[发明专利]基于单片机的四轴运动控制卡

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控技术领域的运动控制卡，具体是一种基于单片机的四轴运动控制卡。

背景技术

在数控技术领域中，运动控制卡是实现运动控制技术的核心部件，它将预定的控制方案、规划指令转变为期望的机械运动、实现对被控目标精度的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制等。运动控制卡和工业PC以及伺服驱动器一起构成完整的运动控制单元。

单片机又称为单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。目前单片机广泛应用于各种工业控制领域、如机器人、智能仪表等。

经过对现有技术的文献检索发现，中国申请号为200410017112.4，公开号为CN 1564095A的专利“基于RS-232串行总线的多轴运动控制卡”给出了一种由控制单元、开关量输入单元和信号输出单元组成的运动控制卡。该发明是以89C52单片机(一种Atmel公司的改进型51单片机)为控制核心，采用可擦除可编程只读存储器作为存储器，采用RS-232串行总线方式通讯的一种运动控制卡。但该发明存在一些缺点：89C52单片机是八位单片机，运算速度慢，总线地址少、功能少，控制速度和精度有限，且非片上系统的单片机，只能采用仿真器方式进行调试；可擦除可编程只读存储器编程需要专用设备，使用不便；RS232通讯数据传输效率不高，传输距离有限。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种基于单片机的四轴运动控制卡，使其以高速混合信号处理单片机为核心，采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)芯片技术进行硬件译码，由计数器芯片发送脉冲实现位置控制。

本发明通过如下技术方案实现的，本发明包括：单片机单元、CPLD单元、PC104(一种嵌入式总线规范)通讯单元、脉冲发生单元、输入输出接口单元、扩展外部存储器单元，其中：

单片机单元为具有16位地址总线的具有SOC(片上系统)功能的高速混合信号处理单片机，单片机单元内部包括Flash存储器以及数据存储器，分别负责储存系统程序以及程序运行数据，单片机单元通过CPLD单元和扩展外部存储器单元进行数据交互，单片机单元将运动控制数据传输进入CPLD单元，同时也将控制信息传入CPLD单元，单片机将输入输出接口单元输入的外部模拟量输入信号转化为数字量信号，也能将自身内部的数字量信号转换为模拟量信号，模拟量信号再由输入输出接口单元传输给伺服驱动器及外部电路，单片机单元的部分端口直接作为数字量IO(输入输出)端口，与输入输出接口单元进行数据传输；

CPLD单元根据其内部的逻辑运算功能按照单片机单元的控制信息将数据传输到扩展外部存储器单元、PC104通讯单元、脉冲发生单元，CPLD单元接收由输入输出接口单元输入的轴编码信号、手摇脉冲发生器信号，预处理后再传递给单片机单元；CPLD单元外围接口多、扩展硬件资源，CPLD单元和单片机单元共同构成了整个运动控制卡的核心部分；

PC104通讯单元实现上位机和单片机单元的数据交互，上位机数据由PC104总线传输进入PC104通讯单元，然后再传输进入CPLD单元，最后进入单片机单元；

脉冲发生单元的数据由CPLD单元传输进入，输入脉冲发生单元的初始脉冲由单片机单元提供，脉冲发生单元通过对输入的初始脉冲分频生成一个频率、脉宽可控的脉冲，通过输入输出接口单元分别对四个轴的伺服驱动器实现精确控制；

输入输出接口单元负责脉冲发生单元、单片机中的IO端口、CPLD单元等部件和外部电路以及伺服驱动器的数据交互，将单片机IO端口的输出信号、脉冲发生单元输出信号进行放大后输出给伺服驱动器以及外部电路；同时外部电路的数字量信号经由通过输入输出接口单元处理后进入单片机IO端口，外部模拟量输入信号经由输入输出接口单元处理后传输进入单片机单元，外部轴编码信号以及手摇脉冲发生器信号通过输入输出接口单元处理后传输进入CPLD单元，并供单片机单元使用。

扩展外部存储器单元负责存储系统工作时的数据，单片机单元片内存储器数据存储量小，部分数据通过CPLD单元传递进入扩展外部存储器单元进行存储，并随时供单片机单元读取。

所述输入输出接口单元，其输入输出的数字量信号通过一个数字量IO扩展单元，数字量IO扩展单元负责扩展输入输出的数字量信号，将通过输入输出接口单元输入数字量IO扩展单元的信号锁存，等待单片机单元读取；将单片机单元通过CPLD单元传输进入数字量IO扩展单元的输出部分进行锁存，并传递给输入输出接口单元再输出。