基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统及方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，特别涉及基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统及方法。

背景技术

目前计算机信息技术和微电子技术发展应用不断成熟，科学技术研究领域越来越向微小领域进发，从而对控制精度要求更加严格，比如医学显微镜、3D打印，芯片贴片机等。精密位移台定位是微观领域研究的重要技术之一，其技术水平直接影响到微观领域的研究水平。随着微观领域中纳米技术、激光技术、精密机械技术、微电子技术和生物医学技术等研究的不断深入，对精密位移台定位技术水平的要求也越来越高。

精密位移台控制系统基本由三部分组成：位移台、驱动电机、控制器；其中，位移台为机械部分，驱动电机为驱动部分，控制器为控制部分。驱动电机及控制器主要决定驱动分辨率、加减速度、信号处理、使用功能等性能参数，位移台是系统的心脏，主要技术指标如位移精度、行程、负载、稳定性、适用环境、外形尺寸均由其决定。

目前，精密位移台定位主要解决方案是将电机驱动器与控制板封装在机箱内，通过上位机软件或控制端发送指令给控制板，控制板解析指令然后控制对应IO口向驱动板发送电平信号，驱动板驱动电机运行。但是这些主流方案存在操作模式单一、软件功能单一的问题，它们大多采用上位机控制，少数产品虽然有直接控制端，但操作繁琐，往往每个按键都对应多种用途，进行一个设置需要按很多次按键，用户体验非常不好。

发明内容

为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统，包括嵌入式单片机、上位机、若干外部输入设备、电机驱动板，所述嵌入式单片机与若干所述外部输入设备、所述上位机通信连接，所述嵌入式单片机与所述电机驱动板连接，所述外部输入设备用于发送控制指令或设置指令给所述嵌入式单片机，所述嵌入式单片机用于根据指令更改设置参数或向所述电机驱动板发送驱动信号，所述电机驱动板用于驱动电机，所述上位机用于发送指令、接收数据、设置速度及设置模式。

进一步地，还包括接口转换芯片，所述嵌入式单片机通过所述接口转换芯片与所述上位机通信连接。

进一步地，还包括存储器，所述存储器与所述嵌入式单片机通信连接，所述存储器用于断电存储坐标信息及配置信息。

进一步地，所述外部输入设备包括按键、编码器、触摸屏，所述按键用于方向控制，所述编码器用于电机移动控制，所述触摸屏用于位移台坐标显示及功能控制。

进一步地，还包括光电隔离电路，所述嵌入式单片机与所述光电隔离电路连接，所述光电隔离电路与所述位移台每个轴的功能信号电路、限位信号电路、脉冲信号电路和方向信号电路连接。

进一步地，所述光电隔离电路包括若干TLP521-4XGBSM芯片和若干6N137V芯片，所述TLP521-4XGBSM芯片与所述功能信号电路、所述限位信号电路连接，所述6N137V芯片与所述脉冲信号电路和所述方向信号电路连接。

进一步地，所述嵌入式单片机采用STM32系列芯片，所述STM32系列芯片的通用型输入输出口与所述电机驱动板的脉冲信号输入口、电机运行方向信号输入口、输出电流开关信号输入口、步级角度切换输入口、ALARM输出口连接，所述STM32系列芯片的带有中断线的通用型输入输出口与所述电机驱动板的时序输出口连接，所述电机驱动板与电机的驱动线连接，所述STM32系列芯片的带有中断线的通用型输入输出口与电机上的限位传感器接口连接，所述STM32系列芯片的带有中断线的通用型输入输出口与电机的原点位置限位接口、反向位置限位信号输出口、正向位置限位信号输出口连接。

进一步地，所述触摸屏与所述嵌入式单片机之间的通讯指令包含CRC校验码，所述嵌入式单片机使用串口空闲中断和直接内存访问的方式接收指令。

进一步地，所述上位机与所述嵌入式单片机之间的通讯指令包含帧头、地址、功能码、序号、数据、CRC校验位和帧尾；其中，所述地址包括上位机地址和嵌入式单片机地址，所述功能码代表指令的功能，所述序号代表该条指令是指定对应轴的控制或设置。

本发明的第二目的是提供基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统的控制方法，包括以下步骤：

接收外部输入设备发送的指令信号或电信号；

根据接收到的信号判断运转方向；

根据运转方向发送电信号至电机驱动板的电机运行方向信号输入口；

定期翻转与电机驱动板的脉冲信号输入口连接的通用型输入输出口，使其发出脉冲信号，控制电机移动；

当接收到电机上的限位传感器接口发送的运行到限位点的信号时，控制与电机上的限位传感器接口连接的通用型输入输出口中断线触发，中断程序运行，使电机停止，防止电机运行超过限位点造成损坏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统及控制方法，通过若干外部输入设备发送控制指令或设置指令至嵌入式单片机，嵌入式单片机根据指令进行设置参数更改或向电机驱动板发送驱动信号，实现了位移台三维移动，平滑快速的运动过度，多种控制方式，实用的功能，以及友好的交互界面。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统框图；

图2为实施例1的嵌入式单片机、电机驱动板、步进电机接线图；

图3为实施例1的上位机通讯指令示意图；

图4为实施例2的基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统，如图1所示，包括嵌入式单片机、上位机、若干外部输入设备、电机驱动板，嵌入式单片机与若干外部输入设备、上位机通信连接，嵌入式单片机与电机驱动板连接，外部输入设备用于发送控制指令或设置指令给嵌入式单片机，嵌入式单片机用于根据指令更改设置参数或向电机驱动板发送驱动信号，电机驱动板用于驱动电机，上位机用于发送指令、接收数据、设置速度及设置模式。本实施例中，嵌入式单片机采用STM32系列芯片，STM32系列芯片带有USART，DMA,GPIO,TIM,IIC外设。

在一实施例中，还包括接口转换芯片，嵌入式单片机通过接口转换芯片与上位机通信连接。本实施例中，接口转换芯片为USB转接芯片，具体型号为CH340G芯片，STM32系列芯片与USB转接芯片连接，将STM32系列芯片的UART接口转为USB接口，实现STM32系列芯片与上位机通信。

在一实施例中，还包括存储器，存储器与嵌入式单片机通信连接，存储器用于断电存储坐标信息及配置信息等。本实施例中，存储器采用EEPROM存储芯片，具体型号为AT24C256，STM32系列芯片与EEPROM存储芯片连接。

外部输入设备包括按键、编码器、触摸屏，按键用于方向控制，总共有6个，代表三轴6个方向，编码器用于电机移动控制，触摸屏用于位移台坐标显示及功能控制。本实施例中，采用的STM32系列芯片的具体型号为STM32F103ZET6，其带有复位电路，引出了USB-TypeA接口，USB-Type B接口，RJ45网口，并外接了按键、编码器、触摸屏，用于整个系统的控制与显示。具体地，编码器模块的型号为ENS1J-B28-LOO256L，触摸屏的型号为DC10600M070-2111-0C。

在一实施例中，还包括光电隔离电路，嵌入式单片机与光电隔离电路连接，光电隔离电路与位移台每个轴的功能信号电路、限位信号电路、脉冲信号电路和方向信号电路连接。

光电隔离电路包括若干TLP521-4XGBSM芯片和若干6N137V芯片，位移台每个轴有2个TLP521-4XGBSM芯片负责4路功能信号电路、3路限位信号电路，位移台每个轴有2个6N137V芯片负责脉冲信号电路和方向信号电路。

如图2所示，电机驱动板需要24V电源供电，电机驱动板直接接到开关电源的24V接口，电机驱动板有6个信号接口需要和嵌入式单片机的通用型输入输出口(GPIO口)连接，STM32系列芯片的通用型输入输出口与电机驱动板的脉冲信号输入口(PLS口)、电机运行方向信号输入口(DIR口)、输出电流开关信号输入口(AWO口)、步级角度切换输入口(CS口)、ALARM输出口(ALM口)连接，STM32系列芯片的带有中断线的通用型输入输出口与电机驱动板的时序输出口(TIM口)连接，电机驱动板与电机的驱动线连接，图2中步进电机上带有五根电机驱动线，颜色分别为蓝色，红色，橙色，绿色，黑色，只需按正确方向连接到电机驱动板即可。STM32系列芯片的带有中断线的通用型输入输出口与电机上的限位传感器接口连接，STM32系列芯片的带有中断线的通用型输入输出口与电机的原点位置限位接口(ORG口)、反向位置限位信号输出口(CCWLS口)、正向位置限位信号输出口(CWLS口)连接。

本实施例中，嵌入式单片机与电机驱动板通过RJ45网线连接，电机驱动板与位移台通过电机驱动线连接。本系统设计了三种操作方式，分别为触摸屏按键控件，物理实质按键和编码器。其中，串口触摸屏与嵌入式单片机之间是指令通讯，在通讯指令中增加了CRC16校验，有效防止了屏幕数据乱码的情况，嵌入式单片机在接收指令时，使用串口空闲中断+DMA(直接内存访问)的方式接收，节约CPU资源，并避免丢失指令的情况。

如图3所示，上位机与嵌入式单片机之间的通讯指令包含帧头EE、地址、功能码、序号、数据、CRC校验位和帧尾FF；其中，地址包括上位机地址和嵌入式单片机地址。本实施例中，地址为8位数据，01代表上位机地址，02代表嵌入式单片机地址。功能码代表指令的功能，包含控制、数据、设置等功能。序号代表该条指令是指定对应轴的控制或设置。数据部分为n*8位数据。CRC校验位具体为CRC16校验位，CRC16校验位为校验码，可以有效减少指令乱码的情况发生。

当嵌入式单片机外接的输入设备，如串口触摸屏、按键、编码器，发送指令信号或者电信号至嵌入式单片机时，嵌入式单片机根据外部输入设备发送的信号判断运转方向，然后通过GPIO口向电机驱动板的DIR接口发送电信号，低电平为向CCW方向运行，CCW为同步电机逆时针旋转,高电平为向CW方向运行，CW为同步电机顺时针旋转，然后通过定时器定期翻转与PLS接口连接的GPIO口，使其发出脉冲信号，从而控制电机移动。当电机运行到两侧的限位点时，限位传感器会发出高电平信号，使与其连接的GPIO口中断线触发，从而打断程序运行，使电机停止，防止电机运行超过限位点造成损坏。

本实施例中，基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统有3种外设输入方式控制电机移动，分别为串口触摸屏触摸控件控制、实体按键控制、编码器控制；系统有2种驱动模式，连续驱动模式和步进驱动模式；系统有4种功能模式，绝对值驱动模式，记忆点驱动模式，起始点驱动模式和原点复位模式；系统有8种设置界面，分别为速度设置，步进距离设置，绝对值设置，起始点设置，软件限位设置，记忆点设置，系统设置和更多设置。本发明将各个功能与对应的设置模块化，并且通过触摸屏进行相关控制与设置，降低操作复杂度与难度，方便用户操作。

实施例2

实施例1的基于嵌入式单片机的精密位移台控制系统的控制方法，关于系统的详细描述，可以参照上述系统法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

如图4所示，包括以下步骤：

外部输入设备如串口触摸屏、按键、编码器，发送指令信号或者电信号；

嵌入式单片机接收外部输入设备发送的指令信号或电信号；

嵌入式单片机根据接收到的信号判断运转方向；

嵌入式单片机根据运转方向通过GPIO口发送电信号至电机驱动板的电机运行方向信号输入口；本实施例中，低电平为向CCW方向运行，高电平为向CW方向运行。

嵌入式单片机通过定时器定期翻转与电机驱动板的脉冲信号输入口连接的通用型输入输出口，使其发出脉冲信号，控制电机移动；

当电机运行到两侧的限位点时，限位传感器发送高电平信号；

当嵌入式单片机接收到电机上的限位传感器接口发送的运行到限位点的信号(即高电平信号)时，控制与电机上的限位传感器接口连接的通用型输入输出口中断线触发，中断程序运行，使电机停止，防止电机运行超过限位点造成损坏。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。