CN202486575U - 一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置,包括主板和底板,所述主板用于设置内部通用模块,所述底板用于置放外延功能模块,所述内部通用模块包括相互连接的基于EtherCAT总线技术的ESC芯片和MCU单片机芯片,所述外延功能模块包括矩阵按键扫描模块、输入输出模块和开关模块,所述MCU单片机芯片分别对所述矩阵按键扫描模块、所述输入输出模块和所述开关模块进行控制。本实用新型采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置成本低,开发方便,软件修改方便,易于面板功能的扩展和更改,提高了MCU外设引脚的可复用性和利用率,很容易实现系统功能的定制、升级、维护。
Description
技术领域
本实用新型涉及控制接口领域,尤其是一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置。
背景技术
作为一种控制接口装置,数控机床的控制面板是指与数控系统运动控制单元相连,使用者可以通过其控制机床各个运动模块的运行状态。传统的操作面板通讯采用串口、并口等总线,数据吞吐量小,传输距离短,与机床的其他系统之间通讯总线不兼容,甚至需要专门的通讯总线,系统不易集成。另外,传统控制面板上的控制芯片负责矩阵键盘的扫描,按键LED显示控制、旋钮开关等I/O数据处理以及与主机的通讯,有的控制面板上还需扩展外部手轮,A/D、D/A等功能,一般的控制芯片很难满足这样的使用要求和成本要求。
目前,工业以太网技术已经成为工业控制领域中的一个研究热点,多家自动化公司推出了自己的工业以太网解决方案。目前主要的工业以太网标准有以下几种:Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profinet、Powerlink、EtherCAT以及中国研制的EPA等。与传统控制网络相比,工业以太网具有应用广泛、为所有的编程语言所支持、软硬件资源丰富、易于与Internet连接、可实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接等诸多优点。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置,有效地解决了单片机I/O和外设资源不足的问题,有效地提高了模块的互换性,软件修改方便,易于面板功能的扩展和更改。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置,其中,包括主板和底板,所述主板用于设置内部通用模块,所述底板用于置放外延功能模块,所述内部通用模块包括相互连接的基于EtherCAT总线技术的ESC芯片和MCU单片机芯片,所述外延功能模块包括矩阵按键扫描模块、输入输出模块和开关模块,所述MCU单片机芯片分别对所述矩阵按键扫描模块、所述输入输出模块和所述开关模块进行控制。
本实用新型的一个实施例中,所述内部通用模块还包括译码器,所述MCU单片机芯片通过所述译码器与所述矩阵按键扫描模块连接。
本实用新型的一个实施例中,所述内部通用模块还包括并行锁存器,所述MCU单片机芯片通过所述并行锁存器与所述开关模块连接。
本实用新型的一个实施例中,所述输入输出模块为I/O接口,所述I/O接口包括模拟量输入输出接口、手轮正交编码信号输入接口、PWM输出接口和快速I/O接口。
本实用新型的一个实施例中,所述外延功能模块还包括显示模块、音频输出模块,所述MCU单片机芯片分别对所述显示模块、所述音频输出模块进行控制。
本实用新型的一个实施例中,所述内部通用模块还包括移位寄存器,所述MCU单片机芯片通过所述移位寄存器与所述显示模块连接。
本实用新型的一个实施例中,所述显示模块为LCD或者LCM。
本实用新型的一个实施例中,所述音频输出模块为扬声器。
本实用新型的一个实施例中,所述开关模块包括拨码开关、旋钮开关。
本实用新型的一个实施例中,所述内部通用模块还包括存储器,所述存储器为E2ROM芯片,所述MCU单片机芯片通过I2C接口连接所述E2ROM芯片,以实现初始化。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果体现在:
(1)使用EtherCAT总线专用从站控制芯片(ET1100),成本低,开发方便;
(2)采用外扩MCU的方式,由其专门实现控制面板上的数字量、模拟量的采集与控制,由于MCU外设功能丰富,软件修改方便,因而易于面板功能的扩展和更改;
(3)通过合理的硬件设计,提高了MCU外设引脚的可复用性和利用率;
(4)软件上,通过编写ET1100的配置文件和MCU的程序软件,很容易实现系统功能的定制、升级、维护。
附图说明
图1是本实用新型采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置的硬件架构示意图;
图2是实时工业以太网EtherCAT总线协议的运行原理示意图;
图3是本实用新型采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置的实现方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明,但不作为本实用新型的限定。
请参考图1所示,本实用新型采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置即控制面板,包括主板和底板,主板用于设置内部通用模块,底板用于置放外延功能模块,内部通用模块包括相互连接的基于EtherCAT总线技术的ESC芯片和MCU单片机芯片,ESC芯片和MCU单片机芯片优选采用SPI总线连接,并共享电源和时钟,硬件电路上采用协议芯片通过串行总线与MCU通信,MCU专门用于面板上数字量、模拟量等I/O信息的采集与控制,响应迅速,功能扩展方便,开发方便。外延功能模块包括矩阵按键扫描模块、输入输出模块和开关模块,MCU单片机芯片分别对矩阵按键扫描模块、输入输出模块和开关模块进行控制。
优选地,MCU单片机芯片采用使用EtherCAT总线专用从站控制芯片ET1100实现网络通讯,本实施例采用德国BECKHOFF公司的实时工业以太网EtherCAT总线协议,其运行原理大致如图2所示,EtherCAT主站可以连接多个EtherCAT从站设备,报文每经过一个从站,从站就从报文中提取数据或向报文中插入数据,因此具有高带宽利用率,有效地解决了工业以太网总线数据量与实时性的矛盾。协议由专门的EtherCAT 控制芯片(ESC)等硬件实现,可以获得响应时间小于1ms的硬实时,同时该总线协议支持多种拓扑结构,刷新率高,非常适合数控系统的实时数据通讯。采用EtherCAT实时工业以太网总线协议,具有较好的实时性能,且容易与机床的控制总线集成。
另外,使用高性能16位单片机MCU实现控制接口装置上数据信息的采集与信号控制,实现按键输入、按键指示、声音提醒以及开关模块读取等运动控制功能。采用外扩MCU的方式,由其专门实现控制面板上的数字量、模拟量的采集与控制,由于MCU外设功能丰富,软件修改方便,因而易于面板功能的扩展和更改。
优选地,开关模块包括按钮开关、拨码开关等。拨码开关也叫DIP开关、拨动开关、超频开关、地址开关、拨拉开关、数码开关、指拨开关,是一款用来操作控制的地址开关,采用的是0/1的二进制编码原理。
在本实用新型的一个变化例中,内部通用模块还包括译码器,MCU单片机芯片通过译码器与矩阵按键扫描模块连接。矩阵按键扫描模块能够实现键盘按键的逐行扫描,通过一定的算法实现按键数据的去抖、滤波、消除鬼影键等问题,保证了按键信息的准确性。
在本实用新型的另一个变化例中,内部通用模块还包括并行锁存器,MCU单片机芯片通过并行锁存器与开关模块连接。
输入输出模块为I/O接口,I/O接口包括模拟量输入输出接口、手轮正交编码信号输入接口、PWM输出接口和快速I/O接口。本实用新型能够读取拨码开关、旋钮开关等开关量信息和快速I/O中断,实现了外部开关信号的快速响应,另外预留了直接I/O、AD、PWM、正交编码电路的软硬件接口,易于功能扩展。
外延功能模块还包括显示模块、音频输出模块,MCU单片机芯片分别对显示模块、音频输出模块进行控制。
内部通用模块还包括移位寄存器,MCU单片机芯片通过移位寄存器与显示模块连接。优选地,显示模块为LCD或者LCM,LCM(LCD Module)即LCD显示模组、液晶模块,是指将液晶显示器件,连接件,控制与驱动等外围电路,PCB电路板,背光源,结构件等装配在一起的组件。音频输出模块优选为喇叭或者扬声器。用户按下某一或某几个键,相应指示LED灯会变亮,喇叭发出按键声,实现了按键指示。
图3示出了操作面板功能的硬件实现方法:MCU控制移位寄存器实现按键指示灯的控制、数码管的显示,MCU控制4线8线译码器实现按键扫描矩阵的逐行扫描,并行锁存器实现拨码开关、旋钮开关、喇叭等引脚复用和状态保持,直接I/O用于外部中断、手轮正交编码信号输入等信号的直接快速响应,A/D实现控制面板模拟量的输入。
另外,内部通用模块还包括存储器,存储器为E2ROM芯片,所述MCU单片机芯片通过I2C接口连接所述E2ROM芯片,以实现初始化。通过ET1100外挂具有I2C接口的 E2ROM芯片,上电自动加载专门为操作面板编写的XML配置文件,实现ET1100的初始化,不需要主站的动态加载。I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备,是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准,它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简单,器件封装形式小,通信速率较高等优点。
综上,本实用新型采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置成本低,开发方便,软件修改方便,易于面板功能的扩展和更改,提高了MCU外设引脚的可复用性和利用率,很容易实现系统功能的定制、升级、维护。
以上所述仅为本实用新型较佳的实施例,并非因此限制本实用新型的申请专利范围,所以凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等效结构变化,均包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置,其特征在于,包括主板和底板,所述主板用于设置内部通用模块,所述底板用于置放外延功能模块,所述内部通用模块包括相互连接的基于EtherCAT总线技术的ESC芯片和MCU单片机芯片,所述外延功能模块包括矩阵按键扫描模块、输入输出模块和开关模块,所述MCU单片机芯片分别对所述矩阵按键扫描模块、所述输入输出模块和所述开关模块进行控制。
2.如权利要求1所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述内部通用模块还包括译码器,所述MCU单片机芯片通过所述译码器与所述矩阵按键扫描模块连接。
3.如权利要求1所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述内部通用模块还包括并行锁存器,所述MCU单片机芯片通过所述并行锁存器与所述开关模块连接。
4.如权利要求1所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述输入输出模块为I/O接口,所述I/O接口包括模拟量输入输出接口、手轮正交编码信号输入接口、PWM输出接口和快速I/O接口。
5.如权利要求1所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述外延功能模块还包括显示模块、音频输出模块,所述MCU单片机芯片分别对所述显示模块、所述音频输出模块进行控制。
6.如权利要求5所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述内部通用模块还包括移位寄存器,所述MCU单片机芯片通过所述移位寄存器与所述显示模块连接。
7.如权利要求5或6所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述显示模块为LCD或者LCM。
8.如权利要求5或6所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述音频输出模块为扬声器。
9.如权利要求1或3所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述开关模块包括拨码开关、旋钮开关。
10.如权利要求1所述的数控机床控制接口装置,其特征在于,所述内部通用模块还包括存储器,所述存储器为E2ROM芯片,所述MCU单片机芯片通过I2C接口连接所述E2ROM芯片,以实现初始化。
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