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。

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，从而达到调速的目的。

　　电机驱动电路主要由驱动芯片组成，本系统使用的电机驱动芯片为UC3717A。UC3717A芯片使用非常简单，它通过3个输入管脚(Phase、I1和I0)分别图单片机引脚连接来接收输入的参数，在2个输出管脚（Aout和Bout）上与电机连接输出相应的控制信号。由于UC3717A包含一个H桥，因此电机驱动电路有两片UC3717A对应部分相连构成完整的驱动电路。如3微部分驱动电机驱动电路图。