經濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)設計
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第四章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計4.1控制系統(tǒng)方案確定4.1.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都有硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎,其性能的好壞,直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件,軟件才能有效的運行。機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由四部分組成:(1) 中央處理單元CPU;(2) 總線。包括數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AD)、控制總線(CB);(3) 存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨即讀寫存儲器;(4) I/O輸入/輸出接口電路。該控制的組成如下:主控制器存儲系統(tǒng)4.1.2.總體組成 主控器:單片機存儲器:EPROM RAM鍵盤 顯示器電機接口I/O接口:鍵盤、顯示及步進電機 系統(tǒng)總體確定后,進行各部分設計 圖4-1 控制系統(tǒng)圖4.2軟、硬件任務合理分配涉及軟硬件任務分配的有:控制步進電機的脈沖發(fā)生與脈沖分配;數(shù)碼顯示的字符發(fā)生;鍵盤掃描管理。上述三個都可以用專用硬件芯片實現(xiàn),也可以用軟件編程實現(xiàn)。用硬件實現(xiàn),編程時較簡單,但同時增加了硬件成本及故障源。用軟件實現(xiàn),可節(jié)省芯片,降低成本,但增加了編程難度。在決定用何種何法實現(xiàn)時,應統(tǒng)籌兼顧,同時還應根據(jù)設計者的軟、硬件方面的實際經驗及能力。此處決定如下:控制步進電機用的脈沖發(fā)生器用硬件,采用國產YB104環(huán)形分配器實現(xiàn)。字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實現(xiàn)。4.3主控器4.3.1主控芯片選擇近年來國外一些主要的半導體制造廠家相繼生產了各種8位的單片微型計算機-單片機。主要有Inter公司的MCS48 系列,MCS-51系列等等,目前在國內用的較廣,開發(fā)工具較齊的是MCS-51系列。這里選用MCS51系列中的8031。4.3.2.MCS51系列單片機介紹下面介紹與硬件設計及軟件編程關系密切的有關MCS51系列單片機的一些特性。1) MCS51系列單片機的基本特性單片機是集CPU、 I/O端口及部分RAM與一體的功能很強的控制器?,F(xiàn)用得較廣泛的是MCS51系列。該系列包括三個產品8031、8051、8751。三者的引腳完全兼容,僅在結構上有一些差異,主要是:8031是無ROM的8051,而8751則使用EPROM代替ROM的8051。通常所說的MCS51單片機是該系列的簡稱。用得較多的是該系列中的8031。 MCS51單片機的基本特性如下(以8051為例)(1)具有8位的中央處理器;(2)芯片內有時鐘發(fā)生電路;(3)具有4KROM;(4)具有128字節(jié)RAM;(5)具有21個特殊功能的寄存器;(6)具有4個I/O 端口,32根I/O線;(7)可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器(8)可尋址64K字節(jié)外部程序存儲器;(9)具有兩個16位定時/計數(shù)器;(10)具有5個中斷源,配備2個優(yōu)先級;(11)具有一個雙全功能串行接口;(12)具有位尋址能力,適于邏輯運算。從上述特性可以發(fā)現(xiàn),一塊8051芯片,功能幾乎相當于由一塊Z80CPU、一塊2732EPROM、 一塊Z80CTC、一塊RAM、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機計算機系統(tǒng)。2)管腳功能及應用特性簡介(1)引腳功能分類按引腳功能可分為三類,即I/O線:P0、P1、P2、P3共4個8位口。控制線:PSEN(片外取指令控制)、ALE(地址鎖存控制)、EA(片外存儲器選擇)、RESET(復位控制)。電源及時鐘:Vcc、Vss 、XTAL1、XTAL2 (2)應用特性I/O口線不能都用作用戶線,除8051、8751外,真正可完全為用戶使用的口線只有P1口,以及部分作為第一功能使用的P3口;I/O口的驅動能力為:口驅動8個TTL門電路,、 、口則只能驅動4個TTL門;口試雙重功能;時鐘頻率:外接時鐘頻率可在1.2M12MHZ間選擇。4.3.3三總線結構單片機的三總線結構如下。(1)地址總線AB地址總線寬度為16位,故其外部存儲器直接尋址范圍達64字節(jié),16位地址總線由 口經地址鎖存器提供低8位,高8位 由口直接提供。(2)數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)總線寬度為8位,由口直接提供。(3)控制總線CB由口的第二功能狀態(tài)和4根獨立的控制線RESET、ALE、組成。4.3.4存儲器結構 單片機存儲器包括程序存儲器(EPROM ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM),可直接尋址的存儲器結構如圖4-2。 其中外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都需要擴展電路。4.3.5時序由于單片機中程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器嚴格分開,因此,程序存儲器的操作時序中分為兩種情況:不執(zhí)行MOVEX指令和執(zhí)行MOVE指令。兩種情況的操作時序如圖4-3。對于存儲器的擴展、芯片的選擇極為重要。4.3.6中斷功能MCS-51單片機提供5個中斷請求源。兩個由 輸入的外部中斷請求, 兩個位片內的定時器/計數(shù)器溢出請求 ,一個為片內的串行口中斷請求或。這些中斷源的引腳如圖所示,為口的第二功能。對于每個中斷請求源,都可編程為高級優(yōu)先級或低級優(yōu)先級,實現(xiàn)二級中斷嵌套。當CPU 執(zhí)行關中斷指令后才有可能接受中斷申請,每一個中斷源可由軟件編程為允許或禁止中斷。8031個中斷源的優(yōu)先級及入口地址如表1,入口地址不因優(yōu)先級的改變而改變。 表 1 中斷源、優(yōu)先級及入口地址中斷源優(yōu)先級入口地址中斷源優(yōu)先級入口地址外部中斷00003H定時器/計數(shù)器3001BH定時器/計數(shù)器1000BH串行中斷40023H外部中斷20013H表中0級為最高,4級為最低。 圖4-2 MCS-51存儲器結構。4.3.7MCS-51單片機常用系統(tǒng)擴展芯片在MCS-51單片機應用系統(tǒng)中,常用的系統(tǒng)擴展芯片有程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、口以及其它功能芯片,如定時器/計數(shù)器、中斷控制器等?,F(xiàn)分述如下:程序存儲器 主要是紫外線擦抹得可編程只讀存儲器。通常采用標準芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。數(shù)據(jù)存儲器靜態(tài)RAM。無需刷新,但功耗大,成本高。目前常用的靜態(tài)RAM是6116和6264。動態(tài)RAM。功耗小,成本低,但須刷新。主要動態(tài)RAM有2164 和41464。一般控制系統(tǒng)多采用靜態(tài)。I/O口擴展集成芯片 I/O口擴展芯片可分為三種類型。專用I/O口擴展芯片,這類芯片專用于擴展I/O口用。主要有8255。I/O擴展復合芯片。這類芯片除了能擴展I/O口外,還能擴展其它外圍功能電力路,主要有8155。電路芯片。這是一類廣泛用作MCS-51單片機I/O口擴展芯片,主要有74LS373、273、374、244等。其它各種功能芯片 MCS-51還可擴展下列具有各種專用功能的外圍芯片。8259:可編程中斷控制器8279:可編程鍵盤/顯示控制器8253:可編程通用定時器。8251:可編程通信控制器 圖4-3 外部程序存儲器的操作時序4.4存儲系統(tǒng)擴展設計4.4.1芯片選擇1)選擇MCS-51單片機應用系統(tǒng)中,使用最多的EPROM是典型系列芯片2716、2732、2764、27128、27256,各芯片的管腳及其兼容性能如圖所示。各種型號的EPROM有不同的應用參數(shù),主要由最大讀出速度、工作溫度及容量。在容量確定時,選擇EPROM的型號,主要考慮因素是讀取速度,這是決定系統(tǒng)能否正確工作的前提。根據(jù)CPU與EPROM時序匹配要求,應滿足這樣一個關系:即8031所能提供的讀取時間大于EPROM所要求的讀取時間。8031訪問EPROM時,其所能提供的讀取時間t與所選用的晶體時鐘有關,約為3T,其中T為時鐘周期。如選用晶體頻率為12MHZ,則240ns,若晶體頻率選用6MHZ,則480ns。本系統(tǒng)選用晶體頻率為6MHZ。根據(jù)控制對象和任務的復雜程度,以及是否需大量計算來確定存儲系統(tǒng)總容量,包括EPROM容量和RAM容量。在產品研制階段,存儲容量一般不易精確確定,設計者可以作粗步估算,或憑工作經驗,或與其它相似控制系統(tǒng)類不確定。另外,對EPROM和RAM都應留有一定余量,以備系統(tǒng)功能擴充之用。在實際設計中,應考慮盡量使系統(tǒng)電路簡化,在滿足容量要求是盡可能選擇大容量芯片,以減小芯片組合數(shù)量。目前大容量芯片價格日趨便宜,小容量芯片面臨減產價格上升的局面,故采用較大容量芯片,從長遠的經濟效益也有好處。據(jù)此,選用一片2764,EPROM具體型號根據(jù)市場貨源及價格選購。2)、RAM選擇RAM分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM,靜態(tài)RAM無需考慮保持數(shù)據(jù)而設置刷新電路,擴展電路簡單。單片機的擴展RAM 多選用靜態(tài)。在選RAM時,主要考慮因素同樣是RAM 的讀些速度與CPU所提供的讀些時序的匹配要求。類似,也應滿足這樣一個關系:即8031所能提供的讀些時間應大于RAM所要求的讀些時間。常用RAM主要有6116和6264。典型讀些時間為200ns左右。8031所能提供的對RAM的讀些時間與所選時鐘頻率有關,其大致關系為 =4T,=5T。、 T分別為讀時間、寫時間及時鐘周期。當選時鐘頻率為12MHZ時,331ns,400ns。由此可見,常用的RAM都能滿足單片機時序要求。 類似,這里選用大容量的RAM6264一片。4.4.2地址分配及譯碼1)、地址分配與一般存儲系統(tǒng)不同,8031單片機所支持的存儲系統(tǒng),其程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。因此,EPROM和RAM的地址分配比較自由,不必考慮是否發(fā)生沖突。由于8031復位后從000H單元開始執(zhí)行程序,故程序存儲器地址應從000H開始,有多片組成的情況下,各片間地址可連續(xù),也可不連續(xù),只是后者浪費一些空間。這里只用了一片,故不存在此問題。因此8K的地址為0000H1FFFH。擴展RAM的地址與I/O口及外圍設備實行統(tǒng)一編址,任何擴展的I/O口及外圍設備均占用數(shù)據(jù)存儲器的地址空間。對本系統(tǒng),RAM容量及擴展I/O外圍設備數(shù)量不是很多。64K 空間只需很小一部分,為便于RAM和I/O的統(tǒng)一編碼,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)、地址譯碼及譯碼線路 地址譯碼有線性譯碼法、譯碼器譯碼法等。一般譯碼時首先應根據(jù)地址分配,列出參加譯碼芯片的地址變化情況,然后便可畫出其譯碼線路。由于EPROM RAM各只有一片,故可用線性譯碼法。據(jù)此很容易得到EPROM、RAM的譯碼線路圖。如圖4-4。3)、EPROM、 RAM與8031的聯(lián)接存儲器與單片機的聯(lián)接,主要是三總線的聯(lián)接。應考慮單片機總線的驅動能力是否足夠,若不夠,應加適當?shù)尿寗?,如加總線驅動器74244、74245等。根據(jù)前面介紹的單片機8031的驅動特性知,在此不必加驅動。下面給出 EPROM、 RAM與8031的具體聯(lián)接。(1)地址總線將 與的EPROM 一一對應相連,與RAM的 一一對應相連,其余地址線經譯碼器產生片選信號。(2)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)線的聯(lián)接是將分別與存儲器的一一對應相連。(3)控制總線單片機返訪問EPROM 和RAM的控制信號主要有:外部EPROM 取指令信號。 :即,外部RAM寫信號。 :即,外部RAM讀信號。根據(jù)上述控制信號的功能,可將與EPROM的OE相連,、分別與RAM 的、相連即可。這樣,可以得到如圖4-5所示的8031及其擴展存儲器的連線圖。 圖4-4EPROM、 RAM譯碼線路圖4-5 EPROM、 RAM與8031的接線圖至此,完成了本系統(tǒng)存儲器部分的設計。4.5接口電路及輔助電路具體設計 本系統(tǒng)接口電路包括鍵盤、數(shù)碼顯示及步進電機接口電路。輔助電路包括復位電路、時鐘電路及報警指示電路。8031單片機的P1口可以用作I/O接口,為管理上述接口電路,還需擴展接口,作如下分配,用8031單片機的P1口管理步進電機,用擴展接口管理鍵盤和顯示電路。4.5.1.步進電機接口電路有前面總體設計知,步進電機的脈沖發(fā)生采用硬件實現(xiàn),所用芯片為YB104相4拍環(huán)形分配器。一般情況下,該芯片的兩個輸入控制端E1、E2可直接接地,如工作方式設定在4相4拍,只需將、接地即可。這樣,該芯片的所??刂贫酥饕€有方向控制端:-、+、選出輸出控制端、時鐘輸出控制端CP及清零端。要正確控制步進電機,必須正確控制這些信號。在此確定所需的方向機輸出控制信號由單片機的P1 口控制,所需的時鐘脈沖有定時器提供,清零端由8031的P1.5 引腳提供,以防亂相。 X、Z向步進電機各自用一個環(huán)形分配器控制。用P1.0、P1.1 分別用作X向所需的方向機輸出控制信號,P1.3、P1.4分別用作Z向的方向及輸出控制信號。4.5.2.鍵盤、顯示接口1)、鍵盤確定鍵盤的鍵數(shù)及結構,應根據(jù)工作臺的要求。為簡單,設置幾個功能鍵: “”、“”、“”、“”、復位鍵、暫停鍵、其對應功能見表3。表2 環(huán)形分配器引腳功能表3 功能鍵及作用鍵盤的結構多為矩陣結構,這里由于鍵數(shù)少,故采用簡單的結構,每一個鍵相當于一個開關,如圖4-6所示。2)、數(shù)碼顯示根據(jù)工作臺的精度及工作范圍,采用5位數(shù)碼顯示。其中整數(shù)部分(包括小數(shù)點)3位,小數(shù)部分2位,坐標原點設定在工作臺的左下角。3)、擴展接口在單片機應用系統(tǒng)中,同時需用使用鍵盤和顯示時,常常把鍵盤和顯示電路做在一起,以節(jié)省I/O 線。這里選通用可編程接口芯片8155管理鍵盤和顯示。根據(jù)鍵盤的結構和顯示器的輸入要求,8155的I/O口分配見表4。4)、8155與8031的聯(lián)接8155與8031的聯(lián)接也可歸結為其三總線的聯(lián)接。8155具有地址所存信號控制,故可直接將8031的P0口線對應的聯(lián)至8155的AD0AD7,同時將8031的地址所存ALE與8155的ALE聯(lián)接。其他如讀寫控制線也相應聯(lián)接即可。8155的地址已在前面存儲器擴展時作了安排,其地址占為:20002FFF,故可將 P2。5 經一反相器直接聯(lián)至8155的片選腳。 圖4-6 鍵盤結構表4 8155I/O功能分配4.5.3其他輔助電路1、復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘電路工作后,只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平,單片機變實現(xiàn)狀態(tài)復位,以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。本系統(tǒng)硬是用上電與按鈕復位組合。復位電路中的電阻、電容參數(shù)與CPU 所采用的時鐘頻率有關,要保證RESET出現(xiàn)10ms 以上高電平,最好由試驗調整。2、時鐘電路三片機的時鐘可以有兩種方式產生:內部方式和外部方式。內部方式:利用芯片內部振蕩電路,在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件。晶體可以在1.212MHZ間任選,電容在530pF之間,對時鐘有微調作用。外部時鐘方式:XTAL1接地,XTAL接外部時鐘源。這里選用內部方式,時鐘頻率為6MHZ。3.其它為了整體控制需要,在硬件上應將8155的定時輸入端TMOUT 聯(lián)接到8031的 TMOUT端,其作用在軟件部分再作說明。另外,還應將8155的定時輸入端與步進電機控制用的環(huán)形分配器的CP端相連,其作用已在前面說明。由此,硬件部分設計完成,可畫出完整的單片機控制系統(tǒng)的線路圖。可見連好的圖紙5。- 30 -
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經濟型
數(shù)控車床
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伺服系統(tǒng)
設計
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