口。PDIUSBD12片內(nèi)集成了時(shí)鐘乘法PLL，晶振電路使用6MHZ的晶振和兩個(gè)2pF到68pF的電容。PDIUSBD12的信號(hào)輸出端D+/D-上要各串接一個(gè)18歐的匹配電阻。通信電路如圖2所示。

圖2 USB通信電路

3.2 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路的功能就是將現(xiàn)場的溫度、壓力以及應(yīng)力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的模擬信號(hào)，再把模擬信號(hào)傳送給A/D轉(zhuǎn)換電路。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分。

溫度數(shù)據(jù)采集使用了DS18B20，它是美國Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器，世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。測量溫度范圍為-55°C～+125°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。將采集的溫度送至ATmegal6內(nèi)部的采樣保持電路，然后進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量溫度了。

在本系統(tǒng)中，測量壓力采用的器件是廣州森納士儀器有限公司生產(chǎn)的壓力變送器，其量程是0.0lMPa，輸出信號(hào)是4~20mA的電流。當(dāng)壓力改變時(shí)，輸出電流也隨之發(fā)生變化，所

以在信號(hào)輸出端接一個(gè)精密電阻，然后對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量壓力了。

3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。