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基于晶體管圖示儀的CPLD控制器設(shè)計(jì)
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 面板控制模塊是由電位器、琴鍵開(kāi)關(guān)和扭置開(kāi)關(guān)等組成的簡(jiǎn)單電路，供使用者進(jìn)行輸入設(shè)置和調(diào)整。ARM處理器通過(guò)A／D采樣和電平檢測(cè)，獲取電位器分擔(dān)的電壓和各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，從而獲取輸入信息。之后根據(jù)輸入信息處理，及時(shí)調(diào)整液晶屏幕上的顯示，實(shí)現(xiàn)示波調(diào)整和觀測(cè)內(nèi)容切換的功能。液晶顯示模塊采用的是金鵬電子生產(chǎn)的OCM 128×128液晶顯示屏，其成本低，體積小，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟，十分適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。液晶屏的地址和數(shù)據(jù)共用數(shù)據(jù)總線，通過(guò)專用端口(如 C／D，CE，RD，WR等)控制數(shù)據(jù)和命令的輸入與輸出，其接口關(guān)系和時(shí)序簡(jiǎn)單明確，在ARM處理器上編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序十分簡(jiǎn)單。運(yùn)動(dòng)控制模塊基于專用運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314，它擁有4軸(x，y，z，μ軸)驅(qū)動(dòng)能力。MCX314芯片向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出高低電平來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；輸出變頻脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在一定的頻率范圍內(nèi)，芯片輸出脈沖頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。ARM處理器對(duì)MCX314的輸出脈沖進(jìn)行捕獲，獲取脈沖的時(shí)延，準(zhǔn)確測(cè)得各軸的頻率值，再通過(guò)軟件算法將插補(bǔ)脈沖與刀具的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示器模擬出來(lái)。從而直觀地顯示出脈沖插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。 2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 晶體管圖示儀是電路設(shè)計(jì)中常用的電子儀器，它能夠顯示晶體管的輸入特性、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性等多種曲線和參數(shù)。它不僅可以測(cè)量晶體二極管和三極管，還可以測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管、隧道二極管、單結(jié)晶體管、可控硅和光耦等器件。但傳統(tǒng)的晶體管圖示儀存在著電路復(fù)雜，體積龐大，示波管的顯示屏小，功耗大，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展及其在電工電子測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，晶體管圖示儀在結(jié)構(gòu)、工作原理和功能上發(fā)生很大變化，成為數(shù)字化和智能化的虛擬儀器。本文設(shè)計(jì)的晶體管圖示儀就是這樣一種新型儀器，除改善了原有儀器不足之外，還擴(kuò)展了儀器功能，具有圖形保存，數(shù)據(jù)處理，界面顯示靈活，可操作性強(qiáng)，性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1.1 傳統(tǒng)晶體管圖示儀結(jié)構(gòu)及工作原理 在傳統(tǒng)的晶體管圖示儀中，各模塊單元完全由模擬電路和脈沖數(shù)字電路組成，屬于全硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它主要包括階梯電流發(fā)生器、掃描電壓發(fā)生器、垂直放大、水平放大和示波管等。圖中W是負(fù)載電阻，R是電流采樣電阻，T是被測(cè)三極管。所謂三極管輸出特性曲線是：在基極電流不變的條件下，集電極電壓和電流之間的關(guān)系。在測(cè)量三極管輸出特性曲線時(shí)，階梯電流發(fā)生器對(duì)T的基極施加階梯電流信號(hào)，在階梯電流的每一個(gè)臺(tái)階時(shí)間內(nèi)，掃描電壓發(fā)生器對(duì)T的集電極回路施加掃描電壓。掃描電壓是 50 Hz交流電經(jīng)整流得到。T的集電極電流在采樣電阻R上的壓降(代表集電極電流)經(jīng)垂直放大后加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，T的集電極電壓經(jīng)水平放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上。當(dāng)施加的階梯電流和掃描電壓周期性地重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，三極管輸出特性曲線就可以顯示在示波管上。 1.2 本圖示儀結(jié)構(gòu)框圖 本圖示儀的構(gòu)成見(jiàn)圖2。與圖1相比不同的是：“垂直放大”、“水平放大”和“示波管”取消了，其功能由上位機(jī)承擔(dān);同時(shí)增加了單片機(jī)、CPLD、存儲(chǔ)器和 A/D轉(zhuǎn)換器等 2.1 A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)鎖存器 A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路重要的部件之一，本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器采用Maxim公司的MAX197。 MAX197 是一款多量程的12位A/D轉(zhuǎn)換器，8路模擬信號(hào)輸入，輸出數(shù)據(jù)線8條，分為高4位和低8位輸出，由HBEN端控制。當(dāng)時(shí)鐘頻率為2 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs。MAXl97在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要輸入一個(gè)8位控制字，這個(gè)控制字若由單片機(jī)提供將使啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，難以提高采集速度，所以這里用到一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器74LS373來(lái)保存控制字。 2.2 存儲(chǔ)器和地址發(fā)生器 存儲(chǔ)器采用兩片2114,它是一款4 b×1K靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。2114在存取數(shù)據(jù)時(shí)，除了需要外部提供片選信號(hào)和讀寫(xiě)信號(hào)外，還需要提供地址信號(hào)。地址信號(hào)由地址發(fā)生器產(chǎn)生，地址發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器。 2.3 控制器 控制器是數(shù)據(jù)采集電路的核心，由CPLD內(nèi)部模塊實(shí)現(xiàn)。這里的CPLD選用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64個(gè)宏單元，1 250個(gè)可用門(mén)類，36個(gè)I/O腳。從可行性方面來(lái)說(shuō)，RAM、地址發(fā)生器、74LS373和控制器都可以同時(shí)做到CPLD中，但RAM需要100個(gè)節(jié)，用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)將占用大量資源，僅一片EPM7064就不夠用。所以為了節(jié)省資源，降低成本，這里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考慮端口不夠用。因此在CPLD內(nèi)部?jī)H安排了控制器和地址發(fā)生器(圖3虛線框內(nèi))。 3 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 采集點(diǎn)數(shù)的確定及控制器接口要求 晶體管特性曲線中，輸出特性曲線是最復(fù)雜的。輸出特性曲線一般由8～10條線組成。在本系統(tǒng)中，每條線由50個(gè)點(diǎn)連接而成。每個(gè)點(diǎn)由一個(gè)電壓值和_個(gè)電流值確定，每個(gè)電壓(或電流)數(shù)據(jù)占兩字節(jié)存儲(chǔ)單元(數(shù)字量12位)，則每條曲線的電壓值(或電流值)就
0 引 言
在數(shù)字控制的研究中經(jīng)常需要檢測(cè)多軸驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖，以了解算法、插補(bǔ)脈沖、運(yùn)動(dòng)軌跡及其三者之間的關(guān)系。采用普通示波器雖然可以查看脈沖，但由于多數(shù)示波器是基于兩軸設(shè)計(jì)的，對(duì)三軸和多軸的情況進(jìn)行觀察時(shí)操作很不方便，并且不能反映出脈沖和運(yùn)動(dòng)軌跡之間的關(guān)系。此外，在數(shù)控人才培訓(xùn)的過(guò)程中，初學(xué)者通過(guò)軌跡仿真這一過(guò)程來(lái)理解和分析整個(gè)機(jī)床各機(jī)構(gòu)的工作原理具有一定的困難，要再進(jìn)一步分析插補(bǔ)脈沖和機(jī)床運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系難度更大。
在此設(shè)計(jì)了一種基于ARM嵌入式處理器的專用數(shù)字圖示儀，能幫助僅具有基本操作知識(shí)的使用者，直觀清楚地了解插補(bǔ)過(guò)程中各軸脈沖的關(guān)系和對(duì)應(yīng)算法下刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡。
系統(tǒng)以采用NXP公司的ARM7 LPC2136高速處理器作為核心處理硬件，該處理器體積少，功耗低，價(jià)格便宜，性能較高，I／O資源豐富，運(yùn)算速度滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)功能的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的硬件組成劃分為面板控制模塊、液晶顯示模塊、核心處理單元和運(yùn)動(dòng)控制模塊4大部分，如圖1所示。
系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)上，MCX314輸出的信號(hào)分別為方向信號(hào)(高低電平)和脈沖信號(hào)，PP代表脈沖；PM代表方向；z，y，z分別對(duì)應(yīng)各方向軸。液晶屏采用 I／O方式驅(qū)動(dòng)，ARM處理器由P0．12～PO．15端口輸出控制信號(hào)，由P0．16～P0．23端口寫(xiě)入或讀取數(shù)據(jù)。顯示波形的縱向增益、橫向增益、觸發(fā)電平及波形的擴(kuò)展分別通過(guò)4個(gè)不同的電位器控制，ARM處理器對(duì)電位器上的電壓進(jìn)行A／D采樣獲取輸入信息。另外，還設(shè)計(jì)了脈沖、特性和電壓測(cè)試，以擴(kuò)展該數(shù)字圖示儀的應(yīng)用場(chǎng)合。
軟件系統(tǒng)由運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ上的兩個(gè)任務(wù)和獨(dú)立于操作系統(tǒng)的一個(gè)中斷服務(wù)程序組成。顯示更新任務(wù)負(fù)責(zé)將傳人數(shù)據(jù)以圖形方式及時(shí)準(zhǔn)確地顯示在顯示屏上；操作檢測(cè)任務(wù)負(fù)責(zé)將外界各項(xiàng)操作的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定格式的數(shù)據(jù)傳遞給操作系統(tǒng)的其他任務(wù)，以便下一步處理；脈沖捕獲中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)計(jì)算運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)送的脈沖頻率，并檢測(cè)方向電平的狀態(tài)，確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2 所示。
