CN208937948U - 一种工业自动化控制板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种工业自动化控制板。工业自动化控制板包括一块电路板，在电路板上设置有主控制器、电源电路、多路电机驱动电路、数字电位器和多路光耦电平转换接口。本实用新型通过优化布局使各个功能模块集成在一块电路板上，无需设置排线，不仅使用方便，而且能够提高信号的稳定性。同时，本实用新型为了能够兼容工业自动化领域的步进电机驱动器而设置了多路光耦电平转换接口，通过多路光耦电平转换接口将主控制器输出的3.3V驱动信号转换为通用步进电机细分控制器能够直接使用的5V驱动信号，实现了驱动信号的逻辑对接，电平转换和电气隔离，从而能够驱动更高电压和电流的步进电机。
Description
技术领域
本实用新型涉及自动化领域，特别是涉及一种工业自动化控制板。
背景技术
RepRap是一个三维打印机原型机(或3D打印机)，它具有一定程度的自我复制能力，能够打印出大部分其自身的塑料组件。但是，由于RepRap主板是针对3D打印机而设计的，兼容性较差，无法直接和工业自动化领域中通用的步进电机驱动器对接，因此，无法满足工业自动化的应用要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种工业自动化控制板，所述控制板能够直接和工业自动化领域中通用的步进电机驱动器对接，使用方便，信号稳定，兼容性好。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种工业自动化控制板，所述控制板包括一块电路板，在所述电路板上设置有主控制器、电源电路、多路电机驱动电路、数字电位器和多路光耦电平转换接口，其中，
所述电源电路的输出端与所述主控制器的电源端连接；
所述多路光耦电平转换接口的输入端与所述主控制器的数据输出端连接，所述多路光耦电平转换接口的输出端用于连接通用的步进电机细分控制器；
所述数字电位器的输入端与所述主控制器的数据输出端连接，所述数字电位器的输出端与所述多路电机驱动电路的参考电压端连接，所述主控制器的数据输出端与所述多路电机驱动电路的输入端连接。
可选的，所述主控制器包括ARM芯片，所述电源电路包括5V降压电路和3.3V降压电路，其中，
所述5V降压电路包括开关电压调节器LM2596-5.0，所述开关电压调节器LM2596-5.0用于将24V直流电转换为5V直流电；
所述3.3V降压电路包括三端可调正稳压器集成电路LM117，所述三端可调正稳压器集成电路LM117的输入端与所述开关电压调节器LM2596-5.0的输出端连接。
可选的，所述电路板上还设置有光耦隔离电路和光电开关输入电路，其中，
所述光耦隔离电路的输出端与所述主控制器的数据输入端连接，所述光耦隔离电路的输入端与所述光电开关输入电路的输出端连接，所述光电开关输入电路的输入端用于连接外接的开关量传感器。
可选的，所述电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的USB接口和TF卡电路。
可选的，所述电路板上还设置有与所述主控制器连接的功能扩展接口。
可选的，所述电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的TLL通信接口和SPI通信接口。
可选的，所述电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的JTAG调试接口和网络接口。
可选的，所述电路板上还设置有与所述主控制器连接的工作状态指示灯。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
本实用新型提供的工业自动化控制板包括一块电路板，在电路板上设置有主控制器、电源电路、多路电机驱动电路、数字电位器和多路光耦电平转换接口。多路光耦电平转换接口的输入端与主控制器的数据输出端连接，多路光耦电平转换接口的输出端能够连接通用步进电机细分控制器。可见，针对现有的reprap主板由两块板子通过排线连接导致其应用不方便且信号稳定性差的问题，本实用新型通过优化布局使各个功能模块集成在一块电路板上，无需设置排线，不仅使用方便，而且能够提高信号的稳定性。
同时，本实用新型为了能够兼容工业自动化领域的步进电机驱动器而设置了多路光耦电平转换接口，通过多路光耦电平转换接口将主控制器输出的3.3V驱动信号转换为通用步进电机细分控制器能够直接使用的5V驱动信号，实现了驱动信号的逻辑对接，电平转换和电气隔离，从而能够驱动更高电压和电流的步进电机。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型实施例提供的工业自动化控制板的结构框图；
图2为本实用新型实施例提供的电源电路的电路原理图；
图3为本实用新型实施例提供的电机驱动电路的电路原理图；
图4为本实用新型实施例提供的光耦转换接口的电路原理图；
图5为本实用新型实施例提供的USB接口的电路原理图；
图6为本实用新型实施例提供的SD接口电路的电路原理图；
图7为本实用新型实施例提供的数字电位器的电路原理图；
图8为本实用新型实施例提供的功能扩展接口的电路原理图；
图9为本实用新型实施例提供的网络接口的电路原理图；
图10为本实用新型实施例提供的光电开关输入电路的电路原理图；
图11为本实用新型实施例提供的ADC模拟量输入电路的电路原理图；
图12为本实用新型实施例提供的电磁继电器输出电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种工业自动化控制板，所述控制板能够直接和工业自动化领域中通用的步进电机驱动器对接，使用方便，信号稳定，兼容性好。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型实施例提供的工业自动化控制板的结构框图。如图1所示，一种工业自动化控制板，所述控制板包括一块电路板，在所述电路板上设置有主控制器1、电源电路、多路电机驱动电路3、数字电位器4和多路光耦电平转换接口5、光耦隔离电路6、光电开关输入电路7、USB接口8、TF卡电路9、功能扩展接口10、JTAG调试接口11和网络接口12。
所述电源电路的输出端与所述主控制器1的电源端连接。所述多路光耦电平转换接口5的输入端与所述主控制器1的数据输出端连接，所述多路光耦电平转换接口5的输出端用于连接通用的步进电机细分控制器。所述数字电位器4的输入端与所述主控制器1的数据输出端连接，所述数字电位器4的输出端与所述多路电机驱动电路3的参考电压端连接，所述主控制器1的数据输出端与所述多路电机驱动电路3的输入端连接。
所述光耦隔离电路6、所述光电开关输入电路7、所述USB接口8、所述TF卡电路9、所述功能扩展接口10、所述JTAG调试接口11和所述网络接口12均与所述主控制器1连接。
所述光耦隔离电路6的输出端与所述主控制器1的数据输入端连接，所述光耦隔离电路6的输入端与所述光电开关输入电路7的输出端连接，所述光电开关输入电路7的输入端用于连接外接的开关量传感器。
优选地，所述主控制器包括ARM芯片。本实施例中，所述主控制器1为以ARM内核为基础开发的高速高稳定性大容量的SOC芯片Atmel SAM3X8E，便于应用arduino数据库进行软件开发。其中，RESET按键为系统复位，当RESET为低电平时系统为复位状态，当芯片上电时RESET由低电平延时后升之高电平，此时所述主控制器1从第一条指令开始执行芯片内部程序。如果要手动复位软件时可按下RESET按键。ERASE按健为固件清除按键，在通电的情况下常按此键6秒可清除芯片内部的固件。在内部固件清除后可以使用USB接口8通过电脑重新下载新的固件。同时，JTAG调试接口11可连接ARM开发仿真工具，方便软件的仿真调试。
图2为本实用新型实施例提供的电源电路的电路原理图。其中，图2的(a)部分为5V降压电路的电路原理图，图2的(b)部分为3.3V降压电路的电路原理图。如图2和图3所示，所述电源电路包括5V降压电路21和3.3V降压电路22。所述5V降压电路21包括开关电压调节器LM2596-5.0，所述开关电压调节器LM2596-5.0用于将24V直流电转换为5V直流电。所述3.3V降压电路22包括三端可调正稳压器集成电路LM117，所述三端可调正稳压器集成电路LM117的输入端与所述开关电压调节器LM2596-5.0的输出端连接。
本实施例提供的控制板主要包括三组供电电压。24V是外部电源给控制板的主供电，5V电压是通过5V降压电路21输出给主要外围模块供电，3.3V电压给主控芯片等逻辑电路供电。针对以前控制板工作不稳定的问题，本实用新型通过调校电源电路中的电感值和电容值，并优化电路布局使电源纹波控制在80mv以内，从而使系统工作更加稳定。
图3为本实用新型实施例提供的电机驱动电路的电路原理图。如图3所示，电机驱动电路接收主控制器1的控制信号，通过内部放大和逻辑变换来驱动42系列步进电机。ENABLE为电机使能信号，低电平时为使能电机。DIR为电机方向信号，高低两种状态决定了电机的正转和反转。STEP为电机的脉冲信号，通过控制给出的脉冲个数可以控制步进电机的转动距离。REF引脚用于设定电机的工作电流，REF引脚受数字电位器控制，可通过主控制器1设定电机的工作电流。本实施例中，多路电机驱动电路3包括四个图，如图3所示的电路模块用于驱动四个42系列步进电机。
图4为本实用新型实施例提供的光耦转换接口的电路原理图。图4所示的光耦转换接口主要是为了使主控制器1能够驱动高功率步进电机而设计的，其中，图4的(a)部分用于生成Motor-PLU信号，图4的(b)部分用于生成Motor-EN信号，图4的(c)部分用于生成Motor-DIR信号。主控制器1为3.3V系统，而通用步进电机细分控制器为5V系统。通过图4所示的光耦转换接口实现了驱动信号的逻辑对接，电平转换和电气隔离。本实施例中，多路光耦电平转换接口5集成了四个如图4所示的光耦转换接口用于驱动四个高功率步进电机。
图5为本实用新型实施例提供的USB接口的电路原理图。结合图5的(a)部分和图5的(b)部分，USB接口8主要完成固件下载，在DEVICE模式时可与电脑上位机软件进行通信实现可视化界面下的机器操作。在HOST模式时可以和USB设备进行通信。SP2525A为专业的USB电源管理芯片，能够有效的保护电路板和USB设备供电安全。
图6为本实用新型实施例提供的SD接口电路的电路原理图。如图6所示，SD接口完全兼容SD和TF卡的读写操作，主要保存机器的配置信息文件和机器要执行的GCODE文件。配置信息可以通过读卡器在一般电脑上随意更改。
图7为本实用新型实施例提供的数字电位器的电路原理图。如图7所示，数字电位器4通过I2C协议和主控制器1通信，在控制板上电后主控制器1通过读取SD卡中的机器配置信息，把读到的数据通TWCLK,TWDATA数据线写入到数字电位器4中来分别设定E1_VREF,E2_VREF,E3_VREF,E4_VREF四个脚的电位值，此四个脚分别接四个电机驱动电路的参考电压引脚，从而能够控制电机的工作电流，便于适配不同电机。
图8为本实用新型实施例提供的功能扩展接口的电路原理图。如图8所示，功能扩展接口10为扩展引出插座，功能扩展接口10把主控制器1的主要功能脚引出，方便系统的功能扩展。
图9为本实用新型实施例提供的网络接口的电路原理图。如图9所示，网络接口12采用了一颗能够提供10base/100base ethernet物理层收发能力的芯片KSZ8051RNL完成网络数据和主控制器1的数据交换。通过网络接口12可组建局域网，能够通过上位机软件对机器进行远程控制，并能实现一台电脑上位机软件控制局域网中的多个设备。
图10为本实用新型实施例提供的光电开关输入电路的电路原理图。光电开关输入电路7可以接入不同的开关量传感器来实现不同的功能。光耦隔离电路6主要是把传感器的信号进行转换和电气隔离，使主控制器能更稳定的工作，避免外部干扰信号的冲击。本实施例中，控制板可以最多接九个开关量传感器。
为了进一步增强控制板的模块扩展功能，本实施例的电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的TLL通信接口和SPI通信接口。通过TLL通信接口与支持TLL通信的设备连接，实现功能扩展和板间通信。通过SPI通信接口与支持SPI总线的设备连接，实现功能扩展。
进一步地，本实用新型提供的工业自动化控制板的电路板上还设置有五路ADC模拟量输入电路和七路电磁继电器输出电路。图11为本实用新型实施例提供的ADC模拟量输入电路的电路原理图。图12为本实用新型实施例提供的电磁继电器输出电路的电路原理图。如图11所示，模拟量输入可以在0-3.3V之间变化，读取压力传感器，温度传感器，距离传感器输出的电压高低就可得到相应的数据值。由于模拟信号为小信号，高精度。本实用新型在主板布局，信号走线进行了特殊处理，能够很好的对接此类传感器。本实施例提供的控制板可以接五个模拟量输入传感器。如图12所示，主控制器1通过给出高低电平可以控制继电器的通断从而控制设备的相关动作。电磁继电器输出电路加有反向保护二极管，可有效减少电感反向电压对电路的冲击，从而使电路工作更加稳定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (8)
1.一种工业自动化控制板，其特征在于，所述控制板包括一块电路板，在所述电路板上设置有主控制器、电源电路、多路电机驱动电路、数字电位器和多路光耦电平转换接口，其中，
所述电源电路的输出端与所述主控制器的电源端连接；
所述多路光耦电平转换接口的输入端与所述主控制器的数据输出端连接，所述多路光耦电平转换接口的输出端用于连接通用的步进电机细分控制器；
所述数字电位器的输入端与所述主控制器的数据输出端连接，所述数字电位器的输出端与所述多路电机驱动电路的参考电压端连接，所述主控制器的数据输出端与所述多路电机驱动电路的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述主控制器包括ARM芯片，所述电源电路包括5V降压电路和3.3V降压电路，其中，
所述5V降压电路包括开关电压调节器LM2596-5.0，所述开关电压调节器LM2596-5.0用于将24V直流电转换为5V直流电；
所述3.3V降压电路包括三端可调正稳压器集成电路LM117，所述三端可调正稳压器集成电路LM117的输入端与所述开关电压调节器LM2596-5.0的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述电路板上还设置有光耦隔离电路和光电开关输入电路，其中，
所述光耦隔离电路的输出端与所述主控制器的数据输入端连接，所述光耦隔离电路的输入端与所述光电开关输入电路的输出端连接，所述光电开关输入电路的输入端用于连接外接的开关量传感器。
4.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的USB接口和TF卡电路。
5.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述电路板上还设置有与所述主控制器连接的功能扩展接口。
6.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的TLL通信接口和SPI通信接口。
7.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述电路板上还设置有分别与所述主控制器连接的JTAG调试接口和网络接口。
8.根据权利要求1所述的工业自动化控制板，其特征在于，所述电路板上还设置有与所述主控制器连接的工作状态指示灯。
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