CN115967394B - 一种基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，其包括有IO端子座电路、输出IO电路和输入IO电路三个部分。本发明多路隔离复用的端口电路中的输入IO电路使用内部的电源和接地，而输出IO电路使用外部设备的电源和接地，以此保证了机械臂控制器在I/O接口端子不能满足应用需求时，出现的因端口冲击而损坏。更进一步的，当I/O接口端子未可靠连接等情况造成输出信号故障时，由于输入IO电路可以监测输出的电平，只用简单的逻辑，就可以定位出I/O接口故障发生的故障点与故障类型。
Description
技术领域
本发明涉及IO接口电路，更特别地说，是指一种多路隔离复用端口电路，该多路隔离复用端口电路用于实现机械臂控制器通过IO接口来完成数据信息的输入或输出，属于电子信号处理技术领域。
背景技术
传统的工业机械臂是根据具体的工作环境和任务来开发的。机械臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。
作为机械臂的大脑－机械臂控制器，则是实时解算机械臂姿态并控制机械臂完成各项任务。一个完整的机械臂控制器除了CPU、存储器外，还必须有CPU与外部设备之间的数据输入/输出(I/O)操作，即机械臂控制器通过接口电路实现数据传送。一般来说，机械臂控制器的总线并不直接和外部设备相连接，而是通过各种接口电路和外部设备连接。在机械臂控制器内部本身就集成有一定数量的I/O接口电路，可以满足一些简单场合外部设备的需要。但对于一些复杂的机械臂控制器，其内部的I/O不够用时，就必须对I/O接口进行扩展。
机械臂控制器体积小巧，可以嵌入到机械臂中使用，在实际使用场景中，数据传输往往需要借助I/O接口电路的配合来完成机械臂的控制或者获取机械臂的反馈。目前I/O接口电路的输入IO接口电路与输出IO接口电路是独立设计的。但是由于不同的使用场景对输入IO接口电路与输出IO接口电路的需求数量是不同的，这造成了输出IO接口还有很多时，而输入IO接口却不够用的情况出现，尤其是机械臂控制器受空间限制，不能预留出I/O接口端子来满足应用需求，降低了机械臂控制器与外部设备的通信质量。
发明内容
为了解决上述矛盾，以及在受限空间的机械臂中，本发明设计了一种多路隔离复用的端口电路。本发明多路隔离复用的端口电路中让每一个I/O接口都可以根据应用需要设置成为输入IO接口或者输出IO接口；另一方面，本发明多路隔离复用的端口电路还设计了具备隔离的功能。
本发明多路隔离复用的端口电路中的输入IO电路使用内部的电源和接地，而输出IO电路使用外部设备的电源和接地，以此保证了机械臂控制器在I/O接口端子不能满足应用需求时，出现的因端口冲击而损坏。更进一步的，当I/O接口端子未可靠连接等情况造成输出信号故障时，由于输入IO电路可以监测输出的电平，只用简单的逻辑，就可以定位出I/O接口故障发生的故障点与故障类型。
本发明的一种基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，其特征在于：所述的多路隔离复用端口电路包括有IO端子座电路、输出IO电路和输入IO电路三个部分。多路隔离复用端口电路中的输出IO电路所实现功能是：当机械臂控制器引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4输入的是高电平时，达林顿晶体管阵列U3的引脚IO1、IO2、IO3、IO4输出为高电平；当机械臂控制器引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4输入的是低电平时，达林顿晶体管阵列U3的引脚IO1、IO2、IO3、IO4输出为低电平。多路隔离复用端口电路的输入IO电路中，当机械臂控制器引脚C_DIN1、C_DIN2、C_DIN3、C_DIN4输入的是高电平信号时，输入IO电路中的引脚IO1、IO2、IO3、IO4为高电平。当机械臂控制器引脚C_DIN1、C_DIN2、C_DIN3、C_DIN4输入的是低电平信号时，输入IO电路中的引脚IO1、IO2、IO3、IO4为低电平。
本发明基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路的优点在于：
(1)本发明多路隔离复用的端口电路中输入IO电路与输出IO电路为复用接口结构，通过机械臂控制器输出的高低电平信号进行互换。
(2)本发明多路隔离复用的端口电路中接口端子(IO1、IO2、IO3、IO4)作为输出使用时，同一时间也可以作为输入使用，互不影响，这样一来，不仅多路隔离复用的端口电路的真实电平可以被实时检测。
(3)本发明多路隔离复用的端口电路在进行IO接口故障排除的时，当某一路IO接口端子不能输出高低电平时，若输入端口可以检测到输出电平的变化，说明PCB端没有问题，故障点在机械臂控制器与连接线上；若输入端口无法检测到输出电平的变化，则先排查PCB端的故障问题。
附图说明
图1是本发明基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明设计的一种基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，所述的多路隔离复用端口电路包括有IO端子座电路、输出IO电路和输入IO电路三个部分。电路各引脚的连接为：
图1中，端子座CN1的引脚IO1、IO2、IO3、IO4是复用的隔离端口；F1、F2是5A的保险；C10是0.1uF的陶瓷电容；端子座CN1的引脚2连接外部输入电源的正极DIN_PWR，引脚6连接外部输出电源的正极DOUT_PWR，引脚8同时连接外部输入电源的负极O_DOUTGND和外部输出电源的负极O_DOUTGND。
端子座CN1的引脚2连接保险管F1后与外部输入电源的正极DIN_PWR连接。
端子座CN1的引脚6连接保险管F2后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接。端子座CN1的引脚6连接保险管F2、电容C10后接外部输入/输出电源的负极O_DOUTGND。
端子座CN1的引脚1分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚16、光耦隔离芯片U2的引脚2连接。
端子座CN1的引脚3分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚15、光耦隔离芯片U2的引脚4连接。
端子座CN1的引脚5分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚14、光耦隔离芯片U2的引脚6连接。
端子座CN1的引脚7分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚13、光耦隔离芯片U2的引脚8连接。
光耦隔离芯片U1的型号为PS2801－4－F3，起到信号隔离作用。贴片排阻R17、贴片排阻R18。达林顿晶体管阵列U3的型号uln2003APW。R19、R20、R21、R22为上拉电阻，阻值为20K。C9为0.1uF的陶瓷电容。
贴片排阻R17的引脚1、2、3、4分别与机械臂控制器的电平信号引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4连接。贴片排阻R17的引脚8、7、6、5与光耦隔离芯片U1的引脚2、4、6、8连接。
光耦隔离芯片U1的引脚1、3、5、7接内部电源3.3V；U1的引脚16、14、12、10接外部电源的正极。U1的引脚15、13、11、9与贴片排阻R18的引脚1、2、3、4连接。
贴片排阻R18的引脚8、7、6、5与达林顿晶体管阵列U3的引脚1、2、3、4连接。达林顿晶体管阵列U3的8脚接外部电源的负极；U3的9脚接外部输出电源的正极。达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13分别与端子座CN1的引脚1、3、5、7连接，所述达林顿晶体管阵列U3的引脚IO1、IO2、IO3、IO4是具备隔离功能的IO输出。
U3的引脚16经电阻R22后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接。
U3的引脚15经电阻R21后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接。
U3的引脚14经电阻R20后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接。
U3的引脚13经电阻R19后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接。
在本发明中，多路隔离复用端口电路中的输出IO电路所实现功能是：当机械臂控制器引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4输入的是高电平时，达林顿晶体管阵列U3的引脚IO1、IO2、IO3、IO4输出为高电平；当机械臂控制器引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4输入的是低电平时，达林顿晶体管阵列U3的引脚IO1、IO2、IO3、IO4输出为低电平。
图1中U2是光耦，型号为PS2801－4－F3，起到信号隔离作用。R1、R2、R3、R4是6.2K的贴片电阻；R5、R6、R7、R8是10K的贴片电阻；R9、R11、R13、R15是4.7K的贴片电阻；R10、R12、R14、R16是100R的贴片电阻；C1、C2、C3、C4是0.1uF的电容；C5、C6、C7、C8是10nF的电容；DIN_PWR为外部输入电源的正极；3V3为内部电源3.3V；U2的引脚15、13、11、9接内部电源的地GND。
光耦隔离芯片U2的引脚1、3、5、7接外部输入电源的正极DIN_PWR。
光耦隔离芯片U2的引脚1与引脚2之间连接有电容C1。
光耦隔离芯片U2的引脚2经电阻R5后接外部输入电源的正极DIN_PWR。
光耦隔离芯片U2的引脚2经电阻R1后接端子座CN1的引脚1。
光耦隔离芯片U2的引脚3与引脚4之间连接有电容C2。
光耦隔离芯片U2的引脚4经电阻R6后接外部输入电源的正极DIN_PWR。
光耦隔离芯片U2的引脚4经电阻R2后接端子座CN1的引脚3。
光耦隔离芯片U2的引脚5与引脚6之间连接有电容C3。
光耦隔离芯片U2的引脚6经电阻R7后接外部输入电源的正极DIN_PWR。
光耦隔离芯片U2的引脚6经电阻R3后接端子座CN1的引脚5。
光耦隔离芯片U2的引脚7与引脚8之间连接有电容C4。
光耦隔离芯片U2的引脚8经电阻R8后接外部输入电源的正极DIN_PWR。
光耦隔离芯片U2的引脚8经电阻R4后接端子座CN1的引脚7。
光耦隔离芯片U2的引脚15、13、11、9接内部电源的地。
光耦隔离芯片U2的引脚16经电阻R9后接内部电源3.3V。
光耦隔离芯片U2的引脚16经电阻R10、电容C5后连接引脚15。电阻R10与电容C5的组合起到隔离的作用。
光耦隔离芯片U2的引脚16与机械臂控制器引脚C_DIN1连接。
光耦隔离芯片U2的引脚14经电阻R11后接内部电源3.3V。
光耦隔离芯片U2的引脚14经电阻R12、电容C6后连接引脚13。
光耦隔离芯片U2的引脚14与机械臂控制器引脚C_DIN2连接。
光耦隔离芯片U2的引脚12经电阻R13后接内部电源3.3V。
光耦隔离芯片U2的引脚12经电阻R14、电容C7后连接引脚11。
光耦隔离芯片U2的引脚10与机械臂控制器引脚C_DIN3连接。
光耦隔离芯片U2的引脚10经电阻R5后接内部电源3.3V。
光耦隔离芯片U2的引脚10经电阻R16、电容C8后连接引脚9。
光耦隔离芯片U2的引脚110与机械臂控制器引脚C_DIN4连接。
在本发明中，光耦隔离芯片U2的引脚IO1、IO2、IO3、IO4为复用IO接口，在这里当作多路隔离复用端口电路中的输入IO电路使用。
当机械臂控制器引脚C_DIN1、C_DIN2、C_DIN3、C_DIN4输入的是高电平信号时，输入IO电路中的引脚IO1、IO2、IO3、IO4为高电平。
当机械臂控制器引脚C_DIN1、C_DIN2、C_DIN3、C_DIN4输入的是低电平信号时，输入IO电路中的引脚IO1、IO2、IO3、IO4为低电平。
本发明设计的基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路的电路原理图可知，端子座CN1的引脚IO1、IO2、IO3、IO4作为输出使用时，同一时间也可以作为输入使用，互不影响，这样一来，不仅IO的真实电平可以被实时检测，而且也提供了一种IO接口故障排除的方法，例如当设备的某一路IO不能输出高低电平时，若输入端口可以检测到输出电平的变化，说明PCB端没有问题，故障点在机械臂控制器和连接线上；若输入端口无法检测到输出电平的变化，则先排查PCB端的故障问题。
本发明公开了一种基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路。除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。
Claims (4)
1.一种基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，其特征在于：所述的多路隔离复用端口电路包括有IO端子座电路、输出IO电路和输入IO电路三个部分；
端子座CN1的引脚1分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚16、光耦隔离芯片U2的引脚2连接；
端子座CN1的引脚3分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚15、光耦隔离芯片U2的引脚4连接；
端子座CN1的引脚5分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚14、光耦隔离芯片U2的引脚6连接；
端子座CN1的引脚7分别与达林顿晶体管阵列U3的引脚13、光耦隔离芯片U2的引脚8连接；
端子座CN1的引脚2连接保险管F1后与外部输入电源的正极DIN_PWR连接；
端子座CN1的引脚6连接保险管F2后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接；端子座CN1的引脚6连接保险管F2、电容C10后接外部输入/输出电源的负极O_DOUTGND；
贴片排阻R17的引脚1、2、3、4分别与机械臂控制器的电平信号引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4连接；贴片排阻R17的引脚8、7、6、5与光耦隔离芯片U1的引脚2、4、6、8连接；
光耦隔离芯片U1的引脚1、3、5、7接内部电源3.3V；U1的引脚16、14、12、10接外部电源的正极；U1的引脚15、13、11、9与贴片排阻R18的引脚1、2、3、4连接；
贴片排阻R18的引脚8、7、6、5与达林顿晶体管阵列U3的引脚1、2、3、4连接；达林顿晶体管阵列U3的8脚接外部电源的负极；U3的9脚接外部输出电源的正极；达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13分别与端子座CN1的引脚1、3、5、7连接，所述达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13是具备隔离功能的IO输出；
U3的引脚16经电阻R22后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接；
U3的引脚15经电阻R21后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接；
U3的引脚14经电阻R20后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接；
U3的引脚13经电阻R19后与外部输出电源的正极DOUT_PWR连接；
光耦隔离芯片U2的引脚1、3、5、7接外部输入电源的正极DIN_PWR；
光耦隔离芯片U2的引脚1与引脚2之间连接有电容C1；
光耦隔离芯片U2的引脚2经电阻R5后接外部输入电源的正极DIN_PWR；
光耦隔离芯片U2的引脚2经电阻R1后接端子座CN1的引脚1；
光耦隔离芯片U2的引脚3与引脚4之间连接有电容C2；
光耦隔离芯片U2的引脚4经电阻R6后接外部输入电源的正极DIN_PWR；
光耦隔离芯片U2的引脚4经电阻R2后接端子座CN1的引脚3；
光耦隔离芯片U2的引脚5与引脚6之间连接有电容C3；
光耦隔离芯片U2的引脚6经电阻R7后接外部输入电源的正极DIN_PWR；
光耦隔离芯片U2的引脚6经电阻R3后接端子座CN1的引脚5；
光耦隔离芯片U2的引脚7与引脚8之间连接有电容C4；
光耦隔离芯片U2的引脚8经电阻R8后接外部输入电源的正极DIN_PWR；
光耦隔离芯片U2的引脚8经电阻R4后接端子座CN1的引脚7；
光耦隔离芯片U2的引脚15、13、11、9接内部电源的地；
光耦隔离芯片U2的引脚16经电阻R9后接内部电源3.3V；
光耦隔离芯片U2的引脚16经电阻R10、电容C5后连接引脚15；
光耦隔离芯片U2的引脚16与机械臂控制器引脚C_DIN1连接；
光耦隔离芯片U2的引脚14经电阻R11后接内部电源3.3V；
光耦隔离芯片U2的引脚14经电阻R12、电容C6后连接引脚13；
光耦隔离芯片U2的引脚14与机械臂控制器引脚C_DIN2连接；
光耦隔离芯片U2的引脚12经电阻R13后接内部电源3.3V；
光耦隔离芯片U2的引脚12经电阻R14、电容C7后连接引脚11；
光耦隔离芯片U2的引脚10与机械臂控制器引脚C_DIN3连接；
光耦隔离芯片U2的引脚10经电阻R5后接内部电源3.3V；
光耦隔离芯片U2的引脚10经电阻R16、电容C8后连接引脚9；
光耦隔离芯片U2的引脚110与机械臂控制器引脚C_DIN4连接。
2.根据权利要求1所述的基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，其特征在于：多路隔离复用端口电路中的输出IO电路所实现功能是：当机械臂控制器引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4输入的是高电平时，达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13输出为高电平；当机械臂控制器引脚C_DOUT1、C_DOUT2、C_DOUT3、C_DOUT4输入的是低电平时，达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13输出为低电平。
3.根据权利要求1所述的基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，其特征在于：多路隔离复用端口电路的输入IO电路中，当机械臂控制器引脚C_DIN1、C_DIN2、C_DIN3、C_DIN4输入的是高电平信号时，输入IO电路中达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13为高电平；当机械臂控制器引脚C_DIN1、C_DIN2、C_DIN3、C_DIN4输入的是低电平信号时，输入IO电路中达林顿晶体管阵列U3的引脚16、15、14、13为低电平。
4.根据权利要求1所述的基于机械臂控制器的多路隔离复用端口电路，其特征在于：多路隔离复用的端口电路中的输入IO电路使用内部的电源和接地，而输出IO电路使用外部设备的电源和接地，以此保证了机械臂控制器在I/O接口端子不能满足应用需求时，出现的因端口冲击而损坏。
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