CN102402202A - 基于光纤通讯的多轴运动控制卡 - Google Patents

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石晓龙
陈智华
陈秀峰
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤通讯的多轴运动控制卡，包括控制单元、信号输入单元和信号输出单元，控制单元包括光收发器、上位机PC和单片机CPU；数据输入单元包括A/D转换电路和光电耦合器；数据输出单元包括三个脉冲信号输出单元、电压/电流信号输出单元和正方向信号输出单元。本发明采用光纤作为物理传输媒介，以光收发器作为短距离的电信号和长距离的光信号相互转换的器件，具有极强的抗干扰能力；采用单片机和可编程计数/定时器，具有外围器件少、硬件结构简单、柔性度高等特点；在总线设计上采用了串行总线方式，具有连接引脚数量少、连接简单、成本低和系统可靠性高的特点。

Description

基于光纤通讯的多轴运动控制卡
技术领域
本发明涉及数控技术领域，具体涉及一种基于光纤通讯的多轴运动控制卡。
背景技术
在数控技术领域中，运动控制卡是数字化制造的核心部件。随着制造业的快速发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市场能够提供不同加工需求、迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一代数控系统具有方便的网络功能，开放式体系结构的数控系统已成为当今数控技术的发展方向。基于光纤通讯的多轴运动控制卡，具有极强的抗电磁干扰能力，频带极宽，通信容量大。
申请号为200410017112.4，公开号为CN1564095A，名称为“基于RS-232串行总线的多轴运动控制卡”的发明专利申请和申请号为200910050444.5，公开号为CN 101546185A的名称为“基于IEEE-1394串行总线的多轴运动控制卡”发明专利申请均采用基于计算机标准总线的“PC+运动控制卡”结构，但是在有强电磁波干扰的场合其抗干扰能力的强度不够明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤通讯的多轴运动控制卡，具有强抗干扰能力。
一种基于光纤通讯的多轴运动控制卡，包括控制单元、信号输入单元和信号输出单元，其特征在于，
所述控制单元包括光收发器、上位机PC和单片机CPU，一光收发器的一端与单片机CPU通过串行总线相连接，另一端与上位机PC通过光纤相连接；
所述信号输入单元包括A/D转换电路和第一光电耦合器，A/D转换电路电连接第一光电耦合器，第一光电耦合器电连接所述单片机CPU；
所述信号输出单元包括三个脉冲信号输出电路、一个电压/电流信号输出电路和一个正反转信号输出电路；
所述脉冲信号输出电路包括第二光电耦合器和可编程计数/定时器，第二光电耦合器的一端电连接所述单片机CPU，第二光电耦合器的另一端电连接可编程计数/定时器的输入端，可编程计数/定时器的输出端电连接X或Y或Z轴驱动器，可编程计数/定时器的信号端电连接标准信号发生器；
所述电压/电流信号输出电路包括第三光电耦合器和D/A转换电路，第三光电耦合器的一端电连接所述单片机CPU，第三光电耦合器的另一端电连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的第一电压输出端连接电主轴驱动器，第二电压输出端通过电压/电流转换电路连接电主轴驱动器；
所述正反转信号输出电路包括第四光电耦合器和正反转开关电路，第四光电耦合器的一端，第四光电耦合器的另一端电连接正反转开关电路的一端，正反转开关电路的另一端电连接X、Y和Z轴驱动器。
进一步地，所述光电耦合器选用多通道双向数字光电耦合器。
进一步地，所述可编程计数/定时器选用8254芯片。
进一步地，所述标准信号发生器选用石英多谐晶体振荡器。
进一步地，所述A/D转换电路选用线性光电耦合器。
本发明的优点是：运动控制卡采用光纤作为物理传输媒介，以光收发器作为短距离的电信号和长距离的光信号相互转换的器件，并优选采用线性光耦，具有极强的抗干扰能力。采用单片机和可编程计数/定时器，具有外围器件少、硬件结构简单、柔性度高等特点。在总线设计上采用了串行总线方式，具有连接引脚数量少、连接简单、成本低和系统可靠性高的特点，同时不需要写驱动程序。
附图说明
图1是本发明控制卡整体结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于光纤通讯的多轴运动控制卡，包括控制单元、信号输入单元和信号输出单元，其特征在于，
所述控制单元包括光收发器、上位机PC和单片机CPU，一光收发器的一端与单片机CPU通过串行总线相连接，另一端与上位机PC通过光纤相连接；
所述信号输入单元包括A/D转换电路和第一光电耦合器，A/D转换电路电连接第一光电耦合器，第一光电耦合器电连接所述单片机CPU；
所述信号输出单元包括三个脉冲信号输出电路、一个电压/电流信号输出电路和一个正反转信号输出电路；
所述脉冲信号输出电路包括第二光电耦合器和可编程计数/定时器，第二光电耦合器的一端电连接所述单片机CPU，第二光电耦合器的另一端电连接可编程计数/定时器的输入端，可编程计数/定时器的输出端电连接X或Y或Z轴驱动器，可编程计数/定时器的信号端电连接标准信号发生器；
所述电压/电流信号输出电路包括第三光电耦合器和D/A转换电路，第三光电耦合器的一端电连接所述单片机CPU，第三光电耦合器的另一端电连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的第一电压输出端连接电主轴驱动器，第二电压输出端通过电压/电流转换电路连接电主轴驱动器；
所述正反转信号输出电路包括第四光电耦合器和正反转开关电路，第四光电耦合器的一端，第四光电耦合器的另一端电连接正反转开关电路的一端，正反转开关电路的另一端电连接X、Y和Z轴驱动器。
本发明工作过程：上位机通过通用以太网卡，塑料光纤，以太网光收发器与控制卡CPU通讯，启动/停止控制卡，下传给定控制信号，获得控制卡运行状态参数。上位机与运动控制卡的通讯线采用塑料光纤，完全屏蔽了上位机与运动控制卡通讯过程中工业现场复杂的电磁干扰，特别是电机启动/停止的强电磁干扰，大大提高了运动控制卡的运行可靠行。
控制卡CPU通过光耦隔离与电源监控电路通过相连，获得电源运行状态，在电源异常时启动电源保护程序；在信号输入单元，外部的信号采集模块采集外部信号量，采集到的信号经过A/D转换电路和多通道双向数字光电耦合器隔离后输入控制卡CPU数据总线；石英晶体多谐振荡器作为可编程计数/定时器8254的脉冲信号发生源，脉冲信号输出电路的可编程计数/定时器8254通过多通道双向数字光电耦合器与控制卡CPU数据总线相连，将单片机输出电机控制信号转化为电机运动控制脉冲输出。
电源监控输入、控制卡CPU与电源监控输入、A/D转换信号输入单元、8254电机控制脉冲输出单元以及电流电压控制输出单元均采用光电耦合器件进行隔离，确保了运动控制卡在复杂工业现场环境下的抗干扰能力。
作为优选，所述标准信号发生器选用石英多谐晶体振荡器，运动控制卡选用8254可编程计数/定时器作为脉冲控制电路，EEPROM芯片选择X5054，具有低VCC检测上电和掉电保护功能，保证了本运动控制卡的运行稳定性。

Claims (4)

1.一种基于光纤通讯的多轴运动控制卡，包括控制单元、信号输入单元和信号输出单元，其特征在于，
所述控制单元包括光收发器、上位机PC和单片机CPU，一光收发器的一端与单片机CPU通过串行总线相连接，另一端与上位机PC通过光纤相连接；
所述信号输入单元包括A/D转换电路和第一光电耦合器，A/D转换电路电连接第一光电耦合器，第一光电耦合器电连接所述单片机CPU；
所述信号输出单元包括三个脉冲信号输出电路、一个电压/电流信号输出电路和一个正反转信号输出电路；
所述脉冲信号输出电路包括第二光电耦合器和可编程计数/定时器，第二光电耦合器的一端电连接所述单片机CPU，第二光电耦合器的另一端电连接可编程计数/定时器的输入端，可编程计数/定时器的输出端电连接X或Y或Z轴驱动器，可编程计数/定时器的信号端电连接标准信号发生器；
所述电压/电流信号输出电路包括第三光电耦合器和D/A转换电路，第三光电耦合器的一端电连接所述单片机CPU，第三光电耦合器的另一端电连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的第一电压输出端连接电主轴驱动器，第二电压输出端通过电压/电流转换电路连接电主轴驱动器；
所述正反转信号输出电路包括第四光电耦合器和正反转开关电路，第四光电耦合器的一端，第四光电耦合器的另一端电连接正反转开关电路的一端，正反转开关电路的另一端电连接X、Y和Z轴驱动器。
2.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述可编程计数/定时器选用8254芯片。
3.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述标准信号发生器选用石英多谐晶体振荡器。
4.根据权利要求1所述的多轴运动控制卡，其特征在于，所述A/D转换电路选用线性光电耦合器。
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