【某激光切割机运动控制器控制系统硬件设计与实现分析案例6900字】

某激光切割机运动控制器控制系统硬件设计与实现分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6235某激光切割机运动控制器控制系统硬件设计与实现分析案例 1268751.1单片机简介 1120701.2控制芯片的选型及STM32F103C8T6介绍 2230291.3FSMC总线电路设计 5126141.4电源电路设计 6299571.5主控模块电路设计 766271.5.1SWD烧写、联调电路设计 7131601.5.2后备电池接口电路设计 813281.5.3LED指示电路设计 8206771.5.4复位电路设计 959961.5.5启动选择端口电路设计 9170701.6RS232接口电路设计 1043371.7基于W5500的上位机通讯接口电路设计 1133261.7.1UDP通信接口电路设计 1180721.7.2STM32F103与以太网芯片W5500连接电路设计 13251591.8基于PCap的调高电路设计 13控制系统的硬件电路的设计目标就是给第二步的软件在设计阶段打下坚实基础，使系统在运行过程中能够更加稳定、持久。在上一章节内我们详细阐述了运动系统功能、相关控制器设计解决的办法等等，本章节开始对系统相关的硬件线路开展分析和设计。本章具体将对如何选择控制单元、微控制设备的部件进行设计的,通常情况下是对总线、电源、主控和通信电路以及模拟信号的采集、调高的系统做了详细的说明。1.1单片机简介单片机也被叫作微控制器(Microcontroler)。微控制器出现的初衷是将中央处理器和周边设备做在一个芯片中，减少体积和数量。以STM32单片机为例，它具有32位的Flash存储器，处理器采用了ARM架构的芯片，能够让用户更多地根据自己的要求进行开发。该系列单片机有很多32位的产品，具有运算速度快，能实时处理信号，DSP功能，耗能低，运行电压低等优点，而且设备高度集中，用户使用方便等优点。1.2控制芯片的选型及STM32F103C8T6介绍激光切割系统具有极高精度和准确性，上位机软件将所绘图形包含需要的点位、参数选择、末值的设定等信息对下位机进行传送操作。这个流程所蕴含着的大量繁杂的非逻辑性数据，由于信息没有经过系统处理，读取显得十分麻烦。此时需要系统能够具有更高性能、运算能力更强、功耗足够维持运作并且支持浮点运算的强大核心处理设备来支持系统运作。而该芯片控制装置是由cortcx-m4内核而研制出来的，它拥有非常多的卓越性能。它的主要用途是在对功耗有很高的要求，而且性能方面也居家常住的F1系列的单片机都能进行浮点运算，能够适用于加工精度高，运算速度快，高度稳定的工作平台。该系列单片机完全可以运用于需要大量复杂计算的环境，以对设备进行控制。我们选择的这个课题对单片机提出了如下要求：多个输入输出接口，专用的浮点运算处理器（FPU），能够适应复杂多变的应用环境。为此我们选择了这款单片机来完成相应工作。该款单片机的优点有这些：成本低廉，做为一款32位单片机，价格仅相当于8位单片机，这是我们选择的单片机的突出优势；集成了很多外部设备和功能，诸如USB,CAN控制总线等等，所以集成度高；型号多种多样，该系列单片机的内核具有F100到F217共8个系列，超过100种，封装方式也多种多样，包含BGA等封装，还推出了低功耗的（32L）和具有无线网络功能（32W）等型号；良好的时实响应功能，得益于多达84个中断，可设置的16级优先级，而且任一引脚都能输入中断信号；该系列的单片机各个外接设备都有一个开关，可以控制该外设的clock信号，这样可以通过切断相应外设的clock信号使其停止工作来降低损耗；开发需要相关费用极少。该单片机在开发阶段就不需用十分高价的仿真设备，而只需准备一个串口执行代码的下载工作，设备支持两种兼容较高的调试口，兼容度较高的调试口能为开发带来许多便利——满足两个输入、输出口即可对调试进行仿真操作。STM32F103C8T6的最小系统原理图和工作原理：图1.1stm32最小系统原理图（1）单片机供电原理图如图1.2所示：图1.2供电原理图这块单片机供电方式有两种：（1）是通过USB口供电，5V的电通过LDO转换为1.3V(2)直接供电1.3V因为芯片的电压就是1.3V。如果用5V供电的话，就可以输出一个1.3V的电压。（2）时钟电路原理图如图1.3所示：图1.3时钟电路原理图RTC是STM32单片机的脉搏，是单片机的驱动源。使用任何一个外设都必须打开相应的时钟。这里的时钟电路中上面是高速内部时钟RC震荡器，频率为8MHz；下面是低速外部时钟接的频率为32.768KHz的石英晶体。（3）下载接口原理图如1.4所示：图1.4下载接口电路原理图（4）复位电路图1.5复位电路原理图这里我们采用的是给NEST引脚上的低电平(外部复位)来产生系统复位。STM32的引脚说明GPLO是通用的输出/输入端口的简称，是单片机可控制的I/O。为了实现与外部通讯、控制外部设备、采集外部硬件的数据功能。我们需要将外部的硬件设备的引脚和GPIO引脚连接起来，这样才能实现单片机控制外部设备。STM32F103C8T6芯片的资源配置为：2个12位的ADC控制器（9个口）、7个通道DMA控制器、37个IO口、3定时装置，每个定式装置最多有四个用于输入、输出或进行计数的通道和编码器，以及一个主要对电机进行操控，带四驱控制、急刹的高级控制定时装置。1.3FSMC总线电路设计cortex-m4cpu与MCX314的接口电路如图1.6所示以上两种相互间通信接口的电路选用的是FSMC总线。对其进行连接时需要用到能够相互对应的16根数据总线和三根数据地址器控制线、阅读器和性能测试控制线、片内筛选器等便器就可以直接进行完成数据通讯。结合以上的技术要求在Mcx314，并且对外部的16兆赫兹新型有源晶振进行综合考察。mcx314是一种专门用于运动控制的系统芯片，该芯片由nvac公司研发，最多对四个轴独立驱动进行操控，对每个轴的信息接收、处理和反馈都预先设置在芯片之上，包括轴传感输出、电机反馈、脉冲方向等信息。该芯片对电机进行脉冲驱动，能控制步进电机的位置和速度以及加速度。能够进行多轴联动的控制。特点如下：独立操控四轴驱动：可以对四各不同的步进电机进行独立控制、可以四轴插补运算、四轴可以S型加减操控、可以两轴插补圆弧等；速度驱动控制：四个驱动轴的高速驱动控制脉冲最大速度最高限制可达400okpps，最小速度限制为1.00pps。速度上它们都同样具有很大的综合技术性和优越性，在一般高频用户所在外界所看到需要同时具有16兆赫兹高频有源晶振输出，信号（脉冲）输出、输入间的频率远高于千分之一，可以调节很大的速度范围。S型曲线加减速控制：我们可以通过编程的方式来控制芯片内部的S型加减速算法；也就是说通过编写芯片内部寄存器从而控制驱动脉冲来达到我们需要的效果。而且我们还能利用S曲线加减速算法特点来防止过程中发生三角波形。插补功能 ：范围区间在-8388607~+8388607的高精度直线插补功能。插补频率为：1HZ~4MHZ圆弧插补功能。图1.6STM32与MCX314的FSMC的总线原理图1.4电源电路设计图1.7模拟电源原理图中有三个稳压芯片:u11、u13、u14，还有一个采用国际标准直流电源插座口CN6他的功能是将外部的电源输入到u11，经过DC-DC两个芯片将其转换成5v直流电源输出。u11芯片主要设计采用的器件是一个lm2596s输出电压波动变换控制芯片,输入的输出电压波动变化响应范围很大，只要其直接输入的输出电压可以控制在1vdc6~40v之间。这样使该芯片便捷的可以向在微控制器外围的一个模拟输出电路接口输出稳定的三相交流输入电压，给予5v的直流供电。F1为3a的新型不可逆式修改防护保险丝,用来同时保护电源控制器24V在两个电源的输出端连接上一个逆向的瞬态抑制二极管，当电流超标时，tvs就会发生变化--高阻抗转变为低阻抗，阻抗值的变低使它能快速吸收电路里强大的电流起到保护整个电路的目标。选用线性电压调节器LM2596s来作为稳压芯片U11，我们在进行系统电路的设计时把一个68uf/50v的固态电容连接在了ON/OFF引脚和VIN引脚之间，让固态电容减少输入芯片的频率和波形中的杂波。把470uF/10V的钽电容和0.1uF的瓷片电容连接在了GND引脚和OUTPUT引脚之间。另一方面lm2596s内部已经集成了一个自我保护电路，当这个电路产生的太大的电流或超大的负荷时所引起的芯片温度的增加时，自我保护电路会作用来保护芯片不被烧坏。将具有隔离作用的WRB2405MD-6V电源转换模块作为U13,转换后可以稳定的输出5v直流电压，u14为1.3v直流稳压供电芯片，其中用于u14输出的1.3v给数字模拟器和数字控制部分分别提供了稳供电压使用，ul1输出的两个电压芯片可以分别给数字模拟部分分别提供电压使用，分开分别进行稳压供电，以此更便于用户得到一个相对稳定的电源控制供电效果。ul4所图中采用的内部电源电压控制器为ams1117电压电流调整控制芯片，由于对内部负载电流不确定性造成影响等多种因素，有时候稳压可能会对其内部造成很大的负载电流，该调整芯片内部分别同时集成了热放电保护和稳压当负载电流电压变化太大时，产生了自放电保护。在高频高频瓷片电压的电源输入的两端分别同时接入0.luf的高频瓷片稳压电容和470uf/1ov的高频按钮稳压电容，在电源输出的两端分别同时加入0.luf的高频瓷片稳压电容、470uf/10v和10uf/16v的高频直流瓷片稳压电容.图1.7模拟电源电路原理图设计图1.8数字电源电路原理图设计1.5主控模块电路设计1.5.1SWD烧写、联调电路设计目前所使用主流仿真器模式中有JTAG调试接线方法和SWD模式两种。分析两种方式，前者连接复杂且占用的IO口太多，基于现在我们对IO的需求来看选这种方式会造成我们的IO供不应求，导致我们不能开发和利用控制器的更多功能。虽然这模式的速度很快，但是他的缺点更加显著。后者就不一样了，如果我们采用外接电源供电的话我们只需要三根线就能解决问题，这样极大的减少了IO口的使用，简化了接线，而且在速度上SWD模式并不比JTSG模式慢。为了控制器的扩展性和简化性我们的仿真器采用SWD模式。这样我们只需要一根接GND、一根接SWDCLK、最后再接一根SWDIO，我们就可以实现代码的下载和调试，SWD接口原理图如图1.9所示图1.9调试电路原理图设计图1.9中，我们利用一个10P（CNI）的排针来作为过度，引出SWD所需要接的几个线（信号线、电源线、接地线）然后将些线对应的引脚与ULINK2、STLINK和JLINKV7/V8等仿真器对应的引脚相连，就可以对主控板进行调试了。1.5.2后备电池接口电路设计这部分电路用于控制器在开关电源断开供电时，主控板上的STM32芯片的一些必要模块能在这部分电路的作用下还能继续工作并且要保持系统时钟的继续运行和系统的主要数据不能丢失。图1.10中VBRT就是给核心板后备区域供电的它需要接在MCU的VBRT引脚才能供电，在1-VCC1.3V断开连接时（外部断开供电），纽扣电池BTl正极就和VBRT相连了，STM32供电由CR1220来完成。当1-VCC1.3V连接时（外部供电），STM32就由外部电源来供电，这时候因为二极管的作用就可以达到不管1-VCC1.3V外接电源是否断开，核心电路始终都在工作。图1.10中Dl我们就是利用了二极管的反向截止功能，当外部电源供电时的导通由外部电源供电，当外部电源没有供电时D1截止由CR1220对STM32供电，纽扣电池只会对STM32供电，以保证RTC的走时以及后备寄存器的数据不丢失。图1.10后备电池接口电路原理图设计1.5.3LED指示电路设计指示电路我们打算使用3个LED灯来满足我们的功能需求。首先是电源指示灯（POW）这个灯是绿色的，当这个灯亮起时，说明我们的主控核心板时在供电状态，如果此灯没有亮就说明我们的核心板没有工作。设计此灯就是为了观察开发板的供电情况。第二个灯（RUN）是用来指示正常运行的，这个灯也是绿色的，我们在调试程序的时候，把这个灯的控制程序写在我们代码的while循环里，这样只要这个灯一直在闪烁，就可以表明我们的程序在正常运行。第三个灯（ERR）是用来指示程序的意外运行的是红色的，我们在编写代码时会将此灯的控制程序写在while的外面，这样一旦我们程序意外运行了，这个灯就会不停的闪烁来提醒我们这个程序出错了。图1.11LED电路原理图1.5.4复位电路设计复位电路设计来是为了对我们的主控核心板和模拟信号采集电路（AD7606）进行复位的。我们在设计的时候为了使主控板STM32与模拟信号转发芯片AD7606一起复位，我们将两者的复位引脚连接在一起。我们在不按复位按键时1-/RESET引脚通过电阻和电源1-VCC1.3V直接连接，表现为高电平。当我们需要复位时，按下按键，1-/RESET引脚接地（与1-GND相连），引脚收到下降沿就会复位。然后我们为了提高这个电路的稳定性在图1.7中加入了一个0.1uF的电容。图1.12复位电路原理图1.5.5启动选择端口电路设计在我们对MCU烧写完程序和按复位键以后，MCU应该采取一种什么样的启动模式。这里我们设计的是运动控制器的启动模式选择端口，我们使用跳电阻的方式来选择不同的启动模式。电路原理图如1.13所示：图1.13启动选择端口电路原理图设计图1.12中BOOTO和BOOTl的连接方式可以形成四种结果，组合的三种启动模式如下表所示:BOOT0BOOT1启动模式说明0X用户闪存存储器即为FLASH启动10系统储存器用于串口下载11SRAM启动用于在SRAM中调试代码表1.1启动模式在我们通常的加工中一般都用的是所需要采用的实时启动管理模型，它们就是对于一个用户电脑闪存的一个数据库进行存储器，也就好说是flash文件进行实时启动，当我们已经成功烧录并写完一行代码，程序就一定会立马自动投入其中运行。此时我们首先发现应该将放在boot0位置的低电平进行设定，即使在r38焊接上，r6不需要进行高压焊接。bootl只要设置成一个低电平或者高输入电压的平均值都行也可以，即是把R100和R101焊接一个。为了充分考虑满足日后不同应用类型的开关调试电路要求，本调试电路中分别采用了基于跳跃式电阻的三种操作启动方式，将这三种电阻启动操作模式列出。在后期电子元件的内部焊接处理过程中，仅仅不过是将它的R38和它的R100焊接组合到一起，这样它的boot0和它的boot1的焊接电阻水平都已经可算是正常0了，就可以达到使用STLINK烧写代码后，一按复位键就开始跑代码。1.6RS232接口电路设计本系统在设计时主要通过一个串口开关发出的指令对于激光传感器进行了控制,因为RS232接口的电平不是TTL电平，因此选择了adm3251e把单片机中的TTL电平变成RS232电平。adm3251不要使用额外的芯片来做隔离，因为它本身就带有两条隔离通道。它的通信频率极高,连接简易,只需将运动控制器的接收端与激光发生器的输出端相连，发生端和接收端相连。另外还必须提供一个电源。仅仅只需三根线即可以完成控制仪和激光引波发生器的通讯。rs232接口滤波电路基本结构如波形图1.14所示,在20引脚接口处分别接入一个0.luf的小型陶瓷片滤波电容器,用于对其信号进行相关电源输入信号的滤波,减少对应的电源输出信号振荡产生的谐波噪声。在后期对于pcb三个网络群的布线中,应将0.luf的最大电容尽可能地在距离引脚20最大电容值通常接近12%。为了有效的保护防止对机和外界产生静电的直接干扰,在引脚的信号发送及数据接收中,应当需要加上一个nup4301mr6静电保护器的控制电路,在我们进行机电工程实际设计应用中的调试时，会频繁地需要插拔一个口或串口式的电源插座,这样就完全可以很好地保证达到对外界静电的有效保护。图1.14RS232接口电路原理图设计1.7基于W5500的上位机通讯接口电路设计1.7.1UDP通信接口电路设计该通信模块的设计是用一个协议栈芯片W5500和一个网络变压器RJ。硬件上支持TCP/IP协议栈，本课题基于UDP协议的通信方式。可以在传输容量上，具有32K的数据缓层。我们只需编写协议栈应用层控制信息就可以和上位机通讯，这样很大程度上节约了我们的工作量。我们可以在控制器内扩展一个以太网通信芯片，就可以实现上位机与运动控制器的通信。我们设计的运动控制器选择的是w5500这颗芯片作为STM32F103的PHY芯片，同步串行通信SPI通信方式最高传输速率可达80MHz的W5500芯片，为我们后面的上位机与控制器之间的高速通信提供了保障。w5500集成了网络唤醒模式，在上位机与运动控制器不需要进行数据交换时，通讯模块自动进入休眠模式。通信接口上采用了NUP4301MR6静电保护电路，因为我们的通信传输速率非常快，而且还能防止外界复杂环境的干扰。图1.15以太网接口电路原理图设计1.7.2STM32F103与以太网芯片W5500连接电路设计在PCB布局上我们应该紧密放置并且最大限度保证收发信号线的等长，以为STM32F103和W5500之间采用的高速的SPI通信，这样才能保证通信的可靠安全。图1.图1.16W5500与STM32接线图1.8基于PCap的调高电路设计PCap01本身本来就是一个完全不可进行编程的电子器件，这时候就可能需要一个微处理器向它在相应的两个寄存器中分别写入一个已经配置好的参数。它们同样可以用来进行测温和湿度测量，并且它们输出的是带有一定的温度占空比的微波形。其中的两个前端电容转换控制单元基于PICOAP的电容检测和测量分类以及电容实际工作量的原理，设计简单、可靠、给工业用户和企业人员提供了极佳的电容解决方案。而且响应频率很高，当检测的物体振动频率达0.5MHz，也就是说它的振动周期为2us时