基于USB的運動(dòng)控制平臺及采集卡的設計

1 引言

基于PC機各種總線(xiàn)的步進(jìn)電機或數字式伺服電機的上位控制單元，總線(xiàn)形式多種多樣，高速總線(xiàn)可以采用ISA、PCI、USB等總線(xiàn)技術(shù)。通常使用的是基于ISA總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)。由于計算機主板的更新?lián)Q代，ISA插槽使用的越來(lái)越少了PCI總線(xiàn)的運動(dòng)控制卡成了目前的主流。但是PCI總線(xiàn)存在一些缺陷：易受機箱內環(huán)境的影響，受計算機插槽數量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設備等。USB總線(xiàn)具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優(yōu)點(diǎn)，其中USB2.0標準有著(zhù)高達480MB/s的傳輸速率，已經(jīng)逐漸成為計算機接口的主流。而且，通用串行總線(xiàn)USB為多點(diǎn)數據采集提供了很大的便利，利用USB可以實(shí)現比傳統方式更有效、更經(jīng)濟、點(diǎn)數更多的數據采集。USB數據總線(xiàn)已經(jīng)在各種計算機上得到普及，成為計算機的標準設備。

2 系統體系結構

基于USB總線(xiàn)的運動(dòng)控制平臺及采集卡系統按照功能的劃分，主要包括3個(gè)方面：USB接口設計，通過(guò)USB接口實(shí)現PC機與單片機的通訊；電機的驅動(dòng)，采用電機驅動(dòng)芯片UC3717A；數據采集問(wèn)題，數據采集的目的是為了監控外界情況，步進(jìn)電機的工作環(huán)境例如溫度，以及捕獲運動(dòng)軌跡等，它是通過(guò)傳感部件利用傳感器監控外界，將采集的信息作模數轉換后傳遞到單片機，由單片機送到微機，作分析、顯示。系統的體系結構如圖1所示。

圖1 系統的體系結構

系統的工作過(guò)程就是一個(gè)數據采集和控制步進(jìn)電機運行的過(guò)程，其中的每一步都需要不同組的支持。首先，溫度和壓力參數經(jīng)傳感器轉換成模擬信號，模擬信號經(jīng)過(guò)A/D轉換變單片機可識別的數字信號；接著(zhù)單片機將數字信號進(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接口芯片在主機需要的時(shí)候，把接收到的數據經(jīng)USB總發(fā)送給主機進(jìn)行處理和顯示；最后將處理的結果經(jīng)USB總線(xiàn)和單片機來(lái)控制步進(jìn)電機的運行。

3系統的硬件電路設計

USB數據采集系統的硬件電路結構主要包括以下幾個(gè)部分：USB通信電路部分、數據采集電路部分、步進(jìn)電機驅動(dòng)。模塊的功能都是在以ATmega16為核心的硬件平臺上實(shí)現的。

3.1 USB通信電路的設計

USB通信電路的功能是實(shí)現數據采集系統設備端和主機端之間的通信，這一功能主要是由核心微控制器ATmega16和USB控制器件PDIUSBD12實(shí)現的。其中，PDIUSBD12是符合USB1.1協(xié)議的芯片，在USB通信電路中起著(zhù)聯(lián)系設備和主機的橋梁的作用。微控制器ATmegal6和USB控制器PDIUSBD12之間通過(guò)8位并行總線(xiàn)進(jìn)行通信，8位并行總線(xiàn)在A(yíng)Tmegal6端需要連接8個(gè)I/O口。PDIUSBD12片內集成了時(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 數據采集電路的設計

數據采集電路的功能就是將現場(chǎng)的溫度、壓力以及應力等數據轉換成合適的模擬信號，再把模擬信號傳送給A/D轉換電路。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分。

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

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

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

3.3步進(jìn)電機驅動(dòng)電路設計

步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。步進(jìn)電動(dòng)機的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數嚴格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。