（测试计量技术及仪器专业论文）大尺寸薄壁回转体移位机械手的控制系统设计.pdf

天津大学硕士毕业论文 摘要 随着现代制造技术的迅速发展，三坐标测量机正逐渐成为自动化生产中实现 质量控制的主导设备。对一些复杂几何形状的工件，只有运用高精度的三坐标测 量机，才能得到令人满意的检测结果。而对这些复杂几何形状的工件进行测量时， 需要将它们用合适的工具运送到三坐标机的测量台上。本课题主要研究的是大尺 寸薄壁回转体工件的专用运送装置大尺寸薄壁回转体移位机械手的控制系 统设计。 本文根据大尺寸薄壁回转体移位机械手的主要功能要求，选择了适合的驱动 方案和控制方法，并对直流伺服系统的数学模型进行了分析，并采用了p w m 调 速系统。 在硬件电路方面，我们选择了单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 和可编程逻辑器件c p l d 作 为核心芯片，完成对电机的驱动、电路板之间的通信、电源的管理和控制面板的 管理等。 在软件控制方面，我们采用p w m 调速系统控制电机的速度，并采用r s 4 8 5 作为串行通信接口。另外，我们在设计软件系统时，设计了手动操作和自动操作 两套系统。 最后，我们对控制系统进行了实验，经实验验证，该系统达到了预期的目标， 可以广泛的应用到工业领域中。 关键词：大尺寸薄壁回转体移位机械手电机控制单片机c p l d 天津大学硕士毕业论文 a b s t r a c t c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) i sb e c o m i n gt h em a j o ri n s p e c t i o ne q u i p m e r i t i 1 1q u a l i t yc o n t r o ls y s t e mo f a u t o m a t i cp r o d u c t i o nw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i no r d e rt oa c h i e v eap r e c i s er e s u l t ，c m mi sn e c e s s a r yw h e n m e a s u r i n gw o r k p i e e eo fc o m p l i c a t e dg e o m e t r ys h a p e t ot r a n s f e rt h ew o r k p i e c eo f t h ec o m p l i c a t e dg e o m e t r ys h a p e ，w en e e dt h ep r o p e rm a n i p u l a t o rt oc a r r yt h e w o r k p i e c et oc m m t h em a j o r j o bo fm yr e s e a r c hi st od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h em a n i p u l a t o rt oc a l t yl a r g e s i z ea n dt h i n - w a l lr o t a t i n gw o r k p i e c e a c c o r d i n gt ot h em a i nf u n c t i o no fm a n i p u l a t o ro fl a r g e s i z ea n dt h i n - w a l lr o t a t i n g w o r k p i e c e ，w ec h o o s et h ep r o p e rd r i v ea n dc o n t r o lm e t h o d , a n da n a l y z et h em a t h m o d e lo f t h es e r v o - m o t o r ，a n dw eu s et h es p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mo fp w m w h e nw ed e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，w eu s et h ec 8 0 51f 0 21m c ua n dc p l da st h e c o r eo f t h es y s t e mt od r i v et h es e r v o m o t o r , c o m m u n i c a t ea n dg o v e r nt h es o u r c eo f p o w e ra n dc o n t r o lb o a r d w h e nw ed e s i g nt h es o f t - w a r eo f t h es y s t e m , w eu s et h es p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mo f p w mt oc o n t r o lt h es p e e do ft h es e r v o m o t o r ，a n du s er s - 4 8 5a st h ei n t e r f a c eo f s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r a n d w ed e s i g nt w oc o n t r o ls y s t e m s ：h a n d o p e r a t i n g a n da u t o m a t i co p e r a t i n g t h ee x p e r i m e n to f t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd o n ea n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h i s c o n t r o ls y s t e mr e a c h e dt h ee x p e c t e dp u r p o s e i ti sp o s s i b l et h a tt h i ss y s t e mw i l lb e w i d e l yu s e di ni n d u s t r yf i e l d k e yw o r d s ：m a n i p u l a t o r sf o rl a r g e s i z ea n dt h i n - w a l lr o t a t i n gw o r k p i e c e ， m o t o rc o n t r o l , m c u ，c p l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夸柯善灾签字日期：z 口口年g 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入：芎关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查萨：和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：辆巢良 签字日期：劲。眸g 月7 日 导师签名 签字日期 认) 衫日 | 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 三坐标测量机作为现代大型精密测量仪器，已经越来越显示出它的重要性和 广阔的发展前景。作为一种通用性强、自动化程度高、高精度的测量系统，集机、 光、电、控制、软件等为一体，三坐标测量机在先进制造技术与科学研究中有极 广泛的应用。 目前从国内外三坐标测量发展情况和科学技术对三坐标测量机的要求来看， 它的主要发展趋势可以概况为： 1 ) 提高测量精度现在精密级的三坐标测量精度可以达到微米级，但超精 加工、科学研究往往提出纳米级的测量要求，而目前商品化的三坐标测量机的精 度远远低于钻石切削加工和其他超精加工的机床。应该对三坐标测量机的精度提 出进一步的要求，以适应高精度测量和科学技术发展的要求。 2 ) 提高测量效率生产节奏不断加快，要求测量在保证测量精度的情况下， 提高测量效率。提高测量效率设计多方面的问题，如改善测量机的结构、提高控 制的系统的稳定性、采用飞测，实现扫描测量、动态误差的补偿等等。 3 ) 发展探测技术，设计和应用新型测头探测技术在三坐标测量机中占有 重要的位置，从原理上说，只要测头能感受的，测量机就能测量。目前非接触测 头和模拟扫描测头有很大的发展趋势。新型测头的应用，对实现自由曲面的扫描 测量、提高测量的精度等起到很大的作用。 4 ) 完善控制系统，使其具有更大的柔性控制系统包括两个方面，一方面 提高测量机本身的控制功能，采用更合理更安全的控制体系。另一方面，三坐标 测量机己经越来越多地成为现代制造体系的一个有机组成部分，控制系统要求与 其他生产机器联网、通讯、完成计算机辅助设计、制造、工艺规划【l 羽。 1 2 课题来源及意义 本课题是从“回转薄壁零件尺寸测量系统课题衍生而来。 随着现代制造技术的迅速发展，坐标测量机正逐渐成为制造业特别是自动化 生产中实现质量控制的主导设备。对一些复杂几何形状的工件，只有运用高精度 的坐标测量机，才能得到令人满意的检测结果。“回转薄壁零件尺寸测量系统 这个课题的主要目的就是顺应这一要求，研制能够适应复杂回转体工件的专用坐 第一章绪论 标测量机。 为了充分发挥测量机的效率，本课题设计了大尺寸薄壁回转体移位机械手， 主要针对“回转薄壁零件尺寸测量系统”中的被测量大尺寸薄壁回转体而设计的。 大尺寸薄壁回转体移位机械手的功能是对被测量大尺寸薄壁回转体进行移动、定 位和装卡。这课题的解决将会大大节省对大尺寸薄壁回转体测量装卡的时间， 从而间接提高测量整个系统的效率和测量的可靠性。 由于“回转薄壁零件尺寸测量系统中所测量的零件尺寸大，重量较重；工 件表面光滑，并且直径较大，仅靠人力搬运相对比较困难。并且这种零件刚性小、 易变形、形状复杂，搬运和装配要求严格控制零件的位置、方位和姿态，若使用 手工，则运输和装配的可靠性、稳定性得不到保证。 在实际测量过程中，由于要测量的工件较多，需要频繁的上下工件，工作强 度较大，长时间工作将会造成工作效率的降低。并且，当卡具未夹紧时，卡具的 夹紧处尺寸比工件的外径仅大2 m m ，仅靠人力把高度2 m 左右、重约3 0 k g 工件准 确的放入卡具中，无疑是很困难的，并且手工搬运、装卡难免出现碰撞的情况将 会对工件造成破坏性的形变。因此，为了提高零件搬运、装卡的可靠性，并且 间接提高测量的效率特，我们设计了专用的移位机械手。 1 3 论文的主要工作 本课题是从“回转薄壁零件尺寸测量系统”这个课题衍生而来，主要针对被测 量的大尺寸薄壁回转体的移动、定位和装卡所提出。大尺寸薄壁回转体移位机械 手的设计主要包括机械系统的设计和控制系统的设计，机械系统的设计已经由硕 士赵健完成，我的主要工作是完成大尺寸薄壁回转体移位机械手的控制部分的设 计。我的主要工作如下： 1 ) 根据大尺寸薄壁回转体移位机械手的功能要求，设计合适的驱动方案。 对系统参数进行计算，选择合适的电机，并选择设计了合适的电机控制 方案。 2 ) 分析直流伺服电机的数学模型，并使用p w m 调速系统对直流伺服电机 进行控制。 3 ) 设计以c 8 0 5 1 f 0 2 1 和c p l d 为核心的电路，完成对电机的驱动和电源的 管理。 4 ) 设计以c p l d 为核心的面板控制电路，对控制面板上的按键和各种指示 灯进行控制。 2 第一章绪论 5 ) 采用c 51 和v e r i l o g 编写程序，对硬件系统进行控制，完成各项设计的 功能。 第二章总体功能设计 第二章总体功能设计 本项目涉及的零件是薄壁结构，这种零件刚性小、易变形、形状复杂，搬运 和装配要求严格控制零件的位置、方位和姿态。虽然采用手工可以完成复杂的搬 运和装配过程，但运输和装配的可靠性、稳定性得不到保证，尤其对于一些大尺 寸工件，由于重量以及安全等原因，手工搬运并不适合。因此，大尺寸薄壁零件 的搬运与定位装卡需要实现自动化。 2 1 功能要求和设计方案 2 1 1 主要功能要求 作为“回转薄壁零件尺寸测量系统”的衍生课题，本设计要完成的任务为把待 测工件从初始的摆放位置抓起，平稳的运输到测量机处，并准确的将工件放入转 台上的卡具内。主要的要求如下： 1 、由于工件存放位置不固定，要求运输车能够带着工件自由移动，并且运 动灵活、平稳。 2 、运输车抓取工件的夹紧力适中，既不能破坏工件表面又要避免出现夹紧 力不足打滑的情况。 3 、测量机离地面有一定高度，要求运输车能够带动工件平稳的上升和下降。 并在传感器的监控下可以到达设计要求的位置及时停住。 4 、运输车对工件的动作包括夹紧、松开、提升、下降均自动完成，手工动 作只需要推动运输车到达指定的位置。 5 、运输车上的电机以及控制部分需要供电，由于运输车的运动路线具有随 意性，无法采用电缆供电，需要采用直流电机和直流电瓶组成驱动部分。 6 、转台上采用的为气缸夹紧的卡具来固定工件，因此，对工件的搬运和摆 放精度有一定的要求，工件的中心与夹具的中心对准只允许2 m m 的偏差， 否则将难以实现准确地将工件放入夹具的动作，因此，需要在运输车中 设计定位和对准机构。 4 第二章总体功能设计 2 1 2 设计方案 图2 1 大尺寸薄壁回转体零件移位机械手结构图 地板 根据上述功能要求，我们设计了一台专用的大尺寸薄壁回转体零件移位机械 手，其机械部分的主要结构如图2 1 所示。机械手机械部分的工作主要由硕士赵 健完成。 大尺寸薄壁回转体零件移位机械手的机械结构主要包括车架、垂直运动组 件、柔性夹具，定位地板。车架采用了一个转向轮和两个定轮，可以保证推动运 输车时运动平稳，转向灵活。车轮选用的是铁芯外包p v c 塑料结构，这种结构 克服了充气车轮不耐磨，承重小的缺点，并且摩擦系数小，推动省力，运动平稳。 每个轮可以承受1 5 t 的重量，完全满足要求。车身采用q 2 3 5 冷轧方管焊接而成， 上铺冷轧钢板，这种结构可以保证车身在较轻的质量下具有很高的刚度；垂直运 动组件由螺钉固定在车架上，滑套可以沿立柱上下移动，夹具与滑套相连，滑套 上下移动就可以实现带动工件上升和下降的动作；柔性夹具为机械部分设计的核 心部分，既要保证提供合适的夹紧力又要有一定的定位精度，以保证准确的抓取 动作；定位地板用来保证工件准确的放入夹具中。 薄壁零件刚度较弱，搬运和装卡要求严格控制零件的位置、方位和姿态，但 薄壁零件由于外形与结构等原因，不能承受很大的夹紧力，否则会有较大的变形， 因此在本系统中我们使用了软抓取( 或无损伤抓取) 技术。 为使工件能够准确的对准夹具，我们设计了定位机构。本设计采用了定位地 第二章总体功能设计 板进行导向，在地板上铺设了用于精确导向的导轨，并在运输车底板上安装滑轮， 来完成最后阶段的精确导向。 机械臂的最主要的任务是将工件从地面升起，放入夹具中，因此，在运输车 中需要设计能够带动工件上升和下降的结构。本系统中采用的结构为设计了一个 立柱、滑套的结构，滑套能够沿着立柱在垂直方向滑动，因此只需将柔性夹具安 装在滑套上，就可以实现滑套带动工件在垂直方向上下运动。滑套由一直流电机 带动的丝杠驱动，可以提供很大的扭矩来拉动整个运动部分。并在夹具的另一侧 设计了平衡块，以保证滑套两侧力矩大体平衡，以减少运动过程中的晃动【3 】。 2 2 驱动方式选择 2 2 1 驱动电机的选择 在本系统中选用的电机是启动力矩大，高效率的直流伺服电机，这是因为直 流伺服电机对输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便，具体说来，主要有 以下优点【4 】： 1 ) 准确的检测装置，以组成速度和位置闭环控制； 2 ) 调节范围广、低速性能好、抗干扰能力强； 3 ) 减少误差环节，有利于提高系统精度； 4 ) 反应灵敏、响应速度快、自动化程度高。 根据所需要的驱动力矩和传动结构的要求，驱动电机选用的是山东淄博杰瑞 微电机有限公司生产的j 7 0 s z p x 型直流伺服电机，其参数表如表2 1 所示【5 】。 表2 1j 7 0 s z - p x 型直流伺服电机参数 输出转速( r r a i n ) 1 5 0 0 输出转矩( r a n * m ) 4 4 5 额定功率( w )9 2 额定转速( r m i n ) 6 0 0 0 额定电压( v ) 4 8 减速比 6 4 输出扭矩( n 木m )5 质量( k g ) 4 6 电机的驱动方式采用技术比较成熟的p w m 驱动，可以很方便的用于直流伺 6 第二章总体功能设计 服电机的调速控制。 2 2 2 设计方案 由于电机驱动的整个工件和滑套重量很大，上升行程约为0 9 m 。因此，在工 件上升的情况下，需要很大的力来提升工件，对驱动电机提出了一定的要求。要 求在满足驱动力矩的情况下，应尽可能的提高上升的速度，而丝杠的导程是固定 的( 3 m m ) ，因此也就意味着，在保证电机的输出扭矩的情况下，尽可能的加大 电机转数。但这也意味着电机输出功率的增加，工作电流增大。由于运输车只能 采用直流电平供电，输出的功率难以达到很大，并且当输出电流很大时，电机的 控制也比较困难。因此，电机的选择要兼顾以上方面，选择出最合适的型号。本 设计选择的为山东淄博杰瑞微电机有限公司的产品。可实现无极调速调整范围 宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及 国产机械。 驱动力矩的计算：首先要估算出需要提升的重量，本设计中包括工件、夹具、 滑套、配重物等，质量约为1 0 0 k g 。g 取1 0 n k g ，所以提升重量为p = 1 0 0 0 n 驱动 力舭m = 杀= 等诅7 7 ( 2 - 0 1 ) 式中h 为丝杠的导程，固定为3 m m ，r 为丝杠的机械效率取值范围为0 1 珈3 ， 为安全起见，此处选取0 1 。 由上述计算可知，只需要选取输出力矩大于4 7 7 n o n 的电机就可以实现上 升下降的任务。综合多方面考虑，最终选取的型号j 7 0 s z , - - p x ，该电机功率为5 5 w 输出扭矩约为5 n m ，转数8 3 t m i n 。由此可以计算出工件整个上升的时间为： t = = 3 6 5 分( 2 - 0 2 ) 甩以 此过程可以在运送工件的途中同步进行，因此不会降低整个测量过程的效率。 2 3 控制系统的控制方式及工作原理 控制系统对保证运输车正常工作起着关键作用，在控制系统中，上位控制方 案一般有如下几种：单片机系统，p c 机和i o 卡，p c 机和运动控制卡。虽然 p c 机和运动控制卡这种方案随着p c 机的普及使用越来越多，是运动控制系统 的一个主要的发展趋势。但这种方案用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，而且 柔性要求高的设备，并且在运动的运输车上显然也是不适用的。本次设计的动作 比较简单，运动的精度较低，不需要精密的伺服控制，因此只需要采用单片机控 第二章总体功能设计 制即能满足要求。控制系统框图如图2 2 所示，单片机控制电机的转动，感应开 关的反馈信号决定电机的动作，只要合理的设计感应开关的位置，就可以完成控 制运输车的动作的要求。 图2 2 控制框图 电机选用启动力矩大，高效率的直流电机，控制的核心为控制电机的转速以 及停车和启动，并且提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机和蓄电池。 电机控制器目前主要有两种类型：一种是采用生产厂商提供的已有的专用集成电 路作为主控芯片的控制器；一种是采用需要设计人员编程的单片机作为主控芯片 的控制器。前者是厂商根据直流电机的控制要求，将控制逻辑电路和一些保护电 路集成到一个芯片内，它提高了系统的抗干扰性，使控制器更加可靠，同时也减 轻了研发人员的负担，节省了开发时间，提高了开发效率，一般这类控制器称为 模拟式控制器；后者采用单片机，由设计人员根据电机的控制要求，编写相应的 控制程序和保护程序，这类控制器的特点是使用灵活，设计人员可以根据要求增 加相应的功能，从而使不同结构电机的控制得到优化，以实现控制器与电机良好 达到最好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。直流电机控制器是目前 市场发展的主流，随着电子元器件成本的不断下降和性能的不断提高，它将得到 更广泛的应用1 6 。 本设计采用可编程的单片机作为主控芯片的控制器，设计相应的驱动电路和 利用单片机内部有p w m 模块，通过改变脉冲宽度寄存器或脉冲周期寄存器的 值，就可以改变输出的p w m 占空比，从而控制电机的转速。如图2 3 所示： 第二章总体功能设计 2 4 本章小结 图2 - 3 电机控制框图 本章介绍了大尺寸薄壁回转体移位机械手的主要功能和设计要求，并且由硕 士赵健完成了系统的机械设计部分。同时对控制系统的组成及其工作原理做了详 细系统地介绍，并根据功能要求选择合适的电机，制定出了主要的控制方案，选 择了控制系统所需要的单片机的类型。 9 第三章控制系统硬件电路 3 1 概述 第三章控制系统硬件电路 硬件电路是大尺寸薄壁回转体移位机械手控制系统工作的基础，其设计的好 坏，将直接影响到装置功能的实现。本系统的硬件电路的设计围绕着大尺寸薄壁 回转体移位机械手控制系统的功能要求进行。本章主要介绍基于单片机和c p l d 的大尺寸薄壁回转体移位机械手控制系统的硬件电路的设计，首先介绍系统的整 体框架，然后再给出硬件部分各个模块设计的具体说明。 单片机控制电路为本设计的核心部分，它承担着数据的采集、处理、传输任 务，同时对c p l d 进行控制，使系统可靠、有序地工作。整个系统的硬件电路由 主控制板、面板控制板和蓄电池充电板三块电路板组成。整个硬件电路由电机驱 动电路、两块电路板之间的通信电路、电源管理电路和面板控制电路四部分组成。 其结构如图3 1 所示。 图3 1 单片机控制电路结构图 1 0 第三章控制系统硬件电路 3 2c p u 及c p l d 选型 3 2 1 单片机与c p l d 的区别 在传统的控制系统中，人们常常采用单片机作为控制核心。但这种方法硬件 连线复杂，可靠性差，且单片机的端口数目、内部定时器和中断源的个数都有限， 在实际应用中往往需要外加扩展芯片，这无疑对系统的设计带来诸多不便。现在 有很多系统采用可编程逻辑器件f p g a c p l d 作为控制核心。它与传统设计相比 较，不仅简化了接口和控制，提高了系统的整体性能及工作可靠性，也为系统集 成创造了条件。下面我们来看单片机和f p g a c p l d 的对比【7 】： 1 ) 单片机的学习效率较低单片机直接面对硬件，大多数都使用汇编语 言，不同厂家生产的单片机其汇编语言也不同。并且，单片机编程还与硬件的连 接方式有关。而f p g 们p l d 可使用标准硬件描述语言超高速集成电路硬件 描述语言( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，对所有型号的f p g a c p l d 编程。同时v h d l 是一种行为描述语言，可以远离硬件编程，打破了软硬件之 间的屏障，使学习和设计的效率大大提高。 2 ) 单片机本身的速度相对f p g a c p l d 来显得太慢单片机是用指令排 队形式来执行指令的，影响了速度的提高。而f p g a c p l d 在实时处理时均为并 行工作，速度快。 此外，单片机各引脚的功能是确定的，而f p g c p l d 可以根据需要用软件 改变各引脚的功能。如需要的话，也可在f p g a c p l d 中设计出一个或多个c p u ， 达到控制的目的。 高速发展的f p g a c p l d ，不但包括了单片机的所有能力，且兼有串、并行 工作方式和高速、高可靠性及宽口径适用性等多方面的特点。目前，我国 f p g a c p l d 的应用虽还不平衡，但随着集成技术的飞跃发展，硬内核f p g a 、 激光可编程门阵列等芯片的开发和软硬功能核库的建立，今后的电子系统设计， 不管模拟还是数字电路，将统一于e d a 技术。 3 2 2c p l d f p g a 的优势 基于e d a 技术的c p l d f p g a 器件的开发应用，可以从根本上解决s c m 所 遇到的问题。与s c m 相比，c p l d f p g a 的优势是多方面的和根本性的【8 】： 1 ) 编程方式简便、先进c p l d f p g a 产品越来越多地采用了先进的在 系统配置编程方式。在+ 5 v 工作电平下可随时对正在工作的系统上的 第三章控制系统硬件电路 c p l d f p g a 进行全部或部分地在系统编程。并可进行所谓菊花链式多芯片串行 编程，对于s r a m 结构的f p g a ，其下载编程次数几乎没有限制。 2 ) 高速c p l d f p g a 的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式， 在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。 3 ) 高可靠性除了不存在s c m 所特有的复位不可靠与p c 可能跑飞等固 有缺陷外，c p l d f p g a 的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片 中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。 4 ) 开发工具和设计语言标准化，开发周期短由于开发工具的通用性、 设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的c p l d f p g a 器件的硬件结构没 有关系，使得设计成功的各类逻辑功能块有很好的兼容性和可移植性，它几乎可 用于任何型号的c p l d f p g a ，从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。 5 ) 功能强大，应用广阔目前，c p l d f p g a 可供选择范围很大，可根 据不同的应用选用不同容量的芯片。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或 数字系统的设计。 国易学易用，开发便捷c p l d f p g a 应用的学习不需太多的预备知识， 只要具有通常的数字电路和计算机编程基础知识，就足以在短期内掌握基本的设 计方法和开发技巧。 3 2 3c 8 0 5 1 f 系列单片机简介 本系统中使用的单片机是c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机。c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机是完全集成 的混合信号系统级m c u 芯片，具有3 2 个数字i o 引脚，下面列出了一些主要特 性9 】： 在一个芯片内集成广两个多通道a d c 子系统( 每个子系统包括一个可编程 增益放大器和一个模拟多路选择器) 、两个电压输出a d c 、两个电压比较器、 电压基准、s m b u s 1 2 c 总线接1 2 1 、u a r t 、s p i 总线接1 ：3 、5 个通用的1 6 位定时 器、一个具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列( p c a ) 、内部振 荡器、8 个8 位通用数字i o 端口和6 4 k b f l a s h 程序存储器以及与8 0 5 1 兼容 的高速微控制器内核。 c 8 0 5 1 f 0 2 1 的内部原理图如图4 2 所示。 1 2 譬三章控制系统硬件电路 图3 - 2 c 8 0 5 1 f 0 2 1 原理框图 c 8 0 5 1 f 系列单片机与标准8 0 5 1 相比，在c p u 内核的内部和外部有几项关 键性的改进，提高了整体性能，更易于在应用中使用。 扩展的中断系统向c i p 5 i 提供2 2 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) 允许大量的模似和数字外设中断微控制器。中断驱动的系统需要较少的m c u 干 预，却有更高的执行效率。在设计多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常 有用的。 m c u 可有多达7 个复位源：个片内 v d d 监视器、一个看门狗定时嚣、一 个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、 c x v s t r 引脚及r 5 t 引脚。除了v d d 监视器和复位输入引脚以外，每个复位 源都可以由用户用软件禁止。 m c u 内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。 如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。外部振荡器可咀使用晶体、 陶瓷谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时钟。这种时钟切换功能在低功 耗系统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当 需要时再周期性地切换到高速( 可达1 6 m r i z ) 的内部振荡器。片内时钟和复位系统 如图3 3 所示。 尊三章控制系统硬件电路 图3 0 片内时钟和复位系统 3 2 4c p l d 简介及选择 可编程逻辑器件z , p r o s r a t m a a b l e l d g k d e v i c e ，p l d ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起 来的一种新型器件。它是a s i c 地一个重要分支，是厂家作为一种通用性器件产 出的半定制电路，用户可以通过对器件编程实现所需的逻辑功能。它的应用和发 展不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统设 计方式带来了革命性的变化【l q 。 c p l d 是在线可编程技术出现以后的9 0 年代初出现的。它是在e p l d 基础上 发展起来的，它采用e 2 c m o s 工艺制作，与e p l d 相比，增加了内部连线，对 逻辑宏单元和i o 单元也有重大的改进。c p l d 至少包含三种结构：可编程逻辑 宏单元、可编程y o 单元和可编程内部连线。部分c p l d 器件内部还集成了r a m 、 f i f o 或双口r a m 等存储器，以适应d s p 应用设计的要求。 现场可编程门阵列f p g a 器件是x i l i a x 公司1 9 8 5 年推出的一种新型的高密 度p l d ，采用c m o s s r a m 工艺制作。其内部由许多独立的可编程逻辑模块( c l b ) 组成。f i g a 和c p l d 都是由逻辑单元、y o 单元和互连单元三部分组成的。y o 单元的功能基本一致，单元、互连以及编程工艺各不相同。f p g a 逻辑单元是小 单元，每单元是只有1 到2 个触发器，其输入变量数通常只有几个，因而采用查 找表机构。这样的工艺结构占用芯片面积小，速度高( 通常1 - 2 m ) ，每块芯片上 第三章控制系统硬件电路 ( 指集成规模相同的芯片) 能集成的单元数多，但逻辑单元的功能弱。如欲实现 一个较复杂的功能，需要几个这样的单元组合才能完成，总延时是各个单元延时 和互连延时的和，互连关系复杂。c p l d 中的逻辑单元是大单元，通常其变量数 约2 0 到2 8 个，单元功能强大，般的逻辑在单元内均可实现，其互连关系简单， 一般通过集总总线即可实现。电路的延时通常就是单元本身和集总总线的延时， 但同样的集成规模的芯片中触发器的数量少得多。其特点是总线上任意一对输入 端与输入端之间延时相等，且是可预测的【1 1 】。 从上面的分析可知，小单元的f p g a 较适合数据型系统，这种系统所需要的 触发器数多，逻辑相对简单；大单元的c p l d 较适合逻辑型系统，这种系统逻辑 较复杂，输入变量多，对触发器的需求量相对较少。实际应用中c p l d f p g a 的 选择主要看项目本身的需要，和设计者的习惯也有关系。对于普通规模的应用， 通常使用c p l d 比较好。因为除价格比较便宜外还有一下有点【1 2 】： 1 )目前最常用的c p l d 多为在系统可编程的硬件器件，编程方式极为便捷。 这一优势能保证所设计的电路系统随时可通过各种方式进行硬件修改和 硬件升级。 2 ) c p l d 中有专门的布线区和许多块，无论实现什么样的逻辑功能或采用 怎样的布线方式，引脚至引脚间的信号延时几乎是固定的，与逻辑设计 无关。这种特性使得设计调试比较简单，逻辑设计中的毛刺现象比较容 易处理。 本设计考虑到实际情况采用的是c p l d 。 在选择可编程逻辑器件时，所选器件的逻辑资源量能否满足系统的要求时首 要考虑的因素，但在实现调试前很难准确确定芯片耗费的资源。p l d 器件的应 用大都是在先使用开发软件进行大概估算一下需要资源量，选择有一定冗余的器 件以便充分满足系统的设计要求，同时也要考虑系统设计完成后，有可能增加新 的功能，以及后期的硬件升级可能性。本系统设计时选用的时可编程逻辑器件的 主流厂家a l t e r a 公司生产的一款性价比很高的m a xi i 系列c p l d 器件e p m 2 4 0 。 m a x 器件采用全新的体系结构，在所有的c p l d 系列中具有最低的单位 i o 成本和最低的功耗。这款即用非易失的器件系列价格是其它c p l d 的一半， 是面向一般的小容量逻辑应用。m a x i i 器件除了提供最低成本的传统c p l d 设 计之外，还为更大容量的设计改善了成本和功耗，能够替代成本更高或功率更高 的f p g a 、a s s p 和标准逻辑器件。 m a x i i 器件基于全新的c p l d 体系结构，重新定位了c p l d 的价值体现。 过去，c p l d 由于能力所限，只能提供小型f p g a 的竞争性成本结构。新的 m a x c p l d 体系则具有和小容量f p g a 相竞争的定价，以及作为单芯片即用 第三章控制系统硬件电路 型非易失器件的工程优势。在更大的容量上，查找表( l u t ) 的逻辑阵列块( l a b ) 和行列走线具有更高的裸片面积效率。因为m a x c p l d 采用了l u t 体系，它 们具有四倍的容量，以及即用性和非易失性，这使得m a xi i 器件成为成本更低 和容量更大的c p l d ，而不仅是竞争方案。 本系统中使用的e p m 2 4 0 的特性及其功能优势，如表3 1 和表3 2 所示【13 1 。 表3 1e p m 2 4 0 的基本特性 特性e p m 2 4 0 逻辑单元( l e )2 4 0 典型等效宏单元 1 9 2 最大用户i o 管脚8 0 用户f l a s h 存储量 8 ，1 9 2 速度等级3 ，4 ，5 表3 2e p m 2 4 0 的主要功能及其优势 功能 优势 成本优化的体系结构革新性的m a xi i 体系结构具有4 倍的容量和一 半的价格 低功率 降低功耗，增加系统可靠性 大容量在单个低成本的器件内实现更多的应用 非易失和即用功能以单芯片方案降低成本，节省板子空间 用户f l a s h 存储器将分立的串行或并行非易失存储集成到m a xi i 器件中，使系统成本和芯片数量降至最小 实畴在系统可编程性( i s p )在器件运行中通过升级减小维护费用 m u l t i v o l t t m 核无缝地和1 5 v 、1 8 v 、2 5 v 或3 3 v 逻辑电平的 其它器件相连接 m u l t i v o l ti o 接口 无缝地和1 5 v 、1 8 v 、2 5 v 或3 3 v 逻辑电平的 其它器件相连接 m u l t i t r a c k 互连 以一般和本地走线优化性能，包括新的名为 f a s t l o 连接的直接逻辑单元至i o 逻辑路径 ，r a g 转换器用户m a xi i 器件配置外部不兼容i t a g 的f l a s h 器件，简化板子的管理 1 6 第三章控制系统硬件电路 3 3 单片机的外围电路 3 3 1 复位电路 复位电路允许很容易的将控制器置于一个预置的缺省状态。在进入复位状态 时，将发生以下过程【1 4 】： c i p 5 1 停止程序执行； 特殊功能寄存器( s f r ) 被初始化为所定义的复位值； 外部端口引脚被置于一个已知状态； 中断和定时器被禁止。 所有的s f r 都被初始化为预定值。在复位期间，内部数据存储器的内容不发 个改变，复位前存储的数据保持不变。但由于堆栈指针s f r 被复位，堆栈实际 上己丢失，尽管堆栈中的数据未发生变化。 i o 端口锁存器的复位值为o x f f ( 全部为逻辑1 ) ，内部弱上拉有效，使外部 i o 引脚处于高电平状态。外部i o 引脚并不立即进入高电平状态，而是在进入 复位状态后的4 个系统时钟之内。对于v d d 监视器复位，r s t 引脚被驱动为低 电平，直到v d d 复位超时结束。 在退出复位状态时，程序计数器( p c ) 被复位，m c u 使用内部振荡器在默 认的2 m h z 系统时钟内运行。看门狗定时器被允许使用具最长的超时时间。一旦 系统时钟源稳定，程序从地址0 x 0 0 0 0 开始执行。 为了系统的安全和c m o s 单片机的功耗管理，对系统的复位功能提出了越来 越高的要求。c 8 0 5 1 f 系列单片机把8 0 c 5 1 单一的外部复位发展成多源复位。 c 8 0 5 1 的多复位源提供了7 种复位方式( 如图3 - 4 示) ：上电掉电复位、外部瓜s t 引脚复位、软件命令复位、比较器0 复位、时钟检测复位、看门狗定时器复位和 外部c n v s t r 引脚复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及 零功耗系统设计带来极大的好处。 筻三章控制系统硬件电路 譬，斗耋鞠臻 嬲如罐i ：l ；：l l i 卜l gs t i e1 8 l l l l l l l 麟： 广飞霹。 圈3 4 复位掠框圈 上电复位是指单片机在接通电源时对m c u 复位。掉电复位是指当发生掉电 或因电源波动导弦电源电压降到最低电平咀下时对m c u 复位。外部复位是由加 到r e s e t 引脚多于两个x t a l 周期的低电平对m c u 复位。软件复位是指向 p 0 1 l s f 位写1 将强制产生上电复位。比较器0 复位是指向c o r s e f 标志写1 可 以将比较器0 配置为复位源。时钟检测复位是指如果未收到系统时钟的时间大于 1 0 0 岍时钟丢失检测器将超时并产生复位。看门狗定时器复位是指如果看门狗 定时器超时且看门狗为触发状态时，就对m c u 复位。外部c n v s t r 引脚复 位是指向c n v r s e f 标志写l ，可以将外部c n v s t r 信号配置为复位源。 在本系统中使用了多种复位方式，主要采用的复位方式是上电复位和外部按 键复位两种方式。 3 3 2 时钟电路 c 8 0 5 i f 0 2 l m c u 可以选用外部时钟和内部时钟两种方式。c 8 0 5 1 f 0 2 i m c u 有个内部振荡器和一十外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能产生系统时 钟。m c u 在复位后从内部振荡器启动，内部振荡器的启动是瞬问完成的。当r s t 引脚为低电平时，两个振荡器都被禁止。m c u 可以从内部振荡器或外部振荡器 运行，可使用o s c i c n 寄存器中的c l k s l 位在两个振荡器之间切换。振荡器电 路结构如圈3 - 5 所示。 p 睡匿 纂三章控制系统硬件电路 图3 5 振荡器框图 对于内部时钟方式，内部振荡器可以被允许和禁止，其振荡频率可以通过对 内部振荡器控制寄存罄( o s c i c n ) 编程为2 m h s ，4 m i i z ，8 m h z 或1 6 m h z 。 对于外部时钟方式，外部振荡器需要有外部振荡源连接到x t a l l x t a l 2 引 脚( 如图3 - 5 所示) 才能工作。外部振荡源可以是外部谐振船( 如图3 5 选项4 所示) 、并行方式的晶体( 如图3 - 5 选项1 所示) 、电容( 如图3 5 选项3 所示) 或r c 阿络( 如图3 5 选项2 所示) 。通过对o s c x c n 寄存罂编程来选择振荡 源，也可咀使用一个外部c m o s 时钟接到x t a l i 引脚提供系统时钟。即使在 m c u 己经切换到内部振荡器时外部振荡器仍可保持允许状态并运行。x t a l l 和x t a l 2 引脚的耐压值是36 v ，而不是5 v 。 本系统中使用的是外部时钟方式中的使用外部c m o s 时钟的方式其电路如 图3 - 6 所示。 本系统中使用谐振频率为2 2 1 1 8 4 m h z 的有源晶振，其v c c 端不要直接接电 源，要做好电源滤渡，典型的接法是使用一个电容和电感构成的p i 型滤波网络， 且输出端用一个小阻值的电阻过滤信号，不需要复杂的配置电路。有源晶振不需 要处理器的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单。 封每干篙b 羔 婆“巨 第三章控制系统硬件电路 图3 - 6 使用外部c m o s 时钟的方式 c m o s 时钟电路对p c b 布局非常敏感。因此，应将晶振和电容尽可能地靠 近单片机的x t a l l 引脚，布线应尽可能地短，并由地平面屏蔽，以减少寄生电 容，防止其他引线引入噪声或干扰。 3 3 3 电源模块 本系统包含的元器件种类较多，涉及的电源信号有+ 4 8 v 、+ 1 2 v 和+ 3 3 v 三 种电源。其中，+ 1 2 v 由+ 1 2 v 蓄电池提供，+ 4 8 v 由四块+ 1 2 v 蓄电池提供。+ 3 3 v 的电源由d c d c 转换芯片m i c 2 9 3 0 2 b u 提供。如图3 7 所示，电压输入为+ 1 2 v ， 输出+ 3 3 v 的直流电源。 图3 7 d c - d c 转换 第三章控制系统硬件电路 d c d c 转换芯片m i c 2 9 3 0 2 b u 的驱动电压最小为= o 8 v ，最大为 v 晶= 2 6 v 。在本系统中，我们使用v 0 - 1 2 v 。 m i c 2 9 3 0 2 b u 输出电压k 的计算公式如