經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控車床,進(jìn)給,伺服系統(tǒng),設(shè)計(jì) 第四章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 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(gè)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(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)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(chǔ)器。包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨即讀寫存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng) 4.1.2.總體組成 主控器：?jiǎn)纹瑱C(jī) 存儲(chǔ)器：EPROM RAM 鍵盤 顯示器 電機(jī)接口 I/O接口：鍵盤、顯示及步進(jìn)電機(jī) 系統(tǒng)總體確定后，進(jìn)行各部分設(shè)計(jì) 圖4-1 控制系統(tǒng)圖 4.2軟、硬件任務(wù)合理分配 涉及軟硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)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(gè)都可以用專用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)較簡(jiǎn)單，但同時(shí)增加了硬件成本及故障源。用軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟、硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。此處決定如下：控制步進(jìn)電機(jī)用的脈沖發(fā)生器用硬件，采用國(guó)產(chǎn)YB104環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)。字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實(shí)現(xiàn)。 4.3主控器 4.3.1主控芯片選擇 近年來(lái)國(guó)外一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種8位的單片微型計(jì)算機(jī)----單片機(jī)。主要有Inter公司的MCS—48 系列，MCS--51系列等等，目前在國(guó)內(nèi)用的較廣，開(kāi)發(fā)工具較齊的是MCS--51系列。這里選用MCS—51系列中的8031。 4.3.2.MCS—51系列單片機(jī)介紹 下面介紹與硬件設(shè)計(jì)及軟件編程關(guān)系密切的有關(guān)MCS—51系列單片機(jī)的一些特性。 1） MCS—51系列單片機(jī)的基本特性 單片機(jī)是集CPU、 I/O端口及部分RAM與一體的功能很強(qiáng)的控制器。現(xiàn)用得較廣泛的是MCS—51系列。該系列包括三個(gè)產(chǎn)品8031、8051、8751。三者的引腳完全兼容，僅在結(jié)構(gòu)上有一些差異，主要是：8031是無(wú)ROM的8051，而8751則使用EPROM代替ROM的8051。通常所說(shuō)的MCS—51單片機(jī)是該系列的簡(jiǎn)稱。用得較多的是該系列中的8031。 MCS—51單片機(jī)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(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路； (3)具有4KROM； (4)具有128字節(jié)RAM； (5)具有21個(gè)特殊功能的寄存器； (6)具有4個(gè)I/O 端口，32根I/O線； (7)可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (8)可尋址64K字節(jié)外部程序存儲(chǔ)器； (9)具有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； （10）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)優(yōu)先級(jí)； （11）具有一個(gè)雙全功能串行接口； （12）具有位尋址能力，適于邏輯運(yùn)算。 從上述特性可以發(fā)現(xiàn)，一塊8051芯片，功能幾乎相當(dāng)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(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 2）．管腳功能及應(yīng)用特性簡(jiǎn)介 (1)引腳功能分類 按引腳功能可分為三類，即 ①I/O線：P0、P1、P2、P3共4個(gè)8位口。 ②控制線：PSEN(片外取指令控制)、ALE(地址鎖存控制)、EA(片外存儲(chǔ)器選擇)、RESET(復(fù)位控制)。 ③電源及時(shí)鐘：Vcc、Vss 、XTAL1、XTAL2 (2)應(yīng)用特性 ①I/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； ②I/O口的驅(qū)動(dòng)能力為：口驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，、 、口則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門； ③口試雙重功能； ④時(shí)鐘頻率：外接時(shí)鐘頻率可在1.2M～12MHZ間選擇。 4.3.3三總線結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)如下。 （1）地址總線AB 地址總線寬度為16位，故其外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍達(dá)64字節(jié)，16位地址總線由 口經(jīng)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(dú)立的控制線RESET、、ALE、組成。 4.3.4存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 單片機(jī)存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器(EPROM ROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，可直接尋址的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖4-2。 其中外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都需要擴(kuò)展電路。 4.3.5時(shí)序 由于單片機(jī)中程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器嚴(yán)格分開(kāi)，因此，程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)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(shí)序如圖4-3。對(duì)于存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、芯片的選擇極為重要。 4.3.6中斷功能 MCS---51單片機(jī)提供5個(gè)中斷請(qǐng)求源。兩個(gè)由 輸入的外部中斷請(qǐng)求， 兩個(gè)位片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出請(qǐng)求 ，一個(gè)為片內(nèi)的串行口中斷請(qǐng)求或。這些中斷源的引腳如圖所示，為口的第二功能。對(duì)于每個(gè)中斷請(qǐng)求源，都可編程為高級(jí)優(yōu)先級(jí)或低級(jí)優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。當(dāng)CPU 執(zhí)行關(guān)中斷指令后才有可能接受中斷申請(qǐng)，每一個(gè)中斷源可由軟件編程為允許或禁止中斷。 8031個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)及入口地址如表1，入口地址不因優(yōu)先級(jí)的改變而改變。 表 1 中斷源、優(yōu)先級(jí)及入口地址 中斷源 優(yōu)先級(jí) 入口地址 中斷源 優(yōu)先級(jí) 入口地址 外部中斷 0 0003H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 3 001BH 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 000BH 串行中斷 4 0023H 外部中斷 2 0013H 表中0級(jí)為最高，4級(jí)為最低。 圖4-2 MCS---51存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。 4.3.7MCS---51單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片 在MCS---51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的系統(tǒng)擴(kuò)展芯片有程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、口以及其它功能芯片，如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器等。現(xiàn)分述如下： 程序存儲(chǔ)器 主要是紫外線擦抹得可編程只讀存儲(chǔ)器。通常采用標(biāo)準(zhǔn)芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 靜態(tài)RAM。無(wú)需刷新，但功耗大，成本高。目前常用的靜態(tài)RAM是6116和6264。 動(dòng)態(tài)RAM。功耗小，成本低，但須刷新。主要?jiǎng)討B(tài)RAM有2164 和41464。 一般控制系統(tǒng)多采用靜態(tài)。 I/O口擴(kuò)展集成芯片 I/O口擴(kuò)展芯片可分為三種類型。 專用I/O口擴(kuò)展芯片，這類芯片專用于擴(kuò)展I/O口用。主要有8255。 I/O擴(kuò)展復(fù)合芯片。這類芯片除了能擴(kuò)展I/O口外，還能擴(kuò)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(jī)I/O口擴(kuò)展芯片，主要有74LS373、273、374、244等。 其它各種功能芯片 MCS---51還可擴(kuò)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(shí)器。 8251：可編程通信控制器 圖4-3 外部程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序 4.4存儲(chǔ)系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì) 4.4.1芯片選擇 1）．選擇 MCS---51單片機(jī)應(yīng)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(hào)的EPROM有不同的應(yīng)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(shí)，選擇EPROM的型號(hào)，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(shí)序匹配要求，應(yīng)滿足這樣一個(gè)關(guān)系：即8031所能提供的讀取時(shí)間大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。 8031訪問(wèn)EPROM時(shí)，其所能提供的讀取時(shí)間t與所選用的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T，其中T為時(shí)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(duì)象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需大量計(jì)算來(lái)確定存儲(chǔ)系統(tǒng)總?cè)萘?，包括EPROM容量和RAM容量。在產(chǎn)品研制階段，存儲(chǔ)容量一般不易精確確定，設(shè)計(jì)者可以作粗步估算，或憑工作經(jīng)驗(yàn)，或與其它相似控制系統(tǒng)類不確定。另外，對(duì)EPROM和RAM都應(yīng)留有一定余量，以備系統(tǒng)功能擴(kuò)充之用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮盡量使系統(tǒng)電路簡(jiǎn)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(jià)格日趨便宜，小容量芯片面臨減產(chǎn)價(jià)格上升的局面，故采用較大容量芯片，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益也有好處。 據(jù)此，選用一片2764，EPROM具體型號(hào)根據(jù)市場(chǎng)貨源及價(jià)格選購(gòu)。 2）、RAM選擇 RAM分為靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM，靜態(tài)RAM無(wú)需考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置刷新電路，擴(kuò)展電路簡(jiǎn)單。單片機(jī)的擴(kuò)展RAM 多選用靜態(tài)。 在選RAM時(shí)，主要考慮因素同樣是RAM 的讀些速度與CPU所提供的讀些時(shí)序的匹配要求。類似，也應(yīng)滿足這樣一個(gè)關(guān)系：即8031所能提供的讀些時(shí)間應(yīng)大于RAM所要求的讀些時(shí)間。 常用RAM主要有6116和6264。典型讀些時(shí)間為200ns左右。8031所能提供的對(duì)RAM的讀些時(shí)間與所選時(shí)鐘頻率有關(guān)，其大致關(guān)系為 =4T，=5T。、、 T分別為讀時(shí)間、寫時(shí)間及時(shí)鐘周期。當(dāng)選時(shí)鐘頻率為12MHZ時(shí)，331ns，400ns。由此可見(jiàn)，常用的RAM都能滿足單片機(jī)時(shí)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(chǔ)系統(tǒng)不同，8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)，其程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)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(fù)位后從000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，故程序存儲(chǔ)器地址應(yīng)從000H開(kāi)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(fèi)一些空間。這里只用了一片，故不存在此問(wèn)題。因此8K的地址為0000H～1FFFH。 擴(kuò)展RAM的地址與I/O口及外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址，任何擴(kuò)展的I/O口及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間。對(duì)本系統(tǒng)，RAM容量及擴(kuò)展I/O外圍設(shè)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0000H～FFFFH,I/O占2000H～1FFFH，其余未作分配。8K的RAM可以分配在0000H～1FFFH。 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(shí)首先應(yīng)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(chǔ)器與單片機(jī)的聯(lián)接，主要是三總線的聯(lián)接。應(yīng)考慮單片機(jī)總線的驅(qū)動(dòng)能力是否足夠，若不夠，應(yīng)加適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)，如加總線驅(qū)動(dòng)器74244、74245等。根據(jù)前面介紹的單片機(jī)8031的驅(qū)動(dòng)特性知，在此不必加驅(qū)動(dòng)。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(duì)應(yīng)相連，與RAM的 一一對(duì)應(yīng)相連，其余地址線經(jīng)譯碼器產(chǎn)生片選信號(hào)。 （2）數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)線的聯(lián)接是將分別與存儲(chǔ)器的一一對(duì)應(yīng)相連。 （3）控制總線 單片機(jī)返訪問(wèn)EPROM 和RAM的控制信號(hào)主要有： ：外部EPROM 取指令信號(hào)。 ：即，外部RAM寫信號(hào)。 ：即，外部RAM讀信號(hào)。 根據(jù)上述控制信號(hào)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(kuò)展存儲(chǔ)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(chǔ)器部分的設(shè)計(jì)。 4.5接口電路及輔助電路具體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)接口電路包括鍵盤、數(shù)碼顯示及步進(jìn)電機(jī)接口電路。輔助電路包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及報(bào)警指示電路。 8031單片機(jī)的P1口可以用作I/O接口，為管理上述接口電路，還需擴(kuò)展接口，作如下分配，用8031單片機(jī)的P1口管理步進(jìn)電機(jī)，用擴(kuò)展接口管理鍵盤和顯示電路。 4.5.1.步進(jìn)電機(jī)接口電路 有前面總體設(shè)計(jì)知，步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生采用硬件實(shí)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(gè)輸入控制端E1、E2可直接接地，如工作方式設(shè)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：-Δ、+Δ、選出輸出控制端、時(shí)鐘輸出控制端CP及清零端。要正確控制步進(jìn)電機(jī)，必須正確控制這些信號(hào)。在此確定所需的方向機(jī)輸出控制信號(hào)由單片機(jī)的P1 口控制，所需的時(shí)鐘脈沖有定時(shí)器提供，清零端由8031的P1.5 引腳提供，以防亂相。 X、Z向步進(jìn)電機(jī)各自用一個(gè)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(jī)輸出控制信號(hào)，P1.3、P1.4分別用作Z向的方向及輸出控制信號(hào)。 4.5.2.鍵盤、顯示接口 1）、鍵盤 確定鍵盤的鍵數(shù)及結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)工作臺(tái)的要求。為簡(jiǎn)單，設(shè)置幾個(gè)功能鍵： “↑”、“↓”、“←”、“→”、復(fù)位鍵、暫停鍵、其對(duì)應(yīng)功能見(jiàn)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(jié)構(gòu)多為矩陣結(jié)構(gòu)，這里由于鍵數(shù)少，故采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，如圖4-6所示。 2）、數(shù)碼顯示 根據(jù)工作臺(tái)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(diǎn)）3位，小數(shù)部分2位，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定在工作臺(tái)的左下角。 3）、擴(kuò)展接口 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)需用使用鍵盤和顯示時(shí)，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(jié)構(gòu)和顯示器的輸入要求，8155的I/O口分配見(jiàn)表4。 4）、8155與8031的聯(lián)接 8155與8031的聯(lián)接也可歸結(jié)為其三總線的聯(lián)接。8155具有地址所存信號(hào)控制，故可直接將8031的P0口線對(duì)應(yīng)的聯(lián)至8155的AD0～AD7,同時(shí)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(yīng)聯(lián)接即可。8155的地址已在前面存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)作了安排，其地址占為：2000～2FFF，故可將 P2。5 經(jīng)一反相器直接聯(lián)至8155的片選腳。 圖4-6 鍵盤結(jié)構(gòu) 表4 8155I/O功能分配 4.5.3其他輔助電路 1、復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)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(jī)變實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。 單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。本系統(tǒng)硬是用上電與按鈕復(fù)位組合。 復(fù)位電路中的電阻、電容參數(shù)與CPU 所采用的時(shí)鐘頻率有關(guān)，要保證RESET出現(xiàn)10ms 以上高電平，最好由試驗(yàn)調(diào)整。 2、時(shí)鐘電路 三片機(jī)的時(shí)鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式：利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件。晶體可以在1.2～12MHZ間任選，電容在5～30pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。 外部時(shí)鐘方式：XTAL1接地，XTAL接外部時(shí)鐘源。 這里選用內(nèi)部方式，時(shí)鐘頻率為6MHZ。 3.其它 為了整體控制需要，在硬件上應(yīng)將8155的定時(shí)輸入端TMOUT 聯(lián)接到8031的 TMOUT端，其作用在軟件部分再作說(shuō)明。另外，還應(yīng)將8155的定時(shí)輸入端與步進(jìn)電機(jī)控制用的環(huán)形分配器的CP端相連，其作用已在前面說(shuō)明。 由此，硬件部分設(shè)計(jì)完成，可畫出完整的單片機(jī)控制系統(tǒng)的線路圖?？梢?jiàn)連好的圖紙5。 - 30 -