开关量输入输出电路的设计
开关量输入输出电路的设计
1.1 概述
数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），早期是由硬件电路构成，称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。计算机数控（Computerized Numerical Control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
1.2 研究背景
从20世纪50年代数控机床诞生以来，数控系统给生产制造业带来了革命性的变化。数控系统是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值和高利润的重要出口产品。数控系统已成为关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产品。
从20世纪70年代以来，以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造业最重要的技术特征，数控机床水平的高低和机床数控化率的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志[1]。随着数控技术的发展和在生产过程中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化，加工精度和速度提高，生产效率大幅度增长，加工品质得到了极大完善，并实现了人工很难做到的对各种复杂工件的自动加工。数控系统发展的同时也奠定了柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的基础。
进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。数控系统即自动化设备，它的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重中之重。
1.3 数控系统原理及组成
1.3.1 数控系统的原理
如图1-1所示是典型的数控系统，其工作原理是：首先根据被加工零件的工艺要求，编制出相应的程序，然后通过各种输入方式将程序输入，这些信息将被输入到数控系统，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大区驱动伺服电机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。
图1-1 典型的数控系统
1.3.2 数控系统的组成
一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。
控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。
控制系统主要由总线,CPU,电源,存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC,PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。
1.4 数控系统的工作流程
（1）输入：零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC 接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
（2）译码：不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F 代码)和其他辅助信息(M,S,T代码等)按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。
（3）刀具补偿：刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。
（4）进给速度处理： 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。
（5）插补：插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹,即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
（6）位置控制：位置控制处在伺服回路的位置环上， 这部分工作可以由软件实现， 也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。
（7）I/0 处理：I/O 处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀,换挡,冷却等) 。
（8）显示：CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
（9）诊断：对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。
1.5 数控系统未来发展趋势
从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。
当前，数控系统正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化；在技能化基础上，综合了计算机、通信、人工智能等多学科技术，实现了高速、高效、高精度控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各种参数，实现在线故障诊断和智能化处理；在网络基础上，CAD/CAM与数控系统集成一体，实现工厂制造网络化、异地制造等[2]。
数控系统将来发展的主要目标是进一步减低价格，增加可靠性，拓展功能，提高操作的舒适性，提高集成性，提高系统的柔性和开放性，减小体积，提高数控机床的生产能力。
2 总体方案设计
2.1 主要研究内容和要求
（1）ISA总线的数控光隔I/O板的设计满足数控系统的要求，系统方案合理简单。
（2）完成课题设计的相关材料的收集和整理。
（3）熟悉ISA总线设计标准。
（4）完成32路光隔输入电路的设计。
(5) 完成32路光隔输出电路的设计。
(6) 要求占用四个连续的口地址。
(7) 输入信号
输入低电平：VL=0-0.4V
输入高电平：VH=5-24V（当大于5V时，用户要串接电阻）
(8) 输出信号
输入低电平：VL=0-0.4V
输入高电平：VH=5-24V
输出负载能力200mA
2.2 设计思路
2.3.1 开关量输入输出电路的组成
如图2-1为典型的开关量输入输出电路结构，开关量输入输出电路一般由三部分组成:CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口（即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路）。其中CPU接口逻辑由数据总线缓冲器、输出驱动器、译码器、读写等控制信号组成。
在开关量输入输出电路的设计中，主要应考虑输入信号的转换、滤波、保护、隔离以及输出信号的驱动等问题。
由下图2-1可以看出，开关量输入输出电路设计主要包括以下几个方面：
（1） 输入信号处理（即抗干扰信号处理）
（2） 缓冲器的设计（包括数据总线缓冲器和输入缓冲器）
（3） 译码器的设计（包括口地址译码器和板选译码器）
（4） 控制逻辑设计（包括门电路和跳线器）
（5） 输出锁存器的设计
（6） 输出驱动器的设计
1.1 概述
数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），早期是由硬件电路构成，称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。计算机数控（Computerized Numerical Control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
1.2 研究背景
从20世纪50年代数控机床诞生以来，数控系统给生产制造业带来了革命性的变化。数控系统是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值和高利润的重要出口产品。数控系统已成为关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产品。
从20世纪70年代以来，以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造业最重要的技术特征，数控机床水平的高低和机床数控化率的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志[1]。随着数控技术的发展和在生产过程中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化，加工精度和速度提高，生产效率大幅度增长，加工品质得到了极大完善，并实现了人工很难做到的对各种复杂工件的自动加工。数控系统发展的同时也奠定了柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的基础。
进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。数控系统即自动化设备，它的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重中之重。
1.3 数控系统原理及组成
1.3.1 数控系统的原理
如图1-1所示是典型的数控系统，其工作原理是：首先根据被加工零件的工艺要求，编制出相应的程序，然后通过各种输入方式将程序输入，这些信息将被输入到数控系统，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大区驱动伺服电机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。
图1-1 典型的数控系统
1.3.2 数控系统的组成
一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。
控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。
控制系统主要由总线,CPU,电源,存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC,PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。
1.4 数控系统的工作流程
（1）输入：零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC 接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
（2）译码：不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F 代码)和其他辅助信息(M,S,T代码等)按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。
（3）刀具补偿：刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。
（4）进给速度处理： 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。
（5）插补：插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹,即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
（6）位置控制：位置控制处在伺服回路的位置环上， 这部分工作可以由软件实现， 也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。
（7）I/0 处理：I/O 处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀,换挡,冷却等) 。
（8）显示：CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
（9）诊断：对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。
1.5 数控系统未来发展趋势
从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。
当前，数控系统正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化；在技能化基础上，综合了计算机、通信、人工智能等多学科技术，实现了高速、高效、高精度控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各种参数，实现在线故障诊断和智能化处理；在网络基础上，CAD/CAM与数控系统集成一体，实现工厂制造网络化、异地制造等[2]。
数控系统将来发展的主要目标是进一步减低价格，增加可靠性，拓展功能，提高操作的舒适性，提高集成性，提高系统的柔性和开放性，减小体积，提高数控机床的生产能力。
2 总体方案设计
2.1 主要研究内容和要求
（1）ISA总线的数控光隔I/O板的设计满足数控系统的要求，系统方案合理简单。
（2）完成课题设计的相关材料的收集和整理。
（3）熟悉ISA总线设计标准。
（4）完成32路光隔输入电路的设计。
(5) 完成32路光隔输出电路的设计。
(6) 要求占用四个连续的口地址。
(7) 输入信号
输入低电平：VL=0-0.4V
输入高电平：VH=5-24V（当大于5V时，用户要串接电阻）
(8) 输出信号
输入低电平：VL=0-0.4V
输入高电平：VH=5-24V
输出负载能力200mA
2.2 设计思路
2.3.1 开关量输入输出电路的组成
如图2-1为典型的开关量输入输出电路结构，开关量输入输出电路一般由三部分组成:CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口（即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路）。其中CPU接口逻辑由数据总线缓冲器、输出驱动器、译码器、读写等控制信号组成。
在开关量输入输出电路的设计中，主要应考虑输入信号的转换、滤波、保护、隔离以及输出信号的驱动等问题。
由下图2-1可以看出，开关量输入输出电路设计主要包括以下几个方面：
（1） 输入信号处理（即抗干扰信号处理）
（2） 缓冲器的设计（包括数据总线缓冲器和输入缓冲器）
（3） 译码器的设计（包括口地址译码器和板选译码器）
（4） 控制逻辑设计（包括门电路和跳线器）
（5） 输出锁存器的设计
（6） 输出驱动器的设计
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