专利名称：一种采用EtherCAT总线的数控机床控制接口装置的制作方法
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IXD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E2R0M芯片，所述MCU单片机芯片通过I2C接口连接所述E2R0M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(I)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ETllOO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。
图I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
以下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I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BECKH0FF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Ims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/0、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IXD或者LCM，LCM (IXD Module)即IXD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E2R0M芯片，所述MCU单片机芯片通过I2C接口连接所述E2R0M芯片，以实现初始化。通过ETllOO外挂具有I2C接口的E2R0M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ETllOO的初始化，不需要主站的动态加载。I2C (Inter 一 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，很各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。
权利要求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I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I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I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I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I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I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。
专利摘要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。
文档编号G05B19/414GK202486575SQ20122011077
公开日2012年10月10日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者唐沈健, 张瑞成, 王政 申请人:上海三一精机有限公司