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经济型数控车床进给伺服系统设计,经济型,数控车床,进给,伺服系统,设计
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第四章数控系统硬件电路设计第四章 数控系统硬件电路设计4.1控制系统方案确定4.1.1数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路由四部分组成：（1） 中央处理单元CPU；（2） 总线。包括数据总线（DB）、地址总线(AD)、控制总线（CB）；（3） 存储器。包括只读可编程存储器和随即读写存储器；（4） I/O输入/输出接口电路。该控制的组成如下：主控制器存储系统4.1.2.总体组成 主控器：单片机存储器：EPROM RAM键盘 显示器电机接口I/O接口：键盘、显示及步进电机 系统总体确定后，进行各部分设计 图4-1 控制系统图4.2软、硬件任务合理分配涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可以用软件编程实现。用硬件实现，编程时较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种何法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。此处决定如下：控制步进电机用的脉冲发生器用硬件，采用国产YB104环形分配器实现。字符发生及键盘扫描均由软件实现。4.3主控器4.3.1主控芯片选择近年来国外一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型计算机-单片机。主要有Inter公司的MCS48 系列，MCS-51系列等等，目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS-51系列。这里选用MCS51系列中的8031。4.3.2.MCS51系列单片机介绍下面介绍与硬件设计及软件编程关系密切的有关MCS51系列单片机的一些特性。1） MCS51系列单片机的基本特性单片机是集CPU、 I/O端口及部分RAM与一体的功能很强的控制器。现用得较广泛的是MCS51系列。该系列包括三个产品8031、8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是：8031是无ROM的8051，而8751则使用EPROM代替ROM的8051。通常所说的MCS51单片机是该系列的简称。用得较多的是该系列中的8031。 MCS51单片机的基本特性如下（以8051为例）(1)具有8位的中央处理器；(2)芯片内有时钟发生电路；(3)具有4KROM；(4)具有128字节RAM；(5)具有21个特殊功能的寄存器；(6)具有4个I/O 端口，32根I/O线；(7)可寻址64K外部数据存储器(8)可寻址64K字节外部程序存储器；(9)具有两个16位定时/计数器；（10）具有5个中断源，配备2个优先级；（11）具有一个双全功能串行接口；（12）具有位寻址能力，适于逻辑运算。从上述特性可以发现，一块8051芯片，功能几乎相当于由一块Z80CPU、一块2732EPROM、 一块Z80CTC、一块RAM、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机计算机系统。2）管脚功能及应用特性简介(1)引脚功能分类按引脚功能可分为三类，即I/O线：P0、P1、P2、P3共4个8位口。控制线：PSEN(片外取指令控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制)。电源及时钟：Vcc、Vss 、XTAL1、XTAL2 (2)应用特性I/O口线不能都用作用户线，除8051、8751外，真正可完全为用户使用的口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用的P3口；I/O口的驱动能力为：口驱动8个TTL门电路，、 、口则只能驱动4个TTL门；口试双重功能；时钟频率：外接时钟频率可在1.2M12MHZ间选择。4.3.3三总线结构单片机的三总线结构如下。（1）地址总线AB地址总线宽度为16位，故其外部存储器直接寻址范围达64字节，16位地址总线由 口经地址锁存器提供低8位,高8位 由口直接提供。（2）数据总线DB数据总线宽度为8位，由口直接提供。（3）控制总线CB由口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET、ALE、组成。4.3.4存储器结构 单片机存储器包括程序存储器(EPROM ROM)和数据存储器(RAM)，可直接寻址的存储器结构如图4-2。 其中外部程序存储器和数据存储器都需要扩展电路。4.3.5时序由于单片机中程序存储器和数据存储器严格分开，因此，程序存储器的操作时序中分为两种情况：不执行MOVEX指令和执行MOVE指令。两种情况的操作时序如图4-3。对于存储器的扩展、芯片的选择极为重要。4.3.6中断功能MCS-51单片机提供5个中断请求源。两个由 输入的外部中断请求， 两个位片内的定时器/计数器溢出请求 ，一个为片内的串行口中断请求或。这些中断源的引脚如图所示，为口的第二功能。对于每个中断请求源，都可编程为高级优先级或低级优先级，实现二级中断嵌套。当CPU 执行关中断指令后才有可能接受中断申请，每一个中断源可由软件编程为允许或禁止中断。8031个中断源的优先级及入口地址如表1，入口地址不因优先级的改变而改变。 表 1 中断源、优先级及入口地址中断源优先级入口地址中断源优先级入口地址外部中断00003H定时器/计数器3001BH定时器/计数器1000BH串行中断40023H外部中断20013H表中0级为最高，4级为最低。 图4-2 MCS-51存储器结构。4.3.7MCS-51单片机常用系统扩展芯片在MCS-51单片机应用系统中，常用的系统扩展芯片有程序存储器、数据存储器、口以及其它功能芯片，如定时器/计数器、中断控制器等。现分述如下：程序存储器 主要是紫外线擦抹得可编程只读存储器。通常采用标准芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。数据存储器静态RAM。无需刷新，但功耗大，成本高。目前常用的静态RAM是6116和6264。动态RAM。功耗小，成本低，但须刷新。主要动态RAM有2164 和41464。一般控制系统多采用静态。I/O口扩展集成芯片 I/O口扩展芯片可分为三种类型。专用I/O口扩展芯片，这类芯片专用于扩展I/O口用。主要有8255。I/O扩展复合芯片。这类芯片除了能扩展I/O口外，还能扩展其它外围功能电力路，主要有8155。电路芯片。这是一类广泛用作MCS-51单片机I/O口扩展芯片，主要有74LS373、273、374、244等。其它各种功能芯片 MCS-51还可扩展下列具有各种专用功能的外围芯片。8259：可编程中断控制器8279：可编程键盘/显示控制器8253：可编程通用定时器。8251：可编程通信控制器 图4-3 外部程序存储器的操作时序4.4存储系统扩展设计4.4.1芯片选择1）选择MCS-51单片机应用系统中，使用最多的EPROM是典型系列芯片2716、2732、2764、27128、27256，各芯片的管脚及其兼容性能如图所示。各种型号的EPROM有不同的应用参数，主要由最大读出速度、工作温度及容量。在容量确定时，选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作的前提。根据CPU与EPROM时序匹配要求，应满足这样一个关系：即8031所能提供的读取时间大于EPROM所要求的读取时间。8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间t与所选用的晶体时钟有关，约为3T，其中T为时钟周期。如选用晶体频率为12MHZ，则240ns，若晶体频率选用6MHZ，则480ns。本系统选用晶体频率为6MHZ。根据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需大量计算来确定存储系统总容量，包括EPROM容量和RAM容量。在产品研制阶段，存储容量一般不易精确确定，设计者可以作粗步估算，或凭工作经验，或与其它相似控制系统类不确定。另外，对EPROM和RAM都应留有一定余量，以备系统功能扩充之用。在实际设计中，应考虑尽量使系统电路简化，在满足容量要求是尽可能选择大容量芯片，以减小芯片组合数量。目前大容量芯片价格日趋便宜，小容量芯片面临减产价格上升的局面，故采用较大容量芯片，从长远的经济效益也有好处。据此，选用一片2764，EPROM具体型号根据市场货源及价格选购。2）、RAM选择RAM分为静态RAM和动态RAM，静态RAM无需考虑保持数据而设置刷新电路，扩展电路简单。单片机的扩展RAM 多选用静态。在选RAM时，主要考虑因素同样是RAM 的读些速度与CPU所提供的读些时序的匹配要求。类似，也应满足这样一个关系：即8031所能提供的读些时间应大于RAM所要求的读些时间。常用RAM主要有6116和6264。典型读些时间为200ns左右。8031所能提供的对RAM的读些时间与所选时钟频率有关，其大致关系为 =4T，=5T。、 T分别为读时间、写时间及时钟周期。当选时钟频率为12MHZ时，331ns，400ns。由此可见，常用的RAM都能满足单片机时序要求。 类似，这里选用大容量的RAM6264一片。4.4.2地址分配及译码1)、地址分配与一般存储系统不同，8031单片机所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，不必考虑是否发生冲突。由于8031复位后从000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从000H开始，有多片组成的情况下，各片间地址可连续，也可不连续，只是后者浪费一些空间。这里只用了一片，故不存在此问题。因此8K的地址为0000H1FFFH。扩展RAM的地址与I/O口及外围设备实行统一编址，任何扩展的I/O口及外围设备均占用数据存储器的地址空间。对本系统，RAM容量及扩展I/O外围设备数量不是很多。64K 空间只需很小一部分，为便于RAM和I/O的统一编码，作如下安排：RAM占0000HFFFFH,I/O占2000H1FFFH，其余未作分配。8K的RAM可以分配在0000H1FFFH。2）、地址译码及译码线路 地址译码有线性译码法、译码器译码法等。一般译码时首先应根据地址分配，列出参加译码芯片的地址变化情况，然后便可画出其译码线路。由于EPROM RAM各只有一片，故可用线性译码法。据此很容易得到EPROM、RAM的译码线路图。如图4-4。3）、EPROM、 RAM与8031的联接存储器与单片机的联接，主要是三总线的联接。应考虑单片机总线的驱动能力是否足够，若不够，应加适当的驱动，如加总线驱动器74244、74245等。根据前面介绍的单片机8031的驱动特性知，在此不必加驱动。下面给出 EPROM、 RAM与8031的具体联接。（1）地址总线将 与的EPROM 一一对应相连，与RAM的 一一对应相连，其余地址线经译码器产生片选信号。（2）数据总线数据线的联接是将分别与存储器的一一对应相连。（3）控制总线单片机返访问EPROM 和RAM的控制信号主要有：外部EPROM 取指令信号。 ：即，外部RAM写信号。 ：即，外部RAM读信号。根据上述控制信号的功能，可将与EPROM的OE相连，、分别与RAM 的、相连即可。这样，可以得到如图4-5所示的8031及其扩展存储器的连线图。 图4-4EPROM、 RAM译码线路图4-5 EPROM、 RAM与8031的接线图至此，完成了本系统存储器部分的设计。4.5接口电路及辅助电路具体设计 本系统接口电路包括键盘、数码显示及步进电机接口电路。辅助电路包括复位电路、时钟电路及报警指示电路。8031单片机的P1口可以用作I/O接口，为管理上述接口电路，还需扩展接口，作如下分配，用8031单片机的P1口管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。4.5.1.步进电机接口电路有前面总体设计知，步进电机的脉冲发生采用硬件实现，所用芯片为YB104相4拍环形分配器。一般情况下，该芯片的两个输入控制端E1、E2可直接接地，如工作方式设定在4相4拍，只需将、接地即可。这样，该芯片的所剩控制端主要还有方向控制端：-、+、选出输出控制端、时钟输出控制端CP及清零端。要正确控制步进电机，必须正确控制这些信号。在此确定所需的方向机输出控制信号由单片机的P1 口控制，所需的时钟脉冲有定时器提供，清零端由8031的P1.5 引脚提供，以防乱相。 X、Z向步进电机各自用一个环形分配器控制。用P1.0、P1.1 分别用作X向所需的方向机输出控制信号，P1.3、P1.4分别用作Z向的方向及输出控制信号。4.5.2.键盘、显示接口1）、键盘确定键盘的键数及结构，应根据工作台的要求。为简单，设置几个功能键： “”、“”、“”、“”、复位键、暂停键、其对应功能见表3。表2 环形分配器引脚功能表3 功能键及作用键盘的结构多为矩阵结构，这里由于键数少，故采用简单的结构，每一个键相当于一个开关，如图4-6所示。2）、数码显示根据工作台的精度及工作范围，采用5位数码显示。其中整数部分（包括小数点）3位，小数部分2位，坐标原点设定在工作台的左下角。3）、扩展接口在单片机应用系统中，同时需用使用键盘和显示时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省I/O 线。这里选通用可编程接口芯片8155管理键盘和显示。根据键盘的结构和显示器的输入要求，8155的I/O口分配见表4。4）、8155与8031的联接8155与8031的联接也可归结为其三总线的联接。8155具有地址所存信号控制，故可直接将8031的P0口线对应的联至8155的AD0AD7,同时将8031的地址所存ALE
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