基于USB的运动控制平台及采集卡的设计

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大电流电感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为电感器生产厂家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。

图2 USB通信电路

3.2 数据采集电路的设计

数据采集电路的功能就是将现场的温度、压力以及应力等数据转换成合适的模拟信号，再把模拟信号传送给A/D转换电路。此模块包括温度采集模块和压力采集模块两部分。

温度数据采集使用了DS18B20，它是美国Dallas公司生产的数字化温度传感器，世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。测量温度范围为-55°C～+125°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大插件电感大提高了系统的抗干扰性。新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。将采集的温度送至ATmegal6内部的采样保持电路，然后进行放大、A/D转换，再经过固件程序的换算就可以得到测量温度了。

在本系统中，测量压力采用的器件是广州森纳士仪器有限公司生产的压力变送器，其量程是0.0lMPa，输出信号是4~20mA的电流。当压力改变时，输出电流也随之发生变化，所

以在信号输出端接一个精密电阻，然后对电阻两端的电压进行采样和转换，再经过固件程序的换算就可以得到测量压力了。

3.3步进电机驱动电路设计

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，插件电感器从而达到调速的目的。