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1、第四章 限制系统硬件模块化设计探讨与实现4.1微处理器的选择由于机械手限制系统中没有大量的信号须要处理，同时又要满意限制要求，确定采纳美国Silicon Labs公司的C8051F型单片机，详细型号为C8051F020。从嵌入式计算机系统的角度来看，单片机的技术发展经验了SCM(Single Chip Microcomputer，单片微型计算机)，MCU(Microcontroller Unit，微限制器)以与SoC(System on Chip，片上系统)三个阶段。该单片机C8051F020为高度集成的混合信号SoC系统级芯片，具有与8051单片机兼容的高速、流水线CIP-51微处理器内核，
2、与MCS-51指令集完全兼容。64K字节可在线编程的FLASH存储器，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口等资源。 除了具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和限制系统中的常用的模拟部件与其他一些数字外设部件15。C8051F020单片机内部的结构如图4.1所示。图4.1 C8051F020单片机内部结构框图Fig.4.1 C8051F020 SCM internal structure diagram C8051F020的封装为100脚TQ型式。其中电源10根，分为数字电源和模拟电源。JIAG接口引脚为6根。C8051F020单片机是混合信号型的单片机所以引脚分为数字
3、子系统引脚(64根)和模拟子系统(18根)。I/O端口有复用方式和非复用方式两种方式。C8051F020单片机引脚如图4.2所示。 图4.2 C8051F020引脚结构图 Fig.4.2 The C8051F020 pin structure picture在C8051F系列单片机中采纳交叉开关网络以硬件方式实现I/O端口的敏捷配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口的系统中，单片机外部为通用I/O口，内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器限制的交叉开关配置到所选择的端口上。 对C8051F020引脚功能的熟识是设计外围硬件电路和绘制电路原理图的基础。只有深刻的理解这100个引脚每个引脚
4、的功能，复用方式，才能合理安排运用每个引脚，在与外围硬件电路的设计中达到C8051F020效能的最大化。4.2模块化限制系统硬件总体设计方法4.2.1单片机外围硬件电路设计基本原则C8051F020 SoC型单片机具有集成度高，功能强大的特点。过去设计单片机系统往往实行的是搭积木式扩展的方式。依据须要将外设(如A/D，D/A，RAM等)进行片外扩展，体积规模较大，与之相协作的供电，时钟信号，抗干扰一系列问题也要考虑，系统的困难程度越大故障点就越多。而片上系统具有高度集成性，我们要做的只是依据自己的设计要求进行设置。因此，应用SoC系统牢靠性会提高不少16。尽管如此，SoC设计与应用仍旧有一些共
5、性的问题和设计原则须要处理，处理妥当才可以把它的特点和性能较好的发挥出来。(1)尽可能选择典型电路，并符合51单片机常规设计规范。典型电路为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础，典型电路易查找资料，改正问题17。(2)系统设计应充分满意限制系统的功能要求，并肯定要有预留模块，以便扩展系统功能。(3)硬件设计出的实物最终是PCB板，所以系统设计时要规划好PCB的设计。SoC工作频率较高，对电源的要求也较高，因此所设计的电路板至少是2层。除从PCB考虑外，还要从供电电源考虑，无论单片机片内是否有稳压器，最好都要接稳压器再连接单片机，并在电源入口处加容量为4.7uF与0.1uF的电容。(4)要充分利
6、用C8051F020的可编程I/O口的安排功能，若在设计PCB时发觉问题可再调整电路原理图，做到I/O口最佳的安排方案。(5)C8051F020的电压较低，连接其他系统或本系统的高压外设时要经过光耦隔离。这种做法可以有效的切断干扰，保证电路不被烧坏。4.2.2模块化硬件系统总体架构与设计硬件设计上以功能特征作为划分模块的依据，分为基本功能模块、预留功能模块和协助功能模块。选择触摸屏作为软硬件交互的平台。硬件上C8051F020单片机作为主控芯片，基本功能模块部分分为串口电路模块、JTAG接口模块、步进电机驱动两关节模块，输出端子口J1模块。预留功能模块部分设计了12位电路转换模块、输入端子口模
7、块、输出端子口模块、驱动三关节模块等。其中12位模数转换电路模块的设计是考虑到采集到的视频信号的输入与转换。输入端子口模块电路的预留是便利用开关按键对机械手的限制。输出端子口的设计是考虑到若手动按键时LCD可以显示机械手运动过程中的相关参数等。步进电机驱动三关节这是模块化机械本体已设定的要求。协助功能模块部分有电源电路模块和晶振复位电路模块。详细见图4.3。 图4.3硬件模块化总体设计框图Fig.4.3 The hardware modular overall design diagram4.3基于触摸屏的人机交互平台功能架构本限制系统中触摸屏作为整个限制系统人机交互的核心，同时也是软硬件交互
8、的核心。通过触摸屏发送吩咐给单片机调用单片机内部的功能模块，完成相应动作，达到限制要求。所以触摸屏是整个限制系统的关键。触摸屏购买并运用北京迪文科技有限公司的以工业应用为主的T系列8寸800*600(辨别率)触摸屏，详细型号为DMG80600T080_01W。触摸屏两根串口线与单片机相连，一根电源线。触摸屏功能架构的确定是依据模块化机械手本体来设定，通过设计触摸屏的界面和吩咐按钮来达到。界面设计包括参数的设定，关节模式的选择，工作方式选择等界面。其中关节模式有两关节模式和三关节模式，参数的设定是大小臂长度的设定，装配点，抓取点位置的设定，工作方式有手动和自动等。在设计触摸屏的同时是与硬件模块化
9、相互参照，协同设计，从而达到触摸屏的界面和吩咐按钮与硬件模块相互吻合，实现预想的限制功能。4.4基本功能模块设计4.4.1串口模块设计C8051F020单片机中有2个增加型串行口：UART0和UART1。所谓“增加型”是指，这2个串行口都具有帧错误检测和通信地址硬件识别功能。串口通信方式运用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。本限制系统中迪文触摸屏采纳的是串口通信，所以单片机串口UART0作为与触摸屏通信的接口，UART1作为预留模块的串口接口为以后可能的数据传输预留。UART0串口通信采纳MAX232电平转换芯片。它是特地为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，运用+5V单电
10、源供电，集成度高，在设计电路时片外最低只需4个1uF的电容即可工作18。设计原理图如图4.4所示。 图4.4 串口电路图 Fig.4.4 The serial interface circuit diagram4.4.2JTAG接口模块设计 JTAG (Joint Test Action Group,联合测试行动小组)，是一种国际标准测试协议，它与IEEE1149.1兼容，主要用于芯片内部测试，可以以单片或其它方式调试程序。现在越来越多的器件支持JTAG协议，如DSP，FPGA等。支持JTAG协议的80C51兼容类单片机并不多，当前市场上主要就是C8051F系列。JTAG编程方式是在线编程，简
11、化流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而可以大大加快工程进度。标准的JTAG接口是4根信号线：TMS，TCK，TDI，TDO，分别为模式选择，时钟，数据输入和数据输出线。可选引脚TRST用于测试复位，为输入引脚，低电平有效。C8051F020本身就带有JTAG接口，其端口引脚1到引脚4与JTAG连接端子相连。JTAG适配器通过USB接口与上位机相连，同时通过10芯JTAG连接端子与目标电路板相连。JTAG连接完成后，可以通过上位机来限制程序的运行，停止，单步和过程单步执行，可以设置硬件断点，可以查看和修改存储器和寄存器。在调试完成后，能够将代码下载到Flash程序存储器中，从而完成
12、一个完整的开发过程19。如图4.5所示。 图4.5 JTAG与单片机的连线图 Fig.4.5 The wiring diagram of JTAG to the single chip microcomputer4.4.3步进电机驱动模块设计装配机械手为平面关节型，大、小臂均为回转运动，重量较轻，转动惯量不大，一般电机都能带动。步进电机系统多用于开环限制，结构简洁，位置和速度易于限制，其相应速度快，输出力矩较大，能快速启动，反制和制动。特殊是步进电机没有积累误差，一般精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积，驱动机械手运动时有较高的位置精度，对于本系统的限制较为志向，其它沟通伺服电机等性价比不
13、高。经过分析比较目前省内步进电机生产厂家的产品，现选择常州市泽明自动化设备有限公司两相混合式步进电机 39BYG系列： 表2.1 两相混合式步进电机39BYG系列技术参数 The series technical parameters of 39 BYG two phase hybrid stepping motor 型号歩距角机身长电流电阻静力距定位距转动惯量引线重量39BYGB64101.826mm0.6A9欧姆1.4Kg 0.8N 14g 24根120g 图4.6两相混合式步进电机39BYG系列尺寸 Fig.4.6 The series size of two phase hybrid
14、stepping motor of 39BYG 步进电机驱动电路设计中购买了96560A V3型CNC步进电机驱动器。如图4.7所示。 图4.7 步进电机驱动器Fig.4.7 The stepping motor drive它采纳TB6560AHQ型驱动芯片。此芯片是东芝公司最新设计生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，与早期推出TB6560HQ芯片相比，其性能有较大的提高，输出电流最高可达3.5A。而采纳该芯片的驱动板在电路上，结构上都运用了牢靠性设计，在一般散热方式的状况下可稳定地工作在3A电流。可以驱动3A以下的二，四相步进电机。(1)在结构上TB6560AHQ芯片采纳卧式安装，增
15、加了散热效果和结构强度，全部接线，操作部位移至一侧，便利操作。(2)接口状况见图4.8。图中的四幅图分别代表了整体接口状况，电源输入与步进电机接口，限制信号输入接口(最终的一幅图中，其中白色的插头与绿色接线端口功能相同)。图4.8 步进电机接口图 Fig.4.8 The stepping motor interface diagram驱动器电源接入1234直流电源，留意正负极。电源可用沟通变压器加整流滤波得到，整流前的沟通电压不能高于25V，滤波电容用3300uF比较合适。适用的电机为两相，四相混合式(4线，6线或8线步进电机)20。(3)C8051F020单片机的P0.2口到P0.4口通过74HC245驱动芯片接到步进电机的限制信号输入端，欲作为步进电机脉冲信号的输入端。74HC245芯片为总线驱动器芯片。它是典型的CMOS型三态
