基于USB的运动控制平台及采集卡的设计

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  • 1 引言

           基于PC机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元,总线形式多种多样,高速总线可以采用ISA、PCI、USB等总线技术。通常使用的是基于ISA总线、PCI总线。由于计算机主板的更新换代,ISA插槽使用的越来越少了PCI总线的运动控制卡成了目前的主流。但是PCI总线存在一些缺陷:易受机箱内环境的影响,受计算机插槽数量的地址、中断资源的限制而不可能挂接很多设备等。USB总线具有安装方便、高带宽、易扩展等优点,其中USB2.0标准有着高达480MB/s的传输速率,已经逐渐成为计算机接口的主流。而且,通用串行总线USB为多点数据采集提供了很大的便利,利用USB可以实现比传统方式更有效、更经济、点数更多的数据采集。USB数据总线已经在各种计算机上得到普及,成为计算机的标准设备。

    2 系统体系结构

    基于USB总线的运动控制平台及采集卡系统按照功能的划分,主要包括3个方面:USB接口设计,通过USB接口实现PC机与单片机的通讯;电机的驱动,采用电机驱动芯片UC3717A;数据采集问题,数据采集的目的是为了监控外界情况,步进电机的工作环境例如温度,以及捕获运动轨迹等,它是通过传感部件利用传感器监控外界,将采集的信息作模数转换后传递到单片机,由单片机送到微机,作分析、显示。系统的体系结构如图1所示。

    图1 系统的体系结构

    系统的工作过程就是一个数据采集和控制步进电机运行的过程,其中的每一步都需要不同组的支持。首先,温度和压力参数经传感器转换成模拟信号,模拟信号经过A/D转换变单片机可识别的数字信号;接着单片机将数字信号进行处理之后,就可以送往LED显示或者发送给USB接口芯片;然后USB接口芯片在主机需要的时候,把接收到的数据经USB总发送给主机进行处理和显示;最后将处理的结果经USB总线和单片机来控制步进电机的运行。

    3系统的硬件电路设计

    USB数据采集系统的硬件电路结构主要包括以下几个部分:USB通信电路部分、数据采集电路部分、步进电机驱动。模块的功能都是在以ATmega16为核心的硬件平台上实现的。

    3.1 USB通信电路的设计

    USB通信电路的功能是实现数据采集系统设备端和主机端之间的通信,这一功能主要是由核心微控制器ATmega16和USB控制器件PDIUSBD12实现的。其中,PDIUSBD12是符合USB1.1协议的芯片,在USB通信电路中起着联系设备和主机的桥梁的作用。微控制器ATmegal6和USB控制器PDIUSBD12之间通过8位并行总线进行通信,8位并行总线在ATmegal6端需要连接8个I/O口。PDIUSBD12片内集成了时钟乘法PLL,晶振电路使用6MHZ的晶振和两个2pF到68pF的电容。PDIUSBD12的信号输出端D+/D-上要各串接一个18欧的匹配电阻。通信电路如图2所示。

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