教学用二维运动平台控制系统设计(硬件部分)
教学用二维运动平台控制系统设计(硬件部分)[20200211152657]
摘要
二维运动平台在数控设备、机器人等领域已经被大量广泛应用，其涉及的相关技术众多，如机械传动、步进电机控制、微处理控制器、运动控制等。为了使此方面技术的教学仪器更加底层化便于学生学习，本文给出两种可行的二维运动平台硬件设计方案。
本文详细介绍了ARM和DSP两种控制方案主控电路和外围电路硬件设计，主控电路包含了振荡电路、复位电路和JTAG调试部分；外围电路由通讯部分、驱动部分、限位部分以及步进电机平台部分组成。本设计采用PROTEL DXP分别绘画出ARM和DSP控制方案的系统控制原理图，最后绘制出ARM控制方案的PCB图并完成控制板的焊接和调试，最终将控制板搭载在二维运动平台上可以实现基本几何图形的绘画如矩形和圆形，达到预期目标。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机DSPARM运动控制
目录
1.绪论 1
1.1二维运动平台研究背景 1
1.2二维运动平台研究意义 1
1.3论文章节安排 5
2.二维运动平台设计方案 6
2.1设计方案表述 6
2.2设计方案确定 7
2.3本章总结 8
3.二维运动平台硬件设计 9
3.1主控电路设计 9
3.1.1 ARM主控电路设计 9
3.1.2 DSP主控电路设计 11
3.2 ARM和DSP方案外围电路设计 13
3.2.1平台布线设计 13
3.2.2通讯电路设计 14
3.3.3驱动及限位电路设计 16
3.3 JTAG和JSW调试接口设计 17
3.4防掉电保护设计 18
3.5电源设计 19
3.6抑制电磁干扰设计 19
3.7 PCB板绘制及电路板焊接心得体会 20
3.7.1 PCB板绘画 20
3.7.2贴片元器件焊接心得 21
3.8本章总结 22
4.系统调试 23
4.1硬件调试 23
4.1.1不上电调试 23
4.1.2上电调试 23
4.2软件调试 24
4.3综合调试 26
4.4本章总结 27
5.总结 28
参考文献 35
致谢 36
1.绪论
1.1二维运动平台研究背景
数控技术简而言之就是用简单的数字指令实现机械运动控制技术，早在上世纪60年代中国的数字控制技术就开始发展，在发展前期由于国内外环境条件的限制发展甚缓，直到改革开放之后国家大力支持发展科研项目，相继出台多项扶持政策，数控技术迎来了发展的春天，欣欣向荣、蒸蒸日上。步入21世纪以来，数控技术不断地向开放化、智能化和网络化发展，有很多都形成了品牌终端产品。当今，中国已经成为世界的工厂这都要归功于数控技术的飞速发展。数控技术大大解放了人类生产力使工业自动化生产代替传统的手工制造，提高了生产效率和生产质量，在工业上数控机床、机器人仪器等已经广泛应用；在生活中类似打印机、绘图机数控产品已不足为奇；在汽车生产、航空航天等高端领域都离不开数控的身影。
运动平台是机械运动的基础部件，发展到现在已经拥有了满足各中应用场合的一维、二维、三维乃至多维的运动平台。灵敏、可靠和稳定等优点使运动平台不断地出现在顶尖高端精密仪器上。因此，对于数控技术的掌握和对运动平台知识的学习是时下热点。
1.2二维运动平台研究意义
数控技术发展到现在出现了百花齐放、百家争鸣局势，就二维平台而言出现了各种微控制器主控电路，像PLC、ARM、DSP、AVR和8051单片机等在此舞台各展拳脚。因此，二维平台在应用中不断地得到发展与进步。在此先简要介绍几个现有的教学用二维运动平台控制方案。
PLC控制方案：
图1.1 PLC控制系统框图
PLC教学用二维运动平台设备包括PLC设备台、PC及二维运动平台机床、可调直流稳压电源和驱动器。系统控制图如图1-1
紧凑一体的S7-200PLC将电源、通讯、中央处理等部分全部封装在了一起个性鲜明功能强大且编程直观简单有梯形图法、时序图法、经验法等多种方法。利用S7-200PLC强大的中央处理单元可以发送脉冲、方向控制指令和处理通信接口接受的位置信号。脉冲和脉冲方向信号经过驱动器的处理放大控制高性能的步进电机正反转动，通信接口通过外部运动平台传感器反馈来的位置信号就可了解系统的运行状况并可以指导下一条操作指令。
利用PC机进行软件仿真、程序编写和WINCC组态软件安装。利用WINCC绘制上位机界面对整个系统的运行进行控制以及运行数据进行监测，系统运行控制包含系统的开关状态选择、手动或自动运行方式的选择以及手动运行模式下自定义操作（上、下、左、右、启动、停止）；系统运行数据监测包括步进电机速度大小、坐标位置和运动方向。
这一套二维运动控制平台可以优质高效的教学PLC应用方面的知识以及WINCC组态软件的学习。
图1.2 PLC-200和AT89C51图
AT89C51单片机控制方案：
基于AT89C51的教学用二维运动平台设备包含二维运动平台机床、AT89C51控制板、自制直流电源、步进电机驱动器、计算机和测量反馈装置。系统控制图如下：
图1.3 AT89C51控制系统图
系统中AT89C51控制板只留AT89C51芯片槽可以随时拆装更换芯片但是下载程序需借助专门下载器。开关电源供给24V电压，220V直流电源经过变压整流后得到5V直流电压作为单片机的稳定工作电源。
该教学平台可以实现中央定笔与表面附着白纸的二维运动平台相对运动并在白纸上记录下平台的运动轨迹，如果对控制平台运动的程序进行算法研究可以轻松地绘制出想要的运动轨迹。其工作过程如下：一方面51单片机作为核心处理器发送程序指令经步进电机驱动器放大后控制X-Y轴步进电机协调动作完成需要轨迹；另一方面二维运动平台上的限位信号和位置光栅信号经信号放大器处理后输入单片机等待处理。
该教学平台主要用于配合专业安排的单片机教材方便学生对51知识应用提高，重难点在于平台轨迹绘画的算法程序。
图1.4 DSP和ARM芯片图
DSP控制方案：
基于TMS320F28335的教学用二维运动平台设备包含二维运动平台机床、上位机、电机驱动器、和霍尔反馈装置。系统控制图如下：
图1.5 DSP控制系统图
系统以运算能力强大的TMS320F28335为核心处理器，通过操纵上位机控制TMS发出电机运动指令经驱动器信号处理后控制由X-Y两轴电机组成的二维平台运动。
该运动平台控制板靠扩通讯电路、LED显示电路、调试接口和PWM电路。该平台优势在于本身带有PWM模块，方便产生控制电机的方波信号。并且该模块功能强大，可以自由设置脉冲频率、脉冲数等参数。信号反馈环节采用霍尔传感器可以及时传达位置信号给TMS 接受GPIO口指导下面的指令输出。
ARM控制方案：
图1.6 ARM控制系统图
基于LPC2104的教学用二维运动平台设备包含二维运动平台机床、PC机、电机驱动器和电源电路。系统控制图如图1-6：
该系统以系统控制能力强劲的ARM为核心处理器，通过通讯电路接受来自上位机的操作指令并经过放大器和驱动器处理后控制电机转动。为了保护电路设置了手动限位开关，在开关动作的时候电机失电停止转动。该教学二维运动平台侧重于对步进电机的直线插补和圆形插补方法进行研究以及对ARM芯片的相关知识学习。
尽管现在的教学用二维运动平台设计多样但都使用起来功能都不称心如意，因此设计出符合所需功能的二维运动平台就是本文所探讨研究的。本设计的二维运动控制平台的成功设计对以后教学方面更好的学习数控技术、微处理器、步进电机相关知识或者直线插补等算法都有着促进作用。
二维运动平台的成功设计会使原本远离生活的生产车间平台更加底层化更加接近学生，从此，电气、机械、自动化等专业的学生可以轻松地在实验室对数控技术进行学习与研究。零距离接触教学用仪器的实践与实验机会对于电气、机械和自动化专业学生而言更具有教学意义。本次的二维运动平台控制系统将采用DSP与ARM微处理器芯片两种设计方案，编程将采用C语言编程，开发的控制系统硬件提供保护功能，如各种限位保护，防止学生在调试时因程序设计不当，对机械系统造成损坏。此外，系统也将配备相应的微处理器程序的调试接口，软件调试与下载接口采用USB接口，方便与电脑联接，以方便学生程序调试。
摘要
二维运动平台在数控设备、机器人等领域已经被大量广泛应用，其涉及的相关技术众多，如机械传动、步进电机控制、微处理控制器、运动控制等。为了使此方面技术的教学仪器更加底层化便于学生学习，本文给出两种可行的二维运动平台硬件设计方案。
本文详细介绍了ARM和DSP两种控制方案主控电路和外围电路硬件设计，主控电路包含了振荡电路、复位电路和JTAG调试部分；外围电路由通讯部分、驱动部分、限位部分以及步进电机平台部分组成。本设计采用PROTEL DXP分别绘画出ARM和DSP控制方案的系统控制原理图，最后绘制出ARM控制方案的PCB图并完成控制板的焊接和调试，最终将控制板搭载在二维运动平台上可以实现基本几何图形的绘画如矩形和圆形，达到预期目标。
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关键字:单片机DSPARM运动控制
目录
1.绪论 1
1.1二维运动平台研究背景 1
1.2二维运动平台研究意义 1
1.3论文章节安排 5
2.二维运动平台设计方案 6
2.1设计方案表述 6
2.2设计方案确定 7
2.3本章总结 8
3.二维运动平台硬件设计 9
3.1主控电路设计 9
3.1.1 ARM主控电路设计 9
3.1.2 DSP主控电路设计 11
3.2 ARM和DSP方案外围电路设计 13
3.2.1平台布线设计 13
3.2.2通讯电路设计 14
3.3.3驱动及限位电路设计 16
3.3 JTAG和JSW调试接口设计 17
3.4防掉电保护设计 18
3.5电源设计 19
3.6抑制电磁干扰设计 19
3.7 PCB板绘制及电路板焊接心得体会 20
3.7.1 PCB板绘画 20
3.7.2贴片元器件焊接心得 21
3.8本章总结 22
4.系统调试 23
4.1硬件调试 23
4.1.1不上电调试 23
4.1.2上电调试 23
4.2软件调试 24
4.3综合调试 26
4.4本章总结 27
5.总结 28
参考文献 35
致谢 36
1.绪论
1.1二维运动平台研究背景
数控技术简而言之就是用简单的数字指令实现机械运动控制技术，早在上世纪60年代中国的数字控制技术就开始发展，在发展前期由于国内外环境条件的限制发展甚缓，直到改革开放之后国家大力支持发展科研项目，相继出台多项扶持政策，数控技术迎来了发展的春天，欣欣向荣、蒸蒸日上。步入21世纪以来，数控技术不断地向开放化、智能化和网络化发展，有很多都形成了品牌终端产品。当今，中国已经成为世界的工厂这都要归功于数控技术的飞速发展。数控技术大大解放了人类生产力使工业自动化生产代替传统的手工制造，提高了生产效率和生产质量，在工业上数控机床、机器人仪器等已经广泛应用；在生活中类似打印机、绘图机数控产品已不足为奇；在汽车生产、航空航天等高端领域都离不开数控的身影。
运动平台是机械运动的基础部件，发展到现在已经拥有了满足各中应用场合的一维、二维、三维乃至多维的运动平台。灵敏、可靠和稳定等优点使运动平台不断地出现在顶尖高端精密仪器上。因此，对于数控技术的掌握和对运动平台知识的学习是时下热点。
1.2二维运动平台研究意义
数控技术发展到现在出现了百花齐放、百家争鸣局势，就二维平台而言出现了各种微控制器主控电路，像PLC、ARM、DSP、AVR和8051单片机等在此舞台各展拳脚。因此，二维平台在应用中不断地得到发展与进步。在此先简要介绍几个现有的教学用二维运动平台控制方案。
PLC控制方案：
图1.1 PLC控制系统框图
PLC教学用二维运动平台设备包括PLC设备台、PC及二维运动平台机床、可调直流稳压电源和驱动器。系统控制图如图1-1
紧凑一体的S7-200PLC将电源、通讯、中央处理等部分全部封装在了一起个性鲜明功能强大且编程直观简单有梯形图法、时序图法、经验法等多种方法。利用S7-200PLC强大的中央处理单元可以发送脉冲、方向控制指令和处理通信接口接受的位置信号。脉冲和脉冲方向信号经过驱动器的处理放大控制高性能的步进电机正反转动，通信接口通过外部运动平台传感器反馈来的位置信号就可了解系统的运行状况并可以指导下一条操作指令。
利用PC机进行软件仿真、程序编写和WINCC组态软件安装。利用WINCC绘制上位机界面对整个系统的运行进行控制以及运行数据进行监测，系统运行控制包含系统的开关状态选择、手动或自动运行方式的选择以及手动运行模式下自定义操作（上、下、左、右、启动、停止）；系统运行数据监测包括步进电机速度大小、坐标位置和运动方向。
这一套二维运动控制平台可以优质高效的教学PLC应用方面的知识以及WINCC组态软件的学习。
图1.2 PLC-200和AT89C51图
AT89C51单片机控制方案：
基于AT89C51的教学用二维运动平台设备包含二维运动平台机床、AT89C51控制板、自制直流电源、步进电机驱动器、计算机和测量反馈装置。系统控制图如下：
图1.3 AT89C51控制系统图
系统中AT89C51控制板只留AT89C51芯片槽可以随时拆装更换芯片但是下载程序需借助专门下载器。开关电源供给24V电压，220V直流电源经过变压整流后得到5V直流电压作为单片机的稳定工作电源。
该教学平台可以实现中央定笔与表面附着白纸的二维运动平台相对运动并在白纸上记录下平台的运动轨迹，如果对控制平台运动的程序进行算法研究可以轻松地绘制出想要的运动轨迹。其工作过程如下：一方面51单片机作为核心处理器发送程序指令经步进电机驱动器放大后控制X-Y轴步进电机协调动作完成需要轨迹；另一方面二维运动平台上的限位信号和位置光栅信号经信号放大器处理后输入单片机等待处理。
该教学平台主要用于配合专业安排的单片机教材方便学生对51知识应用提高，重难点在于平台轨迹绘画的算法程序。
图1.4 DSP和ARM芯片图
DSP控制方案：
基于TMS320F28335的教学用二维运动平台设备包含二维运动平台机床、上位机、电机驱动器、和霍尔反馈装置。系统控制图如下：
图1.5 DSP控制系统图
系统以运算能力强大的TMS320F28335为核心处理器，通过操纵上位机控制TMS发出电机运动指令经驱动器信号处理后控制由X-Y两轴电机组成的二维平台运动。
该运动平台控制板靠扩通讯电路、LED显示电路、调试接口和PWM电路。该平台优势在于本身带有PWM模块，方便产生控制电机的方波信号。并且该模块功能强大，可以自由设置脉冲频率、脉冲数等参数。信号反馈环节采用霍尔传感器可以及时传达位置信号给TMS 接受GPIO口指导下面的指令输出。
ARM控制方案：
图1.6 ARM控制系统图
基于LPC2104的教学用二维运动平台设备包含二维运动平台机床、PC机、电机驱动器和电源电路。系统控制图如图1-6：
该系统以系统控制能力强劲的ARM为核心处理器，通过通讯电路接受来自上位机的操作指令并经过放大器和驱动器处理后控制电机转动。为了保护电路设置了手动限位开关，在开关动作的时候电机失电停止转动。该教学二维运动平台侧重于对步进电机的直线插补和圆形插补方法进行研究以及对ARM芯片的相关知识学习。
尽管现在的教学用二维运动平台设计多样但都使用起来功能都不称心如意，因此设计出符合所需功能的二维运动平台就是本文所探讨研究的。本设计的二维运动控制平台的成功设计对以后教学方面更好的学习数控技术、微处理器、步进电机相关知识或者直线插补等算法都有着促进作用。
二维运动平台的成功设计会使原本远离生活的生产车间平台更加底层化更加接近学生，从此，电气、机械、自动化等专业的学生可以轻松地在实验室对数控技术进行学习与研究。零距离接触教学用仪器的实践与实验机会对于电气、机械和自动化专业学生而言更具有教学意义。本次的二维运动平台控制系统将采用DSP与ARM微处理器芯片两种设计方案，编程将采用C语言编程，开发的控制系统硬件提供保护功能，如各种限位保护，防止学生在调试时因程序设计不当，对机械系统造成损坏。此外，系统也将配备相应的微处理器程序的调试接口，软件调试与下载接口采用USB接口，方便与电脑联接，以方便学生程序调试。
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