一种多功能多轴运动控制器的制作方法

本实用新型涉及运动控制技术，具体是一种多功能多轴运动控制器。

背景技术：

运动控制器在自动化控制、数控设备、机器人、精密仪器等诸多方面有广泛应用。目前市场上的多轴运动控制器主要有机床用多轴数控系统、基于计算机总线的运动控制卡（控制器）、其他专用运动控制器。第一类运动控制器结构复杂、体积大、价格高昂，通常使用G代码定式方式编程，一般仅用于数控机床领域；第二类控制器一般依托后台计算机和计算机总线，自主性稍差，无法脱机运行；第三类控制器一般仅为某种专用设备设计，功能简单，不通用。在微型系统，特别在微型精密仪器、精密设备中，这些运动控制器的应用存在诸多不便，而且这些运动控制器往往只针对单一类型的执行机构和控制方式设计，如果系统中需要多种执行机构（如：步进电机+直流电机或带编码器电机+不带编码器电机）、多种控制方式（如：开环控制+闭环控制），那么就需要使用多套不同类型的控制器，使得系统的集成度降低，复杂度和故障率增加，而且这些分离的系统间的协同运行也存在不便。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种多功能多轴运动控制器。这种运动控制器，具有多种输出方式、多种控制模式，且可自由转换，自带人机交互功能、可脱机运行，所需器件少、功能集中、成品体积小，可方便地嵌入到各种设备特别是微型精密设备中。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种多功能多轴运动控制器，与现有技术不同的是，包括微处理器模块MCU和与微处理器模块MCU连接的信号输入输出与转化模块、通信模块、显示模块、键盘模块和存储模块，所述信号输入输出与转化模块外接各轴的电机驱动器、编码器和开关部件，所述通信模块外接上位机。

所述微处理器模块MCU自带PWM接口、GPIO接口、UART通信接口、SPI接口、IIC接口、外部中断接口。其中，GPIO分成五组：第一组与信号输入输出与转化模块连接，用于控制信号输入输出与转化模块的信号切换；第二组用于外接的各轴运动方向信号输出；第三组用于接收外接的各轴原点和限位开关信号输入；第四组与通信模块连接，用于控制通信模块的通信模式切换；第五组用于连接键盘模块。

所述信号输入输出与转化模块与微处理器模块MCU的中断接口、PWM接口、第一组GPIO接口、第二组GPIO接口和第三组GPIO接口连接；通信模块与微处理器模块MCU的UART通信接口和第四组GPIO接口连接；显示模块与微处理器模块MCU的SPI接口连接；键盘模块与微处理器模块MCU第五组GPIO接口连接；存储模块与微处理器模块MCU的IIC接口连接。

所述信号输入输出与转化模块设有输出转换电路、编码器接口电路和输入输出缓冲电路。

所述输出转换电路包括顺序连接的多路单端转差分驱动芯片A、多路反相整形芯片、多路DA转换芯片、多路VF转换芯片、多路单端转差分驱动芯片B和多路二选一开关芯片。

多路单端转差分驱动芯片A的各输入端分别连接到微处理器模块MCU的各PWM接口，多路单端转差分驱动芯A片的各正向输出端分别连接到多路二选一开关芯片的第一组备选输入端，多路单端转差分驱动芯片A的各负向输出端分别连接到多路反相整形芯片的各输入端，多路反向整形芯片的各输出端分别连接到多路DA转换芯片的各输入端，多路DA转换芯片的各输出端分别连接到多路VF转换芯片的各输入端，多路VF转换芯片的各输出端分别连接到多路单端转差分驱动芯片B的各输入端，多路单端转差分驱动芯片B的各负输出端分别连接到MCU的多个中断接口用于计数，多路单端转差分驱动芯片B的各正输出端分别连接到多路二选一开关芯片的第二组备选输入端，多路二选一开关芯片的选通控制端口连接到微处理器模块MCU的第一组GPIO端口上，多路二选一开关芯片的输出端连接外部各轴电机驱动器的信号输入端，作为外部各轴电机运行速度的控制信号。

所述编码器接口电路设有多路双通道高速光耦，每路双通道高速光耦的四个输入端用于连接外部一轴编码器的差分输出信号A+、A-、B+、B-，每路双通道高速光耦的两个输出端分别连接到微处理器模块MCU的2个中断口用于辨向和计数。

所述输入输出缓冲电路包括第一组总线缓冲器和第二组总线缓冲器，第一组总线缓冲器用于控制外部各轴电机运行方向的方向信号的输出缓冲，此组总线缓冲器的输入端口连接到微处理器模块MCU第二组GPIO端口上，输出端与外部电机驱动器连接；第二组总线缓冲器用于外接的各轴限位信号、原点信号的输入缓冲，此组总线缓冲器的输入端连接到外部的开关信号，输出端连接到微处理器模块MCU的第三组GPIO端口。

所述通信模块包括双路n选1开关芯片和与双路n选1开关芯片连接的RS232电平转换芯片、串口转蓝牙通信单元，将RS232电平转换芯片的RXD-IN管脚和串口转蓝牙通信单元的RXD管脚分别连接在双路n选1开关芯片的第一路的两个备选通道，将RS232电平转换芯片的TXD-OUT管脚和串口转蓝牙通信单元的TXD管脚分别连接在双路n选1开关芯片的第二路的两个备选通道，双路n选1开关芯片的两个公共端口则分别连接到微处理器模块MCU的UART通信接口的TXD和RXD管脚，双路n选1开关芯片的控制端口连接到微处理器模块MCU的第四组GPIO端口。

所述键盘模块为矩阵键盘。

所述显示模块为带SPI接口的LCD显示屏模块。

所述存储模块为EEPROM存储芯片。

所述通信模块工作过程如下：微处理器模块MCU通过与双路n选1开关芯片连接的第四组GPIO来控制双路n选1开关芯片的选通路径，当输出高电平时, 微处理器模块MCU的UART通信接口通过双路n选1开关芯片后与RS232转换芯片连接，此时本技术方案中的控制器通过RS232有线方式与上位机通信，当输出低电平时，微处理器模块MCU的通信接口通过双路n选1开关芯片后与串口转蓝牙通信单元连接，此时本技术方案中的控制器通过蓝牙与上位机进行通信。

所述信号输入输出与转换模块工作过程如下：微处理器模块MCU的PWM接口输出的PWM信号PWMn经过多路单端转差分驱动芯片A后转换成差分信号（±PWMn），PWMn-信号经反向整形和数模转换（DA转换）后变成与占空比对应的模拟电压，再经过幅频转换（VF转换），得到脉频信号（Pn）；脉频信号Pn经多路单端转差分芯片驱动B转换成一对差分信号(±Pn)，Pn-信号连接到微处理器模块MCU的中断接口；Pn+信号和PWMn+两种输出信号同时连接到多路二选一开关芯片的备选输入端，经过以上转换流程， 微处理器模块MCU输出的每路PWM信号都转化成PWM和脉频两种方式，微处理器模块MCU通过与多路二选一开关芯片连接的第一组GPIO接口控制多路二选一开关芯片的选通，从而确定用于驱动外部各轴电机的控制信号为PWM或脉频信号，另外，Pn-信号作为内反馈的信号源输入MCU的中断接口供MCU进行内部计数，外接的各轴编码器输出的差分信号A+、A-以及 B+、B-连接到双通道高速光耦四个输入端，当A+为高电平时，A-为低电平，光耦内部的LED点亮，双通道高速光耦第一输出端输出低电平，当A+为低电平时，A-为高电平，光耦内部的LED无法点亮，双通道高速光耦第一输出端输出高电平；B相原理相同，通过以上转换，外接的各轴编码器输入的两对差分信号转换成了相位差90度的两个单端信号，双通道高速光耦的输出端连接到微处理器模块MCU的中断接口，微处理器模块MCU通过中断处理逻辑识别输入的相位差90度的单端信号从而获知外接的各轴编码器的位置数据。微处理器模块MCU的第二组GPIO设置为输出口用于外接的各轴电机运动方向信号的输出，这些方向信号通过第一组总线缓冲器与外部各轴电机驱动器相连，通过缓冲器即可实现对微处理器MCU的GPIO端口的隔离保护，同时也增强控制信号的驱动能力。外部的限位开关、原点开关等开关的输入经过第一组总线缓冲器后进入微处理器模块MCU的第三组GPIO，微处理器模块MCU通过扫描第三组GPIO的电平变化获知外部开关的状态，以此作为本技术方案中的控制器限位控制、回原点运行的参照信号。

这种控制器的工作过程如下：

存储模块用于存储控制器运行所需的参数，包括各轴输出方式参数、各轴反馈方式参数、通信方式参数、PID控制参数，控制器启动时，微处理器模块MCU通过IIC接口读取这些参数；

微处理器模块MCU通过实时扫描第五组GPIO上的电平变化获知外部键盘输入，并执行用户输入的指令，这些指令包参数设置指令、各轴的运行指令、运行速率调整指令；

微处理器模块MCU根据所读出的通信方式参数，通过第三组GPIO来切换与上位机的通信方式，控制器的各种信息可以通过通信模块上传到上位机，同时控制器可从上位机接受控制指令；

微处理器模块MCU根据所读出的各轴输出方式参数确定每个轴应该用什么信号来驱动，然后微处理器模块MCU通过第一组GPIO输出相应的选通信号，从而控制信号输入输出与转化模块输出PWM或脉频信号来驱动外部各轴电机，用户只需通过修改各轴的输出方式参数就可以灵活切换各轴的输出方式，从而适应各种电机的组合；

微处理器模块MCU接受来自键盘或通信接口的运动控制指令，这些运动指令包括闭环控制指令、插补控制指令或开环控制指令，闭环控制和插补控制时，微处理器模块MCU用各轴的位置反馈数据和指令中的目标位置计算轴位置偏差，通过PID闭环控制算法和插补算法控制各轴的运行，根据各轴的反馈参数，位置反馈数据可由外部位置编码器输入（外闭环），当缺乏外部位置编码器时，可由脉冲信号Pn-作为反馈信号输入到微处理器模MCU从而实现闭环（内闭环），由于微处理器模块MCU只需通过PWM来控制各轴输出，各轴的输出类型和反馈类型对于PID控制算法和插补算法是透明的，因此，即使各轴使用的是不同类型的电机，不同类型的位置反馈方式，也能通过PID控制算法和插补算法来实现闭环控制和插补联动，开环控制时，控制器直接根据用户指定的速率和运行方向控制外部各轴电机的运行；

各轴限位信号和原点信号通过第三组GPIO管脚输入，当限位有效时微处理器模块MCU内部逻辑将禁止轴的输出，当轴进入寻原点状态后，控制器驱动外部轴电机朝寻零方向运行，内部逻辑监控零位信号输入，当输入有效时，驱动外部轴电机低速反向运行，直到信号无效，回原点结束；

显示模块通过SPI接口连接在微处理器模块MCU上，微处理器模块MCU通过SPI将要显示的内容发送到显示模块，这些内容可包括控制器的状态信息、参数信息、用户输入信息等。

这种运动控制器同时实现了多种输出方式、多种控制模式，且可自由转换，灵活度极高；

这种运动控制器将有线通信与与无线蓝牙通信结合在运动控制器上，且可灵活切换，这样就扩大了控制器的使用范围和灵活性；

这种运动控制器自带人机交互功能，即可通过通信端口连接上位机运行，也可脱离上位机运行；

这种运动控制器结构简单、所需器件少、功能集中、成品体积小，可方便地嵌入到各种设备特别是微型精密设备中。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中信号输入输出与转化模块的结构示意图；

图3为实施例中通信模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定。

实施例：

参照图1，一种多功能多轴运动控制器，包括微处理器模块MCU和与微处理器模块MCU连接的信号输入输出与转化模块、通信模块、显示模块、键盘模块和存储模块，所述信号输入输出与转化模块外接各轴的电机驱动器、编码器和开关部件，所述通信模块外接上位机。

所述微处理器模块MCU自带PWM接口、GPIO接口、UART通信接口、SPI接口、IIC接口，外部中断接口，其中， GPIO分成五组：第一组与信号输入输出与转化模块连接用于控制信号输入输出与转化模块的信号切换；第二组用于外接的各轴运动方向信号输出；第三组用于接收外接的各轴原点和限位开关信号输入；第四组与通信模块连接用于控制通信模块的通信模式切换；第五组用于连接键盘模块。

本例中，微处理器模块MCU为S3C2440A微处理器，该处理器带有4通道PWM、130个GPIO、3通道UART通信接口、2通道SPI接口、1通道IIC接口、24通道外部中断接口。

所述信号输入输出与转化模块与微处理器模块MCU的中断接口、PWM接口、第一组GPIO接口、第二组GPIO接口和第三组GPIO接口连接；通信模块与微处理器模块MCU的UART通信接口和第四组GPIO接口连接；显示模块与微处理器模块MCU的SPI接口连接；键盘模块与微处理器模块MCU第五组GPIO接口连接；存储模块与微处理器模块MCU的IIC接口连接。

如图2所示，所述信号输入输出与转化模块设有输出转换电路、编码器接口电路和输入输出缓冲电路。

所述输出转换电路包括顺序连接的多路单端转差分驱动芯片A、多路反相整形芯片、多路DA转换芯片、多路VF转换芯片、多路单端转差分驱动芯片B和多路二选一开关芯片，本例中，多路单端转差分驱动芯片A和多路单端转差分驱动芯片B为SN75174，多路反相整形芯片为74HC14，多路DA转换芯片为LTC2645，多路VF转换芯片为3个并列的AD654，多路二选一开关芯片为CD4053。

多路单端转差分驱动芯片A的各输入端分别连接到微处理器模块MCU的各PWM接口，多路单端转差分驱动芯片A的各正向输出端分别连接到多路二选一开关芯片的第一组备选输入端，多路单端转差分驱动芯片A的各负向输出端分别连接到多路反相整形芯片的各输入端，多路反向整形芯片的各输出端分别连接到多路DA转换芯片的各输入端，多路DA转换芯片的各输出端分别连接到多路VF转换芯片的各输入端，多路VF转换芯片的各输出端分别连接到多路单端转差分驱动芯片B的各输入端，多路单端转差分驱动芯片B的各负输出端分别连接到微处理器模块MCU的多个中断接口用于计数，多路单端转差分驱动芯片B的各正输出端分别连接到多路二选一开关芯片的第二组备选输入端，多路二选一开关芯片的选通控制端口连接到微处理器模块MCU的第一组GPIO端口上，多路二选一开关芯片的输出端连接外部各轴电机驱动器的信号输入端，作为外部各轴电机运行速度的控制信号。

所述编码器接口电路设有多路双通道高速光耦，每路双通道高速光耦的四个输入端用于外接一轴编码器的差分输出信号A+、A-、B+、B-，每路双通道高速光耦的两个输出端分别连接到微处理器模块MCU的2个中断口用于辨向和计数，本例中，多路双通道高速光耦为3个并列的双通道高速光耦HCPL2631。

所述输入输出缓冲电路包括第一组总线缓冲器和第二组总线缓冲器，第一组总线缓冲器用于控制外部各轴电机运行方向的方向信号的输出缓冲，此组总线缓冲器的输入端口连接到微处理器模块MCU第二组GPIO端口上，输出端与外部电机驱动器连接；第二组总线缓冲器用于外部各轴限位信号、原点信号的输入缓冲，此组总线缓冲器的输入端连接到外部的开关信号，输出端连接到微处理器模块MCU的第三组GPIO端口，本例中，第一组总线缓冲器和第二组总线缓冲器均为74HC244。

如图3所示，所述通信模块包括双路n选1开关芯片和与双路n选1开关芯片连接的RS232电平转换芯片、串口转蓝牙通信单元，将RS232电平转换芯片的RXD-IN管脚和串口转蓝牙通信单元的RXD管脚分别连接在双路n选1开关芯片的第一路的两个备选通道，将RS232电平转换芯片的TXD-OUT管脚和串口转蓝牙通信单元的TXD管脚分别连接在双路n选1开关芯片的第二路的两个备选通道，双路n选1开关芯片的两个公共端口则分别连接到微处理器模块MCU的UART通信接口的TXD和RXD管脚，双路n选1开关芯片的控制端口连接到微处理器模块MCU的第四组GPIO端口，本例中，RS232电平转换芯片为MAX3232，串口转蓝牙通信单元为FBT-06，双路n选1开关芯片为CD4052。

所述键盘模块为矩阵键盘，本例为4*4矩阵键盘。

所述显示模块为带SPI接口的LCD显示屏模块，本例为LCD显示模块JLX12864G。

所述存储模块为EEPROM存储芯片，本例为AT24C512。

所述通信模块工作过程如下：微处理器模块MCU通过与双路n选1开关芯片连接的第四组GPIO来控制双路n选1开关芯片的选通路径，当输出高电平时, 微处理器模块MCU的UART通信接口通过双路n选1开关芯片后与RS232电平转换芯片连接，此时本例中的控制器通过RS232有线方式与上位机通信，当输出低电平时，微处理器模块MCU的UART通信接口通过双路n选1开关芯片后与串口转蓝牙通信单元连接，此时本例中的控制器通过蓝牙与上位机进行通信。

所述信号输入输出与转换模块工作过程如下：微处理器模块MCU的PWM接口输出的PWM信号PWMn经过多路单端转差分芯片驱动A后转换成差分信号（±PWMn），PWMn-信号经反向整形和数模转换（DA转换）后变成与占空比对应的模拟电压，再经过幅频转换（VF转换），得到脉频信号（Pn）；脉频信号Pn经多路单端转差分驱动芯片B转换成一对差分信号(±Pn)，Pn-信号连接到MCU的中断接口；Pn+信号和PWMn+两种输出信号同时连接到多路二选一开关芯片的备选输入端，经过以上转换流程， 微处理器模块MCU输出的每路PWM信号都转化成PWM和脉频两种方式，微处理器模块MCU通过与多路二选一开关芯片连接的第一组GPIO接口控制多路二选一开关芯片的选通，从而确定用于驱动外部各轴电机的控制信号为PWM或脉频信号，另外，Pn-信号作为内反馈的信号源输入MCU的中断接口供MCU进行内部计数，外部各轴编码器输出的差分信号A+、A-以及 B+、B-连接到双通道高速光耦四个输入端，当A+为高电平时，A-为低电平，光耦内部的LED点亮，双通道高速光耦第一输出端输出低电平，当A+为低电平时，A-为高电平，光耦内部的LED无法点亮，双通道高速光耦第一输出端输出高电平；B相原理相同，通过以上转换，外部编码器输入的两对差分信号转换成了相位差90度的两个单端信号，双通道高速光耦的输出端连接到微处理器模块MCU的中断接口，微处理器模块MCU通过中断处理逻辑识别输入相位差90度的单端信号从而获知外部各轴编码器的位置数据。MCU的第二组GPIO设置为输出口用于外部各轴电机运动方向信号的输出，这些方向信号通过第一组总线缓冲器与外部各轴电机驱动器相连，通过缓冲器即可实现对微处理器模块MCU的GPIO端口的隔离保护，同时也增强控制信号的驱动能力，外部的限位开关、原点开关等开关的输入经过第一组总线缓冲器后进入微处理器模块MCU的第三组GPIO，微处理器模块MCU通过扫描第三组GPIO的电平变化获知外部开关的状态，以此作为本例中的控制器限位控制、回原点运行的参照信号。

这种控制器的工作过程如下：

存储模块用于存储控制器运行所需的参数，包括各轴输出方式参数、各轴反馈方式参数、通信方式参数、PID控制参数，控制器启动时，微处理器模块MCU通过IIC接口读取这些参数；

微处理器模块MCU通过实时扫描第五组GPIO上的电平变化获知外部键盘输入，并执行用户输入的指令，这些指令包参数设置指令、各轴的运行指令、运行速率调整指令；

微处理器模块MCU根据所读出的通信方式参数，通过第三组GPIO来切换与上位机的通信方式，控制器的各种信息可以通过通信模块上传到上位机，同时控制器可从上位机接受控制指令；

微处理器模块MCU根据所读出的各轴输出方式参数确定每个轴应该用什么信号来驱动，然后微处理器模块MCU通过第一组GPIO输出相应的选通信号，从而控制信号输入输出与转化模块输出PWM或脉频信号来驱动外部各轴电机，用户只需通过修改各轴的输出方式参数就可以灵活切换各轴的输出方式，从而适应各种电机的组合；

微处理器模块MCU接受来自键盘或通信接口的运动控制指令，这些运动指令包括闭环控制指令、插补控制指令或开环控制指令，闭环控制和插补控制时，微处理器模块MCU用各轴的位置反馈数据和指令中的目标位置计算轴位置偏差，通过PID闭环控制算法和插补算法控制各轴的运行，根据各轴的反馈参数，位置反馈数据可由外部位置编码器输入（外闭环），当缺乏外部位置编码器时，可由脉冲信号Pn-作为反馈信号输入到微处理器模块MCU从而实现闭环（内闭环），由于微处理器模块MCU只需通过PWM来控制各轴输出，各轴的输出类型和反馈类型对于PID控制算法和插补算法是透明的，因此，即使各轴使用的是不同类型的电机，不同类型的位置反馈方式，也能通过PID控制算法和插补算法来实现闭环控制和插补联动，开环控制时，控制器直接根据用户指定的速率和运行方向控制外部各轴电机的运行。

各轴限位信号和原点信号通过第三组GPIO管脚输入，当限位有效时微处理器模块MCU内部逻辑将禁止轴的输出，当轴进入寻原点状态后，控制器驱动外部轴电机朝寻零方向运行，内部逻辑监控零位信号输入，当输入有效时，驱动外部轴电机低速反向运行，直到信号无效，回原点结束。

显示模块通过SPI接口连接在微处理器模块MCU上，微处理器模块MCU通过SPI将要显示的内容发送到显示模块，这些内容可包括控制器的状态信息、参数信息、用户输入信息等。

本例中，各芯片如图2所示方式组合后可用于实现一个3轴运动控制器，如果增加各芯片的数量并相应增加微处理器模块MCU上各端口的数量，可以用于实现多于3轴的运动控制器。