基于单片机的四轴运动控制卡制造技术

一种数控技术领域的基于单片机的四轴运动控制卡，本发明专利技术包括：单片机单元、ＰＣ１０４通讯单元、输入输出接口单元、脉冲发生单元、ＣＰＬＤ单元、扩展外部存储器单元，其中：运动信息通过ＰＣ１０４通讯单元由上位机传输给ＣＰＬＤ单元，ＣＰＬＤ单元将信息传递给单片机单元运算处理运动数据，得到运算结果后，再由ＣＰＬＤ单元发送给脉冲发生器，脉冲发生器据此产生控制驱动器的脉冲信号，该信号经由输入输出接口单元控制伺服驱动器。单片机单元片的部分数据通过ＣＰＬＤ单元传递进入扩展外部存储器单元进行存储，并随时供单片机单元读取。本发明专利技术减少了外部电路模块，提高了系统的稳定性；可以同时对运动的速度和位置进行控制，控制精度高。

Four axis motion control card based on single chip microcomputer

A numerical control technology of four axis motion control card based on singlechip, the invention includes: microcontroller unit, PC104 communication unit, input and output interface unit, a pulse generating unit, CPLD unit, external memory expansion unit, wherein the motion information through the PC104 communication unit by the host computer is transmitted to the CPLD unit, CPLD unit of information transmission for processing motion data of MCU operation, operational results, and then the CPLD sends to the pulse generator, a pulse generator generates a pulse signal according to control signal through the drive, the input and output interface unit to control the servo drive. Part of the data of the MCU unit is transferred through the CPLD unit and extended into the external memory unit for storage, and it can be read by the SCM unit at any time. The invention reduces the external circuit module, improves the stability of the system, can control the speed and position of the movement at the same time, and has high control precision.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数控
的运动控制卡，具体是一种基于单片机的四轴 运动控制卡。技术背景在数控
中，运动控制卡是实现运动控制技术的核心部件，它将预定 的控制方案、规划指令转变为期望的机械运动、实现对被控目标精度的位置控制、 速度控制、加速度控制、转矩或力的控制等。运动控制卡和工业PC以及伺服驱 动器一起构成完整的运动控制单元。单片机又称为单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一 个计算机系统集成到一个芯片上。目前单片机广泛应用于各种工业控制领域、如机器人、智能仪表等。经过对现有技术的文献检索发现，中国申请号为200410017112.4，公开号 为CN 1564095A的专利"基于RS-232串行总线的多轴运动控制卡"给出了一种 由控制单元、开关量输入单元和信号输出单元组成的运动控制卡。该专利技术是以 89C52单片机(一种Atmel公司的改进型51单片机)为控制核心，采用可擦除 可编程只读存储器作为存储器，采用RS-232串行总线方式通讯的一种运动控制 卡。但该专利技术存在一些缺点89C52单片机是八位单片机，运算速度慢，总线地 址少、功能少，控制速度和精度有限，且非片上系统的单片机，只能采用仿真器 方式进行调试；可擦除可编程只读存储器编程需要专用设备，使用不便；RS232 通讯数据传输效率不高，传输距离有限。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提出了一种基于单片机的四轴运动控制 卡，使其以高速混合信号处理单片机为核心，采用CPLD (复杂可编程逻辑器件) 芯片技术进行硬件译码，由计数器芯片发送脉冲实现位置控制。本专利技术通过如下技术方案实现的，本专利技术包括单片机单元、CPLD单元、 PC104 (—种嵌入式总线规范)通讯单元、脉冲发生单元、输入输出接口单元、扩展外部存储器单元，其中单片机单元为具有16位地址总线的具有S0C (片上系统)功能的高速混合 信号处理单片机，单片机单元内部包括Flash存储器以及数据存储器，分别负责 储存系统程序以及程序运行数据，单片机单元通过CPLD单元和扩展外部存储器 单元进行数据交互，单片机单元将运动控制数据传输进入CPLD单元，同时也将 控制信息传入CPLD单元，单片机将输入输出接口单元输入的外部模拟量输入信 号转化为数字量信号，也能将自身内部的数字量信号转换为模拟量信号，模拟量 信号再由输入输出接口单元传输给伺服驱动器及外部电路，单片机单元的部分端 口直接作为数字量IO (输入输出)端口，与输入输出接口单元进行数据传输；CPLD单元根据其内部的逻辑运算功能按照单片机单元的控制信息将数据传 输到扩展外部存储器单元、PC104通讯单元、脉冲发生单元，CPLD单元接收由输 入输出接口单元输入的轴编码信号、手摇脉冲发生器信号，预处理后再传递给单 片机单元；CPLD单元外围接口多、扩展硬件资源，CPLD单元和单片机单元共同构成了整个运动控制卡的核心部分；PC104通讯单元实现上位机和单片机单元的数据交互，上位机数据由PC104 总线传输进入PC104通讯单元，然后再传输进入CPLD单元，最后进入单片机单 元；脉冲发生单元的数据由CPLD单元传输进入，输入脉冲发生单元的初始脉冲 由单片机单元提供，脉冲发生单元通过对输入的初始脉冲分频生成一个频率、脉 宽可控的脉冲，通过输入输出接口单元分别对四个轴的伺服驱动器实现精确控 制；输入输出接口单元负责脉冲发生单元、单片机中的IO端口、 CPLD单元等部 件和外部电路以及伺服驱动器的数据交互，将单片机IO端口的输出信号、脉冲 发生单元输出信号进行放大后输出给伺服驱动器以及外部电足各；同时外部电路的 数字量信号经由通过输入输出接口单元处理后进入单片机IO端口，外部模拟量 输入信号经由输入输出接口单元处理后传输进入单片机单元，外部轴编码信号以 及手摇脉冲发生器信号通过输入输出接口单元处理后传输进入CPLD单元，并供 单片机单元使用。扩展外部存储器单元负责存储系统工作时的数据，单片机单元片内存储器数 据存储量小，部分数据通过CPLD单元传递进入扩展外部存储器单元进行存储，并随时供单片机单元读取。所述输入输出接口单元，其输入输出的数字量信号通过一个数字量10扩展 单元，数字量10扩展单元负责扩展输入输出的数字量信号，将通过输入输出接 口单元输入数字量10扩展单元的信号锁存，等待单片机单元读取；将单片机单 元通过CPLD单元传输进入数字量10扩展单元的输出部分进行锁存，并传递给输 入输出接口单元再输出。所述单片机单元，其数模转换产生的模拟量信号通过一个DA (数模)扩展 单元进行运算放大，以符合外部电路的需求，DA扩展单元放大后的^I出信号通 过输入输出接口单元传输给伺服驱动器以及外部电路。所述单片机单元，其接收的外部输入的模拟量信号，经过一个AD (模数) 扩展单元的初步处理达到单片机单元AD转换的要求，再进入单片机单元。所述单片机单元，其通过串口通讯单元实现运动控制卡和PC机的串口通讯。所述单片机单元，其监控、正常工作维持等工作由系统辅助单元完成，系统 辅助单元包括复位单元、看门狗单元、JTAG单元、外部时钟单元以及电源监控 单元五个部分，其中复位单元在看门狗单元监测到发生异常时，控制电源监控单元对单片机单元 停止供电，进行复位；看门狗单元通过和单片机单元之间传递信号监测单片机单元是否发生异常 的情况；JTAG (联合测试行动小组标准)单元将单片机单元的信号经由CPLD单元向 外部PC提供，信号内容主要为单片机单元运行时芯片内部数据信息； 外部时钟单元通过外部振荡器电路为系统提供输入时钟； 电源监控单元将外部供电进行处理传输给单片机单元，以保证正常供电。 所述输入输出接口单元，包括数字量输入输出接口单元、模拟量输入输出接 口单元、脉冲信号处理单元、手摇脉冲信号处理单元、轴编码信号处理单元，其 中数字量输入输出接口单元负责单片机单元中的10端口 、数字量10扩展单元 和外部电路的交互；模拟量输入输出接口单元负责DA扩展单元、AD扩展单元和外部电路的交互， 外部电路中的模拟量输入通过本单元进行稳压处理后传输给AD扩展单元、DA扩展单元，AD扩展单元、DA扩展单元产生的模拟量信号经本单元稳压处理后传输 给外部电路；脉冲信号处理单元将脉冲发生单元产生的脉冲信号经过差动处理传输给 CPLD单元；手摇脉冲信号处理单元将外部手摇脉冲发生器信号经过差分处理传输给CPLD单元；轴编码信号处理单元将外部轴信号经过差分处理传输给CPLD单元。 本专利技术工作时，PC104通讯单元从上位机获取用户指令，并通过CPLD单元 传递给单片机单元，单片机单元进行运动计算处理，得到运动数据以及相关信息， 数据通过CPLD单元传输给脉冲发生单元，同时相关信息传输到单片机单元的10 端口或者数字量10扩展单元，脉冲发生单元产生控制伺服驱动器的脉冲，并连 同IO信号(由IO端口或者数字量IO扩展单元产生)， 一起传输进入输入输出接 口单元，控制外部伺服驱动器。伺服驱动器的轴编码器信号由输入输出接口单元 处理传输进入CPLD单元，反馈给单片机单元，对运动进行修正。当外部有模拟 量信号时，通过AD扩展单元将该信号处理后，再传输进入单片机单元转化为数 字量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单片机的四轴运动控制卡，包括：单片机单元、ＰＣ１０４通讯单元、输入输出接口单元，其特征在于，还包括：脉冲发生单元、ＣＰＬＤ单元、扩展外部存储器单元，其中：单片机单元为具有１６位地址总线的具有片上系统功能的混合信号处理单片机，单片机单元内部包括Ｆｌａｓｈ存储器以及数据存储器，分别负责储存系统程序以及程序运行数据，单片机单元通过ＣＰＬＤ单元和扩展外部存储器单元进行数据交互，单片机单元将运动控制数据传输进入ＣＰＬＤ单元，同时也将控制信息传入ＣＰＬＤ单元，单片机单元将输入输出接口单元输入的外部模拟量输入信号转化为数字量信号，将自身内部的数字量信号转换为模拟量信号后再由输入输出接口单元传输给伺服驱动器及外部电路，单片机单元的部分端口直接作为数字量ＩＯ端口，与输入输出接口单元进行数据传输；ＣＰＬＤ单元根据其内部的逻辑运算功能按照单片机单元的控制信息将数据传输到扩展外部存储器单元、ＰＣ１０４通讯单元、脉冲发生单元，ＣＰＬＤ单元接收由输入输出接口单元输入的轴编码信号、手摇脉冲发生器信号，预处理后再传递给单片机单元；ＣＰＬＤ单元和单片机单元共同构成了整个运动控制卡的核心部分；ＰＣ１０４通讯单元实现上位机和单片机单元的数据交互，上位机数据由ＰＣ１０４总线传输进入ＰＣ１０４通讯单元，然后再传输进入ＣＰＬＤ单元，最后进入单片机单元；脉冲发生单元的数据由ＣＰＬＤ单元传输进入，输入脉冲发生单元的初始脉冲由单片机单元提供，脉冲发生单元通过对输入的初始脉冲分频生成一个频率、脉宽可控的脉冲，通过输入输出接口单元分别对四个轴的伺服驱动器实现控制；输入输出接口单元负责脉冲发生单元、单片机单元中的ＩＯ端口、ＣＰＬＤ单元和外部电路以及伺服驱动器的数据交互，将单片机单元的ＩＯ端口的输出信号、脉冲发生单元输出信号进行放大后输出给伺服驱动器以及外部电路，同时，外部电路的数字量信号经由通过输入输出接口单元处理后进入单片机单元的ＩＯ端口，外部模拟量输入信号经由输入输出接口单元处理后传输进入单片机单元，外部轴编码信号以及手摇脉冲发生器信号通过输入输出接口单元处理后传输进入ＣＰＬＤ单元，并供单片机单元使用；扩展外部存储器单元负责存储系统工作时的数据，单片机单元片内存储器数据存储量小，部分数据通过ＣＰＬＤ单元传递进入扩展外部存储器单元进行存储，并随时供单片机单元读取。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊，罗磊，刘放，邱明勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]