第四章 控制系统硬件模块化设计研究及实现

1、第四章 控制系统硬件模块化设计研究与实现4.1微处理器的选择由于机械手控制系统中没有大量的信号需要处理，同时又要满足控制要求，决定采用美国Silicon Labs公司的C8051F型单片机，具体型号为C8051F020。从嵌入式计算机系统的角度来看，单片机的技术发展经历了SCM(Single Chip Microcomputer，单片微型计算机)，MCU(Microcontroller Unit，微控制器)以及SoC(System on Chip，片上系统)三个阶段。该单片机C8051F020为高度集成的混合信号SoC系统级芯片，具有与8051单片机兼容的高速、流水线CIP-51微处理器内核，

2、与MCS-51指令集完全兼容。64K字节可在线编程的FLASH存储器，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口等资源。 除了具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中的常用的模拟部件及其他一些数字外设部件15。C8051F020单片机内部的结构如图4.1所示。图4.1 C8051F020单片机内部结构框图Fig.4.1 C8051F020 SCM internal structure diagram C8051F020的封装为100脚TQ型式。其中电源10根，分为数字电源和模拟电源。JIAG接口引脚为6根。C8051F020单片机是混合信号型的单片机所以引脚分为数字

3、子系统引脚(64根)和模拟子系统(18根)。I/O端口有复用方式和非复用方式两种方式。C8051F020单片机引脚如图4.2所示。 图4.2 C8051F020引脚结构图 Fig.4.2 The C8051F020 pin structure picture在C8051F系列单片机中采用交叉开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口的系统中，单片机外部为通用I/O口，内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 对C8051F020引脚功能的熟悉是设计外围硬件电路和绘制电路原理图的基础。只有深刻的理解这100个引脚每个引脚

4、的功能，复用方式，才能合理分配使用每个引脚，在与外围硬件电路的设计中达到C8051F020效能的最大化。4.2模块化控制系统硬件总体设计方法4.2.1单片机外围硬件电路设计基本原则C8051F020 SoC型单片机具有集成度高，功能强大的特点。过去设计单片机系统往往采取的是搭积木式扩展的方式。根据需要将外设(如A/D，D/A，RAM等)进行片外扩展，体积规模较大，与之相配合的供电，时钟信号，抗干扰一系列问题也要考虑，系统的复杂程度越大故障点就越多。而片上系统具有高度集成性，我们要做的只是根据自己的设计要求进行设置。因此，应用SoC系统可靠性会提高不少16。尽管如此，SoC设计与应用仍然有一些共

5、性的问题和设计原则需要处理，处理妥当才可以把它的特点和性能较好的发挥出来。(1)尽可能选择典型电路，并符合51单片机常规设计规范。典型电路为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础，典型电路易查找资料，改正问题17。(2)系统设计应充分满足控制系统的功能要求，并一定要有预留模块，以便扩展系统功能。(3)硬件设计出的实物最后是PCB板，所以系统设计时要规划好PCB的设计。SoC工作频率较高，对电源的要求也较高，因此所设计的电路板至少是2层。除从PCB考虑外，还要从供电电源考虑，无论单片机片内是否有稳压器，最好都要接稳压器再连接单片机，并在电源入口处加容量为4.7uF与0.1uF的电容。(4)要充分利

6、用C8051F020的可编程I/O口的分配功能，若在设计PCB时发现问题可再调整电路原理图，做到I/O口最佳的分配方案。(5)C8051F020的电压较低，连接其他系统或本系统的高压外设时要经过光耦隔离。这种做法可以有效的切断干扰，保证电路不被烧坏。4.2.2模块化硬件系统总体架构与设计硬件设计上以功能特征作为划分模块的依据，分为基本功能模块、预留功能模块和辅助功能模块。选择触摸屏作为软硬件交互的平台。硬件上C8051F020单片机作为主控芯片，基本功能模块部分分为串口电路模块、JTAG接口模块、步进电机驱动两关节模块，输出端子口J1模块。预留功能模块部分设计了12位电路转换模块、输入端子口模

7、块、输出端子口模块、驱动三关节模块等。其中12位模数转换电路模块的设计是考虑到采集到的视频信号的输入与转换。输入端子口模块电路的预留是方便用开关按键对机械手的控制。输出端子口的设计是考虑到若手动按键时LCD可以显示机械手运动过程中的相关参数等。步进电机驱动三关节这是模块化机械本体已设定的要求。辅助功能模块部分有电源电路模块和晶振复位电路模块。具体见图4.3。 图4.3硬件模块化总体设计框图Fig.4.3 The hardware modular overall design diagram4.3基于触摸屏的人机交互平台功能架构本控制系统中触摸屏作为整个控制系统人机交互的核心，同时也是软硬件交互

8、的核心。通过触摸屏发送命令给单片机调用单片机内部的功能模块，完成相应动作，达到控制要求。所以触摸屏是整个控制系统的关键。触摸屏购买并使用北京迪文科技有限公司的以工业应用为主的T系列8寸800*600(分辨率)触摸屏，具体型号为DMG80600T080_01W。触摸屏两根串口线与单片机相连，一根电源线。触摸屏功能架构的确定是根据模块化机械手本体来设定，通过设计触摸屏的界面和命令按钮来达到。界面设计包括参数的设定，关节模式的选择，工作方式选择等界面。其中关节模式有两关节模式和三关节模式，参数的设定是大小臂长度的设定，装配点，抓取点位置的设定，工作方式有手动和自动等。在设计触摸屏的同时是与硬件模块化

9、相互参照，协同设计，从而达到触摸屏的界面和命令按钮与硬件模块相互吻合，实现预想的控制功能。4.4基本功能模块设计4.4.1串口模块设计C8051F020单片机中有2个增强型串行口：UART0和UART1。所谓“增强型”是指，这2个串行口都具有帧错误检测和通信地址硬件识别功能。串口通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。本控制系统中迪文触摸屏采用的是串口通信，所以单片机串口UART0作为与触摸屏通信的接口，UART1作为预留模块的串口接口为以后可能的数据传输预留。UART0串口通信采用MAX232电平转换芯片。它是专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电

10、源供电，集成度高，在设计电路时片外最低只需4个1uF的电容即可工作18。设计原理图如图4.4所示。 图4.4 串口电路图 Fig.4.4 The serial interface circuit diagram4.4.2JTAG接口模块设计 JTAG (Joint Test Action Group,联合测试行动小组)，是一种国际标准测试协议，它与IEEE1149.1兼容，主要用于芯片内部测试，可以以单片或其它方式调试程序。现在越来越多的器件支持JTAG协议，如DSP，FPGA等。支持JTAG协议的80C51兼容类单片机并不多，当前市场上主要就是C8051F系列。JTAG编程方式是在线编程，简

11、化流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而可以大大加快工程进度。标准的JTAG接口是4根信号线：TMS，TCK，TDI，TDO，分别为模式选择，时钟，数据输入和数据输出线。可选引脚TRST用于测试复位，为输入引脚，低电平有效。C8051F020本身就带有JTAG接口，其端口引脚1到引脚4与JTAG连接端子相连。JTAG适配器通过USB接口与上位机相连，同时通过10芯JTAG连接端子与目标电路板相连。JTAG连接完成后，可以通过上位机来控制程序的运行，停止，单步和过程单步执行，可以设置硬件断点，可以查看和修改存储器和寄存器。在调试完成后，能够将代码下载到Flash程序存储器中，从而完成

12、一个完整的开发过程19。如图4.5所示。 图4.5 JTAG与单片机的连线图 Fig.4.5 The wiring diagram of JTAG to the single chip microcomputer4.4.3步进电机驱动模块设计装配机械手为平面关节型，大、小臂均为回转运动，重量较轻，转动惯量不大，一般电机都能带动。步进电机系统多用于开环控制，结构简单，位置和速度易于控制，其相应速度快，输出力矩较大，能快速启动，反制和制动。特别是步进电机没有积累误差，一般精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积，驱动机械手运动时有较高的位置精度，对于本系统的控制较为理想，其它交流伺服电机等性价比不

13、高。经过分析比较目前省内步进电机生产厂家的产品，现选择常州市泽明自动化设备有限公司两相混合式步进电机 39BYG系列： 表2.1 两相混合式步进电机39BYG系列技术参数Tab.2.1 The series technical parameters of 39 BYG two phase hybrid stepping motor 型号歩距角机身长电流电阻静力距定位距转动惯量引线重量39BYGB64101.826mm0.6A9欧姆1.4Kg.cm0.8N.cm14g.cm24根120g 图4.6两相混合式步进电机39BYG系列尺寸 Fig.4.6 The series size of two

14、phase hybrid stepping motor of 39BYG 步进电机驱动电路设计中购买了96560A V3型CNC步进电机驱动器。如图4.7所示。 图4.7 步进电机驱动器Fig.4.7 The stepping motor drive它采用TB6560AHQ型驱动芯片。此芯片是东芝公司最新设计生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，与早期推出TB6560HQ芯片相比，其性能有较大的提高，输出电流最高可达3.5A。而采用该芯片的驱动板在电路上，结构上都使用了可靠性设计，在普通散热方式的情况下可稳定地工作在3A电流。可以驱动3A以下的二，四相步进电机。(1)在结构上TB6560

15、AHQ芯片采用卧式安装，增强了散热效果和结构强度，所有接线，操作部位移至一侧，方便操作。(2)接口情况见图4.8。图中的四幅图分别代表了整体接口情况，电源输入及步进电机接口，控制信号输入接口(最后的一幅图中，其中白色的插头与绿色接线端口功能相同)。图4.8 步进电机接口图 Fig.4.8 The stepping motor interface diagram驱动器电源接入1234直流电源，注意正负极。电源可用交流变压器加整流滤波得到，整流前的交流电压不能高于25V，滤波电容用3300uF比较合适。适用的电机为两相，四相混合式(4线，6线或8线步进电机)20。(3)C8051F020单片机的P

16、0.2口到P0.4口通过74HC245驱动芯片接到步进电机的控制信号输入端，欲作为步进电机脉冲信号的输入端。74HC245芯片为总线驱动器芯片。它是典型的CMOS型三态缓冲门电路。由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器，作用就是信号功率放大21。同理4个步进电机的片选，方向由单片机的P7.0口到P7.7口通过74HC245芯片来控制。具体如图4.9所示。(4)设计的步进电机共4个，其中3个是用来满足两关节模块时大小臂和立柱的驱动，预留的1个步进电机是考虑三关节模块的驱动。这样的硬件设计符合模块化的设计思想。 图4.9单片机控制步进

17、电机接线图 Fig.4.9 The diagram of single-chip microcomputer to stepping motor connecting 4.4.4输出端子口J1设计装配机械手是由步进电机驱动大小臂的旋转，立柱的升降，所以必须输出4个步进电机的相关控制信号，每个步进电机需要有片选信号CS，方向信号DIR，脉冲信号CP共3种信号。为了控制其它强电的开启和闭合又设计了4个继电器输出(其中1个作为末端夹持器电磁铁吸合的控制，其它3个作为预留)，共16个输出端子口作为输出端子口J1。如图4.10所示。 图4.10输出端子口J1接线图 Fig.4.10 The output

18、 terminals J1夹持器安装在手臂的机械接口上，相当于人手部的功能，是装配机器手的重要部件，作为末端执行器。该夹持器的传动原理：该夹持器通过支座固定在机械手的小臂的首端，继电器驱动系统推动推杆伸缩运动，连杆将运动传给夹持器手指，将伸缩运动转化为指端的张开和合拢，从而抓紧和放下轴承套。继电器驱动的电路图如图图4.11所示。 图4.11夹持器驱动电路图Fig.4.11 The grippers drive circuit diagram 4.5预留功能电路模块设计 预留功能模块是在基本功能模块的基础上为适应模块化装配机械手常用预留功能而设计，是满足多种工况下可以拼装模块化主控系统的要求而预

19、先设计预留的模块，这种设计改变了传统的“一种工况要求，一次重新设计”的设计方法，大大提高控制系统的灵活性、适应性。4.5.1 12位模/数转换器模块设计 考虑到若将采集到的模拟信号转换成数字信号，设计了一个8通道的端口与C8051F020的模/数转换器相连。即与单片机的18引脚到25引脚相连。每个通道都可以传输一个模拟信号。C8051F020内置两个模/数转换器，一个为12位模/数转换器ADC0，另一个为8位的模/数转换器ADC1。其中ADC0采用逐位比较方式将输入的模拟信号进行转换，从而获得精度为12位的数字量。转换结果保存在ADC0数据字寄存器ADC0H，ADC0L中。ADC0模块具体由一

20、个9通道的可编程模拟多路选择器AMUX0 (其中第9通道在内部被接到片内温度传感器)，一个可编程增益放大器PGA0和可编程越限检测器组成14。如图4.12为ADC0输入与单片机相连图。 图4.12 ADC0输入与单片机相连图 Fig.4.12 The diagram of ADC0 inputs to single-chip microcomputer 4.5.2输入端子口J2设计为考虑到装配机械手有关控制信号的输入，设计了16个输入端子，采用ORIENT 817C的光电隔离芯片连接到单片机P4.0口到P4.7口，P5.0口到P5.7口，共16个引脚上。这些预留的输入端子口可作为按钮开关等信号

21、输入。817是常用的线性光耦，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。线性光耦原理是当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光体上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生的相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程序也不同，输出的电压或电流也随之不同22。输出端子口J3是预留作为液晶显示屏的控制预留地端子口。4.6辅助功能模块设计 辅助功能模块是为控制系统硬件电路正常工作而设计。它主要包括电

22、源电路模块和晶振、复位电路模块，提供硬件电路必要的多种电压，单片机工作所需的晶振频率，系统复位等。4.6.1电源电路模块设计(1)控制系统的电源单元是一个模数混合的电路，而且数字电路需要多种电压，其中MCU芯片C8051F020需要3.3V供电，而其他芯片，器件需要+5V，+12V等电平供电。因此整个电路要求至少需要3种以上供电电源。(2)设计电源220V交流电通过变压器变成15V交流电通过二极管的桥式整流电路后变成直流电输入给芯片LM7812。三端稳压集成电路LM7812只有三个引脚输出，分别是输入端，输出端和接地端，芯片LM7812输出稳压为12V。输出的12V电压给芯片PWB2405后输

23、出5V。芯片AS1117输入5V，输出3.3V。按照标准电路，芯片旁又有相应的滤波电容。芯片LM7812，PWB2405，AS1117基本上都是稳压芯片。如图4.13所示。 图4.13 电源电路图 Fig.4.13 The power supply circuit diagram4.6.2晶振和复位电路设计晶振电路和复位电路都是按照C8051F020标准电路要求设计的14。4.7总的电路原理图和元器件布置图 (1)装配机械手控制系统电路原理图如下图4.14所示。 图4.14 装配机械手控制系统基本电路原理图 Fig.4.14 The basic circuit principle diagram of assembling manipulator control system(2)为了将设计好的原理图绘制成PCB，设想的元器件布置图如下图4.15所示。 图4.15 元器件布置图 Fig.4.15 The diagram of components arrangements4.8 PCB板绘制和制作 电路原理图设计的最终目的就是要制成一块相应的PCB板。当基本电路原理图完成后，就要