三極管自動(dòng)分選機(jī)硬件電路及其軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要縱觀世界，目前全球能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，然而傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)排放出的污染卻與節(jié)能環(huán)保行成鮮明的對(duì)比。因此，全球各國家大力號(hào)召發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，提倡使用更低能耗的產(chǎn)品替代高能耗產(chǎn)品，作為綠色照明行業(yè)的代表，節(jié)能燈的普及是勢(shì)在必行。歐盟、澳洲以及中國都已紛紛提出使用能耗低的節(jié)能燈作為最佳替代品。這樣，就給了全球節(jié)能燈制造商提供了很好的商機(jī)，而節(jié)能燈制造商大部分都集中在中國，為了滿足市場需求，我們公司需要更多的半導(dǎo)體設(shè)備來生產(chǎn)，進(jìn)而提出自行研發(fā)分立器件自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)的想法。分立器件自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的半導(dǎo)體生產(chǎn)專用設(shè)備,適用于集成電路和分立器件產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝過程中對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行全自動(dòng)化測(cè)試(配合測(cè)試儀)和分選,完成產(chǎn)品質(zhì)量的分檔工作。分選機(jī)工作通過人機(jī)交流界面，設(shè)置統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)和質(zhì)量檔次，操作簡便、直觀,采用可編程控制器控制，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該設(shè)備由供料系統(tǒng)、定位測(cè)試系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、落料系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)等部分構(gòu)成，全自動(dòng)一體化連續(xù)完成各部分工作，動(dòng)作速度快、協(xié)調(diào)流暢、定位精度高、可重構(gòu)性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：三極管分選機(jī)全自動(dòng)緒論1.1國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展及研究現(xiàn)狀2007年3月在上海半導(dǎo)體設(shè)備展覽會(huì)上，我們發(fā)現(xiàn)國際半導(dǎo)體設(shè)備制造商日本TESEC公司和其他歐美公司都已經(jīng)研發(fā)出料管對(duì)料管的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)，這樣不僅解決了振盤對(duì)料桶的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)的缺陷，而且速度也提高了不少，達(dá)到7000PCS/H。但是由于設(shè)備價(jià)格仍然很昂貴，所以想要在國內(nèi)市場普及也還是比較困難。但是自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是料管對(duì)料管，這是國內(nèi)外的制造商的共識(shí)。到了2007年5月我公司也相繼購買了兩臺(tái)國產(chǎn)的料管對(duì)料管的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)，分別是紹興宏邦電子科技有限公司（原紹興覺龍電子研究所）和汕頭宇信半導(dǎo)體有限公司研發(fā)的。兩款分選機(jī)分別模仿了日本TESEC公司和韓國三星公司設(shè)計(jì)的自動(dòng)分選機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)略有不同，紹興宏邦設(shè)計(jì)的分選機(jī)仍然沿用其步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪的測(cè)試位設(shè)計(jì)，而傳送結(jié)構(gòu)采用傳送皮帶上固定42個(gè)傳送小料盒用來承載分立器件，然后皮帶由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)固定步距，步距對(duì)應(yīng)每個(gè)料管的間距，皮帶移動(dòng)指定料管，由工控機(jī)根據(jù)分選信號(hào)打開對(duì)應(yīng)的電磁鐵，落入對(duì)應(yīng)料管。這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)每個(gè)傳送小料盒的傳送位置要求很高，所以故障率也較高，維修時(shí)非常麻煩。而汕頭宇信設(shè)計(jì)的分選機(jī)采用TESEC公司的測(cè)試位設(shè)計(jì)結(jié)果，通過氣缸的動(dòng)作完成測(cè)試，調(diào)節(jié)測(cè)試爪、測(cè)試頂針和測(cè)試座比較容易，測(cè)試成品率較高，傳送結(jié)構(gòu)只采用一個(gè)傳送盒在伺服電機(jī)的控制下完成傳送，對(duì)每個(gè)料管對(duì)應(yīng)位置由軟件來確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離，這樣相對(duì)更準(zhǔn)確，維修也更容易。所以通過對(duì)這兩款國產(chǎn)的料管對(duì)料管的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)的使用來看，汕頭宇信的分選機(jī)硬件設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì)，維修故障率也較低。軟件方面和人機(jī)界面這方面，汕頭宇信也更為人性化，更為方便。首先兩者均采用工控機(jī)的設(shè)計(jì)，汕頭宇信在WINDOWSXP下開發(fā)應(yīng)用程序，采用PCI接口板卡對(duì)I/O端口的控制，伺服電機(jī)的控制也是由專用電機(jī)控制板卡來控制驅(qū)動(dòng)，所以對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制更加準(zhǔn)確，擴(kuò)展性也更好。而紹興宏邦在WINDOWS98下開發(fā)的應(yīng)用程序，對(duì)所有的控制都集成在一個(gè)控制卡上，不容易維修、擴(kuò)展性不好。從軟件控制上，汕頭宇信基本上沒有軟件BUG，而紹興宏邦存在軟件BUG，比如報(bào)警系統(tǒng)不完善，有時(shí)很難判斷是哪里出錯(cuò)報(bào)警。1.2研究課題目標(biāo)及意義本次課題的主要內(nèi)容為分選機(jī)電氣部分的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)要求是：制作出來的分選機(jī)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：能夠完成測(cè)試要求；每小時(shí)能測(cè)5500只三極管；要求采用條管進(jìn)料，減少管子的磨損；增加分選箱的數(shù)量，即增加分選種類。1.2.1本項(xiàng)目研究的理論意義表現(xiàn)借鑒現(xiàn)有兩種振盤對(duì)料桶和料管對(duì)料管的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)的設(shè)計(jì)，研究自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，研發(fā)出適合自身要求的料管對(duì)料桶的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)。為日后研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的料管對(duì)料管的自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1.2.2本項(xiàng)目研究的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)目前我們開發(fā)的這款料管對(duì)料桶的TO220自動(dòng)測(cè)試分選機(jī)主要是針對(duì)現(xiàn)有兩臺(tái)自動(dòng)料管測(cè)試分選機(jī)的一種補(bǔ)充，主要解決接觸不良待確認(rèn)和參數(shù)壞的產(chǎn)品再次測(cè)試,減少振盤對(duì)產(chǎn)品外觀的磨損。課題的硬件電路設(shè)計(jì)方案2.1分選機(jī)的工作原理介紹：2.1.1整個(gè)分選機(jī)的工作原理如下圖2.1：圖2-1工作原理圖各部分作用是：擋桿：擋住下落的三極管并控制管子下落的頻率。測(cè)試爪：有兩個(gè)或者三個(gè)，分別測(cè)試的是管子的常規(guī)參數(shù)，如：ICBO、ICEO、ICM、BVCEO、BVCEO等；管子的開關(guān)時(shí)間和熱阻。分選：當(dāng)管子測(cè)試完以后，系統(tǒng)對(duì)其分類，然后給信號(hào)給分選這部分，使其進(jìn)入正確的箱內(nèi)。導(dǎo)軌：使管子按軌跡下落。其次，在1—4號(hào)位分別有四個(gè)傳感器，作用分別是，1：檢測(cè)導(dǎo)軌是否裝滿管子，如果滿了就給系統(tǒng)信號(hào)，停止進(jìn)料。2：檢測(cè)是否有管子到達(dá)2號(hào)位置。3：檢測(cè)是否有管子到達(dá)3號(hào)位。4：檢測(cè)被測(cè)后的管子是否落下，沒有落下說明被卡到什么位置或是掉到外面去了，系統(tǒng)報(bào)警。三極管沿著導(dǎo)軌向下，到達(dá)二號(hào)位時(shí)會(huì)被擋桿擋住，此時(shí)二號(hào)位傳感器檢測(cè)被測(cè)三極管是否到位，到位測(cè)試爪就對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完，同樣要經(jīng)過傳感器檢測(cè)，到達(dá)三號(hào)位測(cè)試。得到測(cè)試參數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)行分類，然后給分選部分信號(hào)，分選電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）得到信號(hào)后，根據(jù)給定的信號(hào)，將落管轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，讓管子落入正確的箱內(nèi)。2.1.2測(cè)試系統(tǒng)介紹測(cè)試系統(tǒng)雖然不是我們本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容，但是作為整個(gè)課題里面的一部分我們還是給大家介紹一下，以便大家對(duì)整個(gè)課題有更好的了解。一般我們所要測(cè)的管子參數(shù)有：常規(guī)參數(shù)、開關(guān)時(shí)間和熱阻。每種參數(shù)測(cè)試都有一套自己的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試站（或者叫測(cè)試盒）。測(cè)試站的作用是：直接與測(cè)試爪相連，創(chuàng)造測(cè)試參數(shù)所要的條件對(duì)三極管進(jìn)行測(cè)試，并得到數(shù)據(jù)信號(hào)后發(fā)送給測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)的作用是：對(duì)測(cè)試站發(fā)過來的參數(shù)信號(hào)進(jìn)行分類處理，然后再發(fā)給分選箱的分選電機(jī)驅(qū)動(dòng)使其轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，讓管子落入正確的箱內(nèi)。目前，國內(nèi)也有一些測(cè)試系統(tǒng)，比如說，開關(guān)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)，有覺龍公司在做，但是像復(fù)雜一點(diǎn)的常規(guī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)很多公司還都是用國外的?，F(xiàn)在將常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)DTS-1000介紹一下，DTS-1000系統(tǒng)測(cè)試機(jī)通過與分選機(jī)、探針臺(tái)連接，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體分立器件的高速測(cè)試、分選，該系統(tǒng)可測(cè)器件包括晶體管、場效應(yīng)管、二極管、穩(wěn)壓管，通過增加選件可測(cè)試可控硅、穩(wěn)壓管、放電管等等。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，電壓可擴(kuò)展最大到3000V，電流最大到200A。并且系統(tǒng)配置靈活，可為不同客戶進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)配置。測(cè)試主機(jī)中包括器件的偏置部分、測(cè)量部分，CPU部分及外部接口部分。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試主機(jī)可測(cè)如下器件：二極管、晶體管、MOS-FET、接合型FET。增加選件可測(cè)器件為：可控硅、三端雙向可控硅、三端雙向可控硅開關(guān)件、三端穩(wěn)壓器，D-GATE、FET、霍爾器件等。測(cè)試接口盒中包括含所測(cè)器件各端子間的繼電器網(wǎng)路及小電路測(cè)試回路。根據(jù)不同需要有不同的測(cè)試接口盒供選擇。接口盒體積小，便于安裝。在接口盒上增加選件，可作為受動(dòng)測(cè)試站?？刂朴秒娔XPC用英文Windows98系統(tǒng)，測(cè)試控制軟件為JUNO公司自行研發(fā)的專用系統(tǒng)，操作方便。2.2分選機(jī)的電氣設(shè)計(jì)方案2.2.1電路組成電路組成包括：工控機(jī)；氣缸驅(qū)動(dòng)及傳感器控制板；與測(cè)試機(jī)聯(lián)機(jī)通訊板（站板）2塊；入箱分選控制板；結(jié)構(gòu)框圖：圖2-2結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)系統(tǒng)用一個(gè)工控機(jī)控制；我們采用ISABUS總線設(shè)計(jì)，提高總線的驅(qū)動(dòng)能力，提高電路的抗干擾能力。入箱分選控制包括電機(jī)及編碼器編碼。氣缸是做為測(cè)試爪的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，由于同時(shí)有兩個(gè)或三個(gè)測(cè)試爪，對(duì)測(cè)試爪的配合要求很高，所以對(duì)于氣缸驅(qū)動(dòng)同樣有很高要求。傳感器作為信號(hào)采集器件在整個(gè)分選機(jī)中用得很普遍，各個(gè)部分基本上都用到了，是整個(gè)系統(tǒng)中很重要的一部分。測(cè)試機(jī)是為測(cè)試管子創(chuàng)造測(cè)試環(huán)境的部分，并且保持測(cè)試系統(tǒng)和設(shè)備的通訊。2.2.2各模塊功能實(shí)現(xiàn)框圖氣缸驅(qū)動(dòng)及傳感器控制板圖2-3氣缸驅(qū)動(dòng)及傳感器控制板我們采用ISABUS總線設(shè)計(jì)，在總線后加緩沖主要是為了提高總線的驅(qū)動(dòng)能力，提高電路的抗干擾能力。在擴(kuò)展部分，我們采用74LS245（三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器）和74LS377(8D邊沿觸發(fā)器)這樣提高了我們?cè)O(shè)計(jì)的可修改性。在擴(kuò)展輸出這里我們用的是CPLD（可編程序控制器件），這樣可以大大簡化我們的電路圖。在傳感器控制中，我們采用光電耦合隔離。因?yàn)樵谖C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸線上傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減、與通道干擾，所以為了保證長線傳輸?shù)目煽啃裕覀儾捎昧斯怆婑詈细綦x的措施。與測(cè)試機(jī)通訊板測(cè)試機(jī)（站板）是為測(cè)量三極管參數(shù)準(zhǔn)備測(cè)試條件的，并且獲取和傳送參數(shù)給測(cè)試系統(tǒng)處理。這里的接口也是從ISABUIS總線的擴(kuò)展出來的。因?yàn)樵跍y(cè)試三極管的時(shí)候我們對(duì)進(jìn)入導(dǎo)軌的三極管通過光電傳感器進(jìn)行極性檢測(cè)，如果檢測(cè)到某個(gè)三極管的極性反向了，馬上給系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)，讓系統(tǒng)調(diào)整測(cè)試程序，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。圖2-4測(cè)試機(jī)通訊板入箱分選控制板圖2-5入箱分選控制板分選箱包括：分選電機(jī)的控制和兩組傳感器。箱在位傳感器的作用是當(dāng)分選箱沒有放好位置時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，提示你，避免設(shè)備工作時(shí)，三極管落到箱外面。入箱傳感器作用是確定測(cè)試完的管子能夠落到相應(yīng)的箱子里面去，如果系統(tǒng)給的信號(hào)和管子實(shí)際去的箱子不一樣，系統(tǒng)報(bào)警。另外，在這里還要對(duì)進(jìn)入箱子里面的管子進(jìn)行記數(shù)，提高工作效率。分選電機(jī)控制部分下面將詳細(xì)介紹。2.3小結(jié)本章內(nèi)容主要是給出了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖，為整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)基本的框架，起到指導(dǎo)性作用。第三章測(cè)試爪驅(qū)動(dòng)力的選擇及分選機(jī)入箱分選部分分析3.1測(cè)試爪驅(qū)動(dòng)力的選擇（氣缸驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)對(duì)比）3.1.1方案設(shè)計(jì)方案一：用步進(jìn)電機(jī)。前面我們已經(jīng)對(duì)分選機(jī)的大概工作流圖做了介紹，如果用步進(jìn)電機(jī)作為測(cè)試爪的驅(qū)動(dòng)力，那么三個(gè)擋桿和兩個(gè)測(cè)試爪都由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣在同一根軸上面，我們要在軸的不同位置裝上一套凸輪來實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試這個(gè)環(huán)節(jié)。在進(jìn)行凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)之前，需要先確定基圓半徑rb。在確定rb時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)條件，壓力角,工作輪廓是否失真等因素。對(duì)于移動(dòng)動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，在條件允許的情況下時(shí)，應(yīng)取較大的導(dǎo)軌長度l和較小的懸臂尺寸b。對(duì)滾子從動(dòng)件，應(yīng)恰當(dāng)選取滾子半徑rr；對(duì)平底從動(dòng)件，應(yīng)確定合適的平底寬度l。此外，還應(yīng)注意滿足強(qiáng)度和工藝性要求。因凸輪的工作輪廓已經(jīng)確定，所以凸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定曲線輪廓的軸向厚度和凸輪與傳動(dòng)軸的聯(lián)接方式。當(dāng)工作載荷較小時(shí)，曲線輪廓的軸向厚度一般取為輪廓曲線最大矢徑的1/10～1/5；對(duì)于受力較大的重要場合，需按凸輪輪廓面與從動(dòng)件間的接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在確定凸輪與傳動(dòng)軸的聯(lián)接方式時(shí)，應(yīng)綜合考慮凸輪的裝拆、調(diào)整和固定等問題。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多的設(shè)備，其各執(zhí)行構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性通常由運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖確定，因此在裝配凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，凸輪輪廓曲線起始點(diǎn)（推程開始點(diǎn)）的相對(duì)位置需按運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖進(jìn)行調(diào)整，以保證各執(zhí)行構(gòu)件能按預(yù)定程序協(xié)調(diào)動(dòng)作。為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求凸輪能相對(duì)于傳動(dòng)軸沿圓周方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并可靠地加以固定。最簡便的方法是采用緊定螺釘固定凸輪，或用緊定螺釘預(yù)固定，待調(diào)整好后再用銷子固定。方案二：用氣缸。一般情況我們?cè)谶@里用到的氣缸都是專用氣缸。它的運(yùn)動(dòng)軌跡都是特定的。所以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制。在本次設(shè)計(jì)中我們采用的就是氣缸控制。在測(cè)試環(huán)節(jié)中，我們通過氣缸再加上一些機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，使擋桿和測(cè)試爪配合動(dòng)作來完成測(cè)試動(dòng)作。3.1.2方案對(duì)比和選擇在實(shí)際應(yīng)用中，我們?cè)谶x擇器件時(shí)一般主要考慮兩個(gè)方面的因素：效率和成本。在效率方面，氣缸比電機(jī)的效率高。由于電機(jī)所帶動(dòng)的那根軸上面裝的一套凸輪，它在位置和角度方面有一定的要求，所以，一般只有電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，才能讓所有的凸輪工作一次，即完成一次測(cè)試。而氣缸就不存在這個(gè)問題，只要控制它的通氣閥門就好，所以它可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成一次測(cè)試。另外，凸輪的制作設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜些。另一方面，氣缸更容易控制。所以我們選擇用氣缸來完成設(shè)計(jì)。氣動(dòng)系統(tǒng)以其清潔無污染、結(jié)構(gòu)簡單、成本相對(duì)低廉、操作方便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，已成為工業(yè)自動(dòng)化不可缺少的重要手段。近幾十年來，世界各國對(duì)氣動(dòng)技術(shù)的研究廣泛開展，隨著電氣比例伺服控制技術(shù)的出現(xiàn)，使氣動(dòng)系統(tǒng)從邏輯控制領(lǐng)域擴(kuò)展到伺服控制領(lǐng)域，拓寬了氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用范圍。3.1.3氣缸和氣缸控制氣缸結(jié)構(gòu)如圖3-1圖3-1氣缸結(jié)構(gòu)圖當(dāng)A進(jìn)氣口通壓縮空氣，B進(jìn)氣口通空氣時(shí)，氣缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。反之，向左運(yùn)動(dòng)。另外，兩邊各一個(gè)彈簧做活塞緩沖用。減少對(duì)氣缸活塞的磨損。氣缸電磁閥控制見如下電路圖3-2：圖3-2電磁閥控制電路驅(qū)動(dòng)24V直流電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路：此電路已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定，可靠。此電路雖然在現(xiàn)場已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行很久，但有不合理的地方，此電路驅(qū)動(dòng)24V的電磁閥，電流只能在2A左右，不能太大，因?yàn)閂gs只有5V，IRF540沒有達(dá)到完全的導(dǎo)通狀態(tài)，如果要增大電流得重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，使Vgs在10V左右才能充分發(fā)揮IRF540的驅(qū)動(dòng)能力。另外，由ULN2003組成的一個(gè)氣閥繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，圖3-3圖3-3電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如果當(dāng)輸入端A處來一個(gè)高脈沖時(shí)，高電平為3.5V，此時(shí)T1的基極電壓為0.7V，所以T1的基極電流為2.8MA。如果T1管工作在放大去，放大倍數(shù)為1000，那么T1管的集電極電流為2.8A。VCC為24V，經(jīng)4.7K電阻不可能有這么大的電流，所以可以肯定T1是工作在飽和區(qū)，而不是放大區(qū)。T1工作在飽和區(qū)，那么它的集電極和基極處于正向偏置。此時(shí)T2導(dǎo)通，氣閥繼電器導(dǎo)通。反之，當(dāng)A端來一個(gè)低電平時(shí)，T1工作在放大區(qū)，而T2截止。A出氣口、B出氣口分別接氣缸的A、B進(jìn)氣口。C、D兩處是兩個(gè)切換氣閥，通過控制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行選擇切換。另外，在與大氣相連的一端需要接一個(gè)消聲器，目的是為了降低由于氣缸對(duì)氣體的來回壓縮在出口處引起的噪音，圖3-4圖3-4氣缸控制原理圖3.2分選機(jī)入箱分選馬達(dá)控制分析3.2.1步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)在分選箱這里我們需要用到一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過程控制及儀表控制的主要控制元件之一。步進(jìn)電機(jī)有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：1、步進(jìn)電機(jī)可以直接接受數(shù)字信號(hào)，而不再需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換；2、步進(jìn)電機(jī)具有快速啟、停能力，可以在一剎那間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止；3、步進(jìn)電機(jī)精度高，步距角可由每步90?降低到0.36?；4、步進(jìn)電機(jī)由于精度高及不用傳感器，故定位準(zhǔn)確。常用的步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相四種，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部各繞組通電順序有關(guān)。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，主要任務(wù)是把二進(jìn)制數(shù)變成脈沖序列，按相序輸入脈沖以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)沿選擇方向前進(jìn)一步，每前進(jìn)一步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度。從這個(gè)意義上講，電機(jī)也是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。另外，還控制電機(jī)前進(jìn)的步數(shù)，這是由控制工藝決定。步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按相序確定控制字；按順序輸入控制字即傳送控制脈沖序列；控制步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的智能驅(qū)動(dòng)方案步進(jìn)電機(jī)有可以精確控制的優(yōu)點(diǎn)，但是功耗大，效率低，力矩小。如果選用大功率步進(jìn)電機(jī)，為了降低功耗，可以采取PWM恒流控制的方法?；舅悸肥?，用帶反饋的高頻PWM根據(jù)輸出功率的要求對(duì)每相恒流驅(qū)動(dòng)，總體電流順序又符合轉(zhuǎn)動(dòng)順序。需要力矩小的時(shí)候應(yīng)及時(shí)減小電流，以降低功耗。該方案實(shí)現(xiàn)的電路，可以采用獨(dú)立的單片機(jī)或CPLD加場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路以及電流采樣反饋電路方案A：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與8051單片機(jī)的接口電路（以三相雙三拍式步進(jìn)電機(jī)為例）單片機(jī)介紹圖3-5AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。如圖3-5，AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要特性：與MCS-51兼容；4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。管腳說明：VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。電機(jī)與8051單片機(jī)的接口電路圖3-6圖3-6電機(jī)與8051接口電路三相步進(jìn)電機(jī)工作方式及控制字，如表3-1表3-1三相步進(jìn)電機(jī)工作方式及控制字方式步序控制位通電繞組控制字C相B相A相三相1步00000011AB相03H雙三2步00000110BC相06H拍式3步00000101CA相05H三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)程序框圖如圖3-7：圖3-7三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)程序框圖三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，如下：ORG 2000ROUTN1:MOV A,#N ；N步數(shù)AJNB 00H,LOOP2；00H位為0反轉(zhuǎn)，反之正轉(zhuǎn)LOOP1:MOV P1,#03H ；正向，第一拍ACALL DELAY ；延時(shí)DEC A ；步進(jìn)減1JZ DONE ；A=0，返回MOV P1,#06H ；正向，第二拍ACALL DELAY DEC A ；步數(shù)又減1JZ DONE ；A=0，返回MOV P1,#05H ；正向，第三拍ACALL DELAY DEC A JNZ LOOP1 ；步數(shù)不夠，返回到正轉(zhuǎn)開始AJMP DONE ；A=0，返回到主程序LOOP2:MOV P1,#03H ；反向，第一拍ACALL DELAY DEC A JZ DONE MOV P1,#05H ；輸出第二拍ACALL DELAY DEC A JZ DONE MOV P1,#06H ；輸出第三拍ACALL DELAY DEC A JNZ LOOP2 ；步數(shù)不夠繼續(xù)反轉(zhuǎn)DONE:RETDELAY:MOV R7,#250D1:MOV R6,#250D2:DJNZ R6,D2DJNZ R7,D1RETEND方案B：基于CPLD的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)先介紹一下基于CPLD的步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)方法及原理。1、CPLD作為控制器設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)基于CPLD的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有I/O端口多，可自由編程定義其功能等特點(diǎn)，大大縮減了電路的體積、提高電路的穩(wěn)定性。先進(jìn)的開發(fā)工具使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試周期大大縮短。利用VHDL語言進(jìn)行軟件編程，通過EDA設(shè)計(jì)軟件對(duì)程序編譯、優(yōu)化、綜合、仿真、適配，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸入。系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡單、可靠，且鑒于CPLD和VHDL語言自身的特點(diǎn)，系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，在控制系統(tǒng)中也具有一定的通用性。2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理介紹例如：如圖3-8所示。首先輸入原始時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過分頻器得到10ms按鍵判斷周期和頻率為2048Hz的時(shí)鐘信號(hào)，2048Hz的信號(hào)經(jīng)過外部硬件分頻以后輸入芯片，作為電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。由按鍵輸入四個(gè)控制信號(hào)，和電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)一起送入電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)，由狀態(tài)機(jī)根據(jù)不同的輸入來選擇電機(jī)輸出控制信號(hào)。圖3-8系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)CPLD采用Altera公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-7。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3-9所示。圖3-9驅(qū)動(dòng)電路原理圖CPLD輸出控制信號(hào)連接至圖上的A、B、C、D四個(gè)端口。其控制信號(hào)經(jīng)光電隔離后進(jìn)入U(xiǎn)LN2003A。ULN2003A是一片集成了7個(gè)達(dá)林頓管的芯片。來自光耦合的5V高電平信號(hào)經(jīng)過ULN2003A以后，輸出端與地導(dǎo)通。步進(jìn)電機(jī)的正極接上12V的工作電壓，負(fù)級(jí)接在ULN2003A的輸出端，當(dāng)CPLD的I/O口為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)極與地開路，正負(fù)極之間沒有壓差，電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)CPLD的I/O口為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)極與地導(dǎo)通，正負(fù)極之間形成12V壓差，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由四個(gè)線圈的通電速度決定的，也就是由輸入脈沖的頻率決定的，因此，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇其實(shí)就是輸入脈沖的頻率選擇。本設(shè)計(jì)采用雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS393N進(jìn)行硬件分頻。頻率源為CPLD的2048Hz的頻率，將74LS393N內(nèi)部的T觸發(fā)器串聯(lián)，就能將2048Hz的頻率分頻得到0.5Hz～1024Hz、等比倍率為2的頻率，這些頻率通過硬件選擇器選擇輸入至CPLD的I/O口就能進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制了。此次設(shè)計(jì)我們將采用方案B介紹的方法來設(shè)計(jì)我們的分選馬達(dá)的控制部分。3.2.2編碼器設(shè)計(jì)編碼器包括：編碼盤，傳感器發(fā)射、接受電路，編碼盤編碼。光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器。1、絕對(duì)式光電編碼器他通過讀取編碼盤上的二進(jìn)制的編碼信息來表示絕對(duì)位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。圖1是二進(jìn)制的編碼盤，圖中空白部分是透光的，用“0”來表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、…、1111。編碼盤的作用是與分選電機(jī)的位置傳感器一起，確認(rèn)和辨識(shí)落管的位置。編碼盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-10：圖3-10編碼盤結(jié)構(gòu)圓盤被分成二十五等份，上面有一些小孔。這些小孔的作用就是與傳感器配合來控制傳感器的傳接收信號(hào)來識(shí)別落桿位置的。編碼盤傳感器電路結(jié)構(gòu)圖3-11編碼盤傳感器電路以上是分選電機(jī)位置傳感器的電路結(jié)構(gòu)。這部分包括六個(gè)光電傳感器，用來檢測(cè)光電編碼盤的孔位。傳感器一般是成對(duì)出現(xiàn)，如圖3-11左邊傳感器的發(fā)射部分，右邊是傳感器的接收部分。它們分別裝在編碼盤的兩側(cè)，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。3、編碼盤編碼定義我們這里需要二十五種分類，我們所需要的編碼傳感器數(shù)為五對(duì)，五位二進(jìn)制數(shù)，可以表示三十二種，我們只用它的二十五種就夠了。如果用一個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)表示，那樣只能表示一十六種。另外，還需要一組作為馬達(dá)在位檢測(cè)傳感器。所以，每個(gè)箱號(hào)都有一個(gè)與它對(duì)應(yīng)的編碼，達(dá)到一一對(duì)應(yīng)，具體的編碼如下表3-2：表3-2編碼盤編碼箱號(hào)傳感器位置0號(hào)箱0000011號(hào)箱0000112號(hào)箱0001013號(hào)箱0001114號(hào)箱0010015號(hào)箱0010116號(hào)箱0011017號(hào)箱0011118號(hào)箱0100019號(hào)箱01001110號(hào)箱01010111號(hào)箱01011112號(hào)箱01100113號(hào)箱01101114號(hào)箱01110115號(hào)箱01111116號(hào)箱10000117號(hào)箱10001118號(hào)箱10010119號(hào)箱10011120號(hào)箱10100121號(hào)箱10101122號(hào)箱10110123號(hào)箱10111124號(hào)箱1100013.2.3解決分選電機(jī)怎么選擇最短旋轉(zhuǎn)路徑的問題在得到分選信號(hào)時(shí)，怎么確定分選電機(jī)從最短的路徑到達(dá)目的地？我們可以想象一下，當(dāng)落管處于三號(hào)箱的位置時(shí)，收到一個(gè)去九號(hào)箱的信號(hào)。此時(shí)，電機(jī)是正轉(zhuǎn)到達(dá)，還是反轉(zhuǎn)到達(dá)？可以肯定的是正轉(zhuǎn)的路徑肯定要短。此時(shí)怎么對(duì)電機(jī)發(fā)出正確的命令，通過什么樣的計(jì)算來決定。我們想到了一個(gè)很好的辦法來解決這個(gè)問題。首先，假如現(xiàn)在落管處于三號(hào)箱位，它的下一個(gè)位置是九號(hào)箱，那么我們計(jì)算一下。三號(hào)箱相對(duì)的那個(gè)位置應(yīng)該是一十五號(hào)箱?，F(xiàn)在我們要去的九號(hào)箱，九比十五要小，所以應(yīng)該按順時(shí)針轉(zhuǎn)，如果所要去的箱號(hào)數(shù)比三號(hào)箱相對(duì)的十五要大，則相應(yīng)的逆時(shí)針轉(zhuǎn)，如圖3-12：圖3-12編碼盤所以，在解決分選電機(jī)怎么選擇最短旋轉(zhuǎn)路徑的問題時(shí)，我們是通過軟件方面來解決的。程序如下：voidCFXJDlg::MotoLoadCur(){//讀取當(dāng)前電機(jī)位置motoio=input(ADD_MOTS,&mots,IsLog);if(motoio&&!mots.place){//電機(jī)在定位點(diǎn)m_motocur=mots.motosat;if(m_motocur<0||m_motocur>24){m_motocur=0;time_moto=DELAY_MOTOANCHORERROR;}else{time_moto=0;}}else{time_moto=DELAY_MOTOANCHORERROR;m_motocur=0;}}3.3小結(jié)本章主要介紹了分選機(jī)測(cè)試部分的驅(qū)動(dòng)力選擇和分選部分的控制。在選擇用氣缸還是馬達(dá)凸輪作為測(cè)試部分驅(qū)動(dòng)力時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)有不同廠家的分選機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合工作當(dāng)中的維修經(jīng)驗(yàn)，我們確定測(cè)試部分用控制簡單、效率更高的氣缸來作為測(cè)試部分驅(qū)動(dòng)力。對(duì)分選控制部分的分選馬達(dá)控制進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì)、我們采用方案B基于CPLD的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)。另外，我們還對(duì)編碼器編碼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)分選馬達(dá)到達(dá)目的位置最短路徑問題提出了解決方案。第四章硬件電路設(shè)計(jì)4.1CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)編程原理CPLD的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括軟件和硬件兩個(gè)方面，通過了解它的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，對(duì)開發(fā)CPLD有很大幫助。4.1.1CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程一般來說,一個(gè)比較大的完整的項(xiàng)目應(yīng)該采用層次化的描述方法：分成幾個(gè)較大的功能模塊,定義好各功能模塊之間的接口,然后各個(gè)模塊再細(xì)分去具體實(shí)現(xiàn),這就是TOPDOWN(自頂向下)的設(shè)計(jì)方法。所謂的TOPDOWN設(shè)計(jì),是指系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以從上層到下層(從抽象到具體)逐層描述自己的設(shè)計(jì)思想,用一系列分層次的模塊來表示極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。然后,利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具,逐層進(jìn)行仿真驗(yàn)證,把其中需要變?yōu)閷?shí)際電路的模塊組合,經(jīng)過自動(dòng)綜合工具轉(zhuǎn)換到門級(jí)電路網(wǎng)表。接下去,再用專用集成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA自動(dòng)布局布線工具,把網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為要實(shí)現(xiàn)的具體電路布線結(jié)構(gòu)。目前,這種高層次(high-level-design)的方法已被廣泛采用。高層次設(shè)計(jì)只是定義系統(tǒng)的行為特征,可以不涉及實(shí)現(xiàn)工藝,因此還可以在廠家綜合庫的支持下,利用綜合優(yōu)化工具將高層次描述轉(zhuǎn)換成針對(duì)某種工藝化的網(wǎng)絡(luò)表,使工藝轉(zhuǎn)化變得輕而易舉。CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程如圖4-1所示：圖4-1CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程流程說明：(1)工程師按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)劃分。(2)輸入VHDL代碼,這是高層次設(shè)計(jì)中最為普遍的輸入方法。此外,還可以采用圖形輸入方式(框圖、狀態(tài)圖),這種輸入方式具有直觀、容易理解的優(yōu)點(diǎn)。(3)將以上的設(shè)計(jì)輸入編譯成標(biāo)準(zhǔn)的VHDL文件。(4)進(jìn)行代碼的功能仿真,主要是檢驗(yàn)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的正確性。這一步驟適用于大型設(shè)計(jì),因?yàn)閷?duì)于大型設(shè)計(jì)來說,在綜合前對(duì)源代碼仿真,就可以大大減少設(shè)計(jì)重復(fù)的次數(shù)和時(shí)間。一般情況下,這一仿真步驟可略去。(5)利用綜合器對(duì)VHDL源代碼進(jìn)行綜合優(yōu)化處理,生成門級(jí)描述的網(wǎng)絡(luò)表文件,這是將高層次描述轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟。綜合優(yōu)化是針對(duì)ASIC芯片供應(yīng)商的某一產(chǎn)品系列進(jìn)行的,所以綜合的過程要在相應(yīng)的廠家綜合庫支持下才能完成。(6)利用產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)表文件進(jìn)行適配前的時(shí)序仿真,仿真過程不涉及具體器件的硬件特性,是較為粗略的。一般的設(shè)計(jì),也可略去這一仿真步驟。(7)利用適配器將綜合后的網(wǎng)絡(luò)表文件針對(duì)某一具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射操作,包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化和布局布線。(8)在適配完成后,產(chǎn)生多項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果：(a)適配報(bào)告,包括芯片內(nèi)部資源利用情況,設(shè)計(jì)的布爾方程描述情況等；(b)適配后的仿真模型；(c)器件編程文件。根據(jù)適配后的仿真模型,可以進(jìn)行適配后時(shí)序仿真,因?yàn)橐呀?jīng)得到器件的實(shí)際硬件特性(如時(shí)序特性),所以仿真結(jié)果能比較精確地預(yù)期未來芯片的實(shí)際性能。如果仿真結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,就修改VHDL源代碼或選擇不同速度和品質(zhì)的器件,直至滿足設(shè)計(jì)要求。最后將適配器產(chǎn)生的器件編程文件通過編程器或下載電纜載入到目標(biāo)芯片CPLD中。如果大批量產(chǎn)品開發(fā),則通過更換相應(yīng)的廠家綜合庫,輕易地轉(zhuǎn)由ASIC形式實(shí)現(xiàn)。4.1.2CPLD硬件和軟件設(shè)計(jì)及開發(fā)原理1、硬件設(shè)計(jì)需要根據(jù)各種性能指標(biāo)、成本、開發(fā)周期等因素,確定最佳實(shí)現(xiàn)方案,畫出系統(tǒng)框圖,選擇芯片,設(shè)計(jì)PCB并最終形成樣機(jī)。CPLD：一般根據(jù)實(shí)際需要從Altera公司和Xilinx公司的各種芯片系列中挑選。2、CPLD的軟件可分為兩大塊：編程語言和編程工具。編程語言主要有VHDL和Verilog兩種意見描述語言：編程工具主要是兩大廠家Altera和Xilinx的集成綜合EDA軟件(如MAX+plusII、Foundation、ISE)以及第三方工具(如FPGAExpress、Modelsim、SynposysSVS等)。A、HDL語言方式HDL既可描述底層設(shè)計(jì)也可以描述頂層的設(shè)計(jì),但它不容易做到較高的工作速度和芯片利用率。用這種方式描述的項(xiàng)目最后所能達(dá)到的性能與設(shè)計(jì)人員水平、經(jīng)驗(yàn)以及綜合軟件有很大關(guān)系。用VHDL語言開發(fā)CPLD的完整流程如圖4-2所示。圖4-2用VHDL語言開發(fā)CPLD的完整流程圖(1)本文編輯,用任何文本編輯器都可以進(jìn)行(也可以專用HDL編輯環(huán)境)，VHDL文本保存為﹒vhd文件；(2)功能仿真,將文件調(diào)入HDL仿真軟件進(jìn)行功能仿真,檢查邏輯功能是否正確(也叫前仿真,對(duì)簡單的設(shè)計(jì)可以跳過這一步,只在布線完成以后,進(jìn)行時(shí)序仿真)；(3)邏輯綜合將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進(jìn)行綜合,即把語言綜合成最簡單的布爾表達(dá)式,邏輯綜合軟件生成.edf(edif)的EDA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件；(4)布局布線,將.edf文件調(diào)入PLD廠家提供的軟件中進(jìn)行布線(即把設(shè)計(jì)好的邏輯安放到PLD內(nèi))；(5)時(shí)序仿真,需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù),用仿真軟件驗(yàn)證電路的時(shí)序(也叫后仿真)(6)生成最后下載的目標(biāo)文件?？梢苑譃殡娐吩韴D描述,狀態(tài)機(jī)描述和波形描述3種形式。有的軟件3種輸入方法都支持Active-HDL。MAX+plusII圖形輸入方式只支持電路原理圖描述和波形描述兩種。B、圖形方式可以分為電路原理圖描述，狀態(tài)及描述和波形描述3種。有些軟件3種輸入方式都支持。MAX+plusⅡ圖形輸入方式只支持電路原理圖描述和波形描述兩種。（1）電路原理圖方式描述比較直觀和高效，對(duì)綜合軟件的要求不高。一般大都使用成熟的IP核和中小規(guī)模集成電路所搭建的現(xiàn)成電路，整體放到一片可編程序邏輯器件的內(nèi)部去，所以硬件工作速度和芯片利用率很高，但是當(dāng)項(xiàng)目很大的時(shí)候，該方法就顯得有些繁瑣。（2）波形描述方式是基于真值表的一種圖形輸入方式，直接描述輸入與輸出的波形關(guān)系。這種輸入方式最后所能達(dá)到的工作速度和芯片利用率也是主要取決與綜合軟件。此次CPLD設(shè)計(jì)是運(yùn)用MAX+plusⅡ軟件，以電路原理圖描述來完成電路設(shè)計(jì)。4.2cpu板與總線接口設(shè)計(jì)工控機(jī)我們選擇的是：昭營科技推出了基于Vortex86的嵌入式單板機(jī)和處理器模塊，該系列產(chǎn)品集成了兼容X86結(jié)構(gòu)的處理器、高性能的北橋、高級(jí)硬件GUI引擎和超級(jí)南橋，擁有奔騰級(jí)處理器的優(yōu)秀性能，具有低功耗、低發(fā)熱且能在-20℃——+70℃/-40℃——+85℃的溫度范圍內(nèi)正常工作等特點(diǎn)，是高性價(jià)比的SOCCPU。此外，Vorex86系列SOC完全支持USB、LegacyRemoval、CIR、智能卡和割裂IA（informationappliance）應(yīng)用，在板集成支持CRT/LCD、UDMAIDE、軟驅(qū)和各種外部設(shè)備I/O。通過運(yùn)用Ultra-AGP技術(shù)，Vortex86系列板卡能提供高性能的GUI存儲(chǔ)帶寬。此外，除了支持標(biāo)準(zhǔn)CRT顯示界面，該系列板卡還未個(gè)人電腦和數(shù)字平板顯示器提供標(biāo)準(zhǔn)顯示接口。為增強(qiáng)版卡的功能及提高其應(yīng)用的靈活性，昭營科技提供支持NTSC/PAL視頻輸出、數(shù)字液晶顯示器和二級(jí)CRT顯示器的視頻橋梁（sis301/sis302），從而減少了外部渠道連接輸出和電視輸出譯碼的成本。參考型號(hào)為：Vortex86-6247-6s。此次設(shè)計(jì)采用ISA總線技術(shù)，在工控機(jī)的PC1048位PC/104共有64個(gè)總線管腳(單列雙排插針和插孔)總線轉(zhuǎn)ISA總線時(shí)，我們采用了如圖4-3所示的設(shè)計(jì)，在PC104與ISA之間采用了74LS245三態(tài)輸出地八組總線收發(fā)器，提高總線的驅(qū)動(dòng)能力及抗干擾能力。在ISA總線中，將沒有使用到的一部分當(dāng)做供電線路使用。圖4-3PC/104(單列雙排插針和插孔)總線轉(zhuǎn)ISA總線板4.3傳感器及氣缸驅(qū)動(dòng)板4.3.1傳感器及氣缸驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)如圖4-4圖4-4傳感器及氣缸驅(qū)動(dòng)板電路板按鍵燈及報(bào)警燈驅(qū)動(dòng)電路：采用ULN2003—高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列來驅(qū)動(dòng)按鍵燈，而報(bào)警信號(hào)燈需要在ULN2003的基礎(chǔ)上再加一級(jí)放大電路驅(qū)動(dòng)才行，如圖4-5：圖4-5按鍵燈及報(bào)警燈驅(qū)動(dòng)電路4.3.2傳感器及氣缸驅(qū)動(dòng)板cpld內(nèi)部電路連接圖如圖4-6圖4-6傳感器及氣缸驅(qū)動(dòng)板電路板CPLD計(jì)4.4與測(cè)試機(jī)通訊板4.4.1與測(cè)試機(jī)通訊板設(shè)計(jì)如圖4-7：圖4-7測(cè)試機(jī)通訊板為了不浪費(fèi)CPLD的資源，我們?cè)谝粔K板上面設(shè)計(jì)了兩個(gè)站的接口。兩塊這樣的測(cè)試通訊板就可提供4個(gè)測(cè)試通訊接口。在接口處我們采用了如下圖4-8設(shè)計(jì)：圖4-8測(cè)試通訊接口設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)的目的在于，更加方便的兼容各種測(cè)試機(jī)。JP101和JP102同時(shí)接1和2腳時(shí)，高電平有效，同時(shí)接2和3時(shí)，低電平有效。4.4.2通訊板cpld內(nèi)部電路連接圖如圖4-9所示：圖4-9測(cè)試機(jī)通訊板CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)4.5入箱分選控制板入箱分選控制板即分選馬達(dá)控制板，搭載有按指定的脈沖數(shù)和頻率輸出脈沖序列的功能，能根據(jù)目的位置、速率、加/減速度等動(dòng)作參數(shù)，可自動(dòng)輸出控制脈沖，還包括定位控制的各種限位輸入功能，用于連接脈沖輸入型步進(jìn)電機(jī)?？刂圃砣鐖D4-10：4-10馬達(dá)控制原理圖4.5.1入箱分選控制板設(shè)計(jì)如圖4-11所示：圖4-11入箱分選控制板這一部分的重點(diǎn)在于，控制板需要根據(jù)接收到的分選信號(hào)，控制分選馬達(dá)走到相對(duì)應(yīng)的位置，并且根據(jù)編碼盤的反饋信號(hào)，確保走的位置無誤，從而使分好類的三極管落到相對(duì)應(yīng)的分選箱里面。分選馬達(dá)上面安裝了一個(gè)落管導(dǎo)向管，導(dǎo)向管固定在馬達(dá)上面跟著馬達(dá)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向管的一端是正對(duì)著導(dǎo)軌末端的出口，等待著測(cè)試分類完成的三極管從導(dǎo)軌落下來，當(dāng)馬達(dá)走到相應(yīng)的位置后，導(dǎo)向管的另一端會(huì)對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的分選箱，使三極管沿著導(dǎo)向管落入正確的分選箱。圖4-11所用馬達(dá)型號(hào)我們最終選擇的馬達(dá)是VEXTAUPH599H-B,驅(qū)動(dòng)器型號(hào)是VEXTA5-PhaseDriverUDX5128。VEXTAUPH599H-B馬達(dá)如圖4-11所示，5相采用心型連接。電壓100V，電流1.4A/相，步距角為0.72°，轉(zhuǎn)一圈需要500step。由于步距角為0.72°太大，我們對(duì)它進(jìn)行了細(xì)分，分為0.36°，這樣步進(jìn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈就需要1000step，即1000個(gè)脈沖信號(hào)。此次設(shè)計(jì)的分選機(jī)為二十五個(gè)分選箱，每個(gè)分選箱之間的角度就是14.4°，所以從一個(gè)分選位到達(dá)另一個(gè)分選位需要40個(gè)脈沖。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)步進(jìn)電機(jī)的要求：1、步進(jìn)電機(jī)在電脈沖的控制下能迅速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；2、加工精度高，即要求一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小，并要準(zhǔn)確、均勻。這就要求步進(jìn)電機(jī)步距小，步距精度高，不得丟步或是過沖；3、動(dòng)作快速。即不僅起動(dòng)、停步、反轉(zhuǎn)快，并能連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；4、輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接帶動(dòng)負(fù)載。4.5.2入箱分選控制板上CPLD設(shè)計(jì)——分頻器模塊1、分頻原理偶數(shù)倍（2N）分頻使用一模N計(jì)數(shù)器模塊即可實(shí)現(xiàn),即每當(dāng)模N計(jì)數(shù)器上升沿從0開始計(jì)數(shù)至N時(shí),輸出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn),同時(shí)給計(jì)數(shù)器一復(fù)位信號(hào)使之從0開始重新計(jì)數(shù),以此循環(huán)即可。偶數(shù)倍分頻原理示意圖見圖4-12。4-122分頻原理示意圖4-133分頻原理示意圖圖4-143-0.5分頻原理示意圖奇數(shù)倍（2N+1）分頻（1）占空比為X/(2N+1)或（2N＋1-X）/（2N+1）分頻,用模（2N＋1）計(jì)數(shù)器模塊可以實(shí)現(xiàn)。取0至2N之間一數(shù)值X(0<X<2N),當(dāng)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘上升沿從0開始計(jì)數(shù)到X值時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)一次,在計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)達(dá)到2N＋1時(shí),輸出時(shí)鐘再次翻轉(zhuǎn)并對(duì)計(jì)數(shù)器置一復(fù)位信號(hào),使之從0開始重新計(jì)數(shù),即可實(shí)現(xiàn)。（2）占空比為50％的分頻,設(shè)計(jì)思想如下：基于（1）中占空比為非50％的輸出時(shí)鐘在輸入時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn);若在同一個(gè)輸入時(shí)鐘周期內(nèi),此計(jì)數(shù)器的兩次輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)分別在與（1）中對(duì)應(yīng)的下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn),輸出的時(shí)鐘與（1）中輸出的時(shí)鐘進(jìn)行邏輯或,即可得到占空比為50％的奇數(shù)倍分頻時(shí)鐘。當(dāng)然其輸出端再與偶數(shù)倍分頻器串接則可以實(shí)現(xiàn)偶數(shù)倍分頻。奇數(shù)倍分頻原理示意圖見圖4-13。N-0.5倍分頻采用模N計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)。具體如下：計(jì)數(shù)器從0開始上升沿計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)達(dá)到N-1上升沿時(shí),輸出時(shí)鐘需翻轉(zhuǎn),由于分頻值為N-0.5,所以在時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)后經(jīng)歷0.5個(gè)周期時(shí),計(jì)數(shù)器輸出時(shí)鐘必須進(jìn)行再次翻轉(zhuǎn),即當(dāng)CLK為下降沿時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入端應(yīng)為上升沿脈沖,使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到N而復(fù)位為0重新開始計(jì)數(shù)同時(shí)輸出時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)。這個(gè)過程所要做的就是對(duì)CLK進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,使之送給計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)鐘每經(jīng)歷N-0.5個(gè)周期就翻轉(zhuǎn)一次。N-0.5倍：取N=3,分頻原理示意圖見圖4.14。對(duì)于任意的N＋A/B倍分頻（N、A、B∈Z,A≦B）分別設(shè)計(jì)一個(gè)分頻值為N和分頻值N＋1的整數(shù)分頻器,采用脈沖計(jì)數(shù)來控制單位時(shí)間內(nèi)兩個(gè)分頻器出現(xiàn)的次數(shù),從而獲得所需要的小數(shù)分頻值?？梢圆扇∪缦路椒▉碛?jì)算個(gè)子出現(xiàn)的頻率：設(shè)N出現(xiàn)的頻率為a,則N×a＋（N+1）×（B-a）＝N×B＋A求解a＝B-A;所以N＋1出現(xiàn)的頻率為A.例如實(shí)現(xiàn)7＋2/5分頻,取a為3,即7×3＋8×2就可以實(shí)現(xiàn)。2、設(shè)計(jì)方法采用VHDL語言可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn),并且CPLD/FPGA具有可并行執(zhí)行的特性,可以保證兩種不同的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)以及分頻時(shí)鐘輸出保持同步,所以上述分頻方法可以基于CPLD/FPGA予以實(shí)現(xiàn)。綜合上述分析,實(shí)現(xiàn)多功能分頻器功能的設(shè)計(jì)框圖如圖4.15所示。圖4-15多功能分頻器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)原理圖和底層VHDL語言三級(jí)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),使整個(gè)的設(shè)計(jì)以功能模塊化,便于程序修改、功能升級(jí)和分頻系數(shù)的設(shè)定。對(duì)于分頻值的設(shè)定采取了軟件設(shè)定的方法,即只需在VHDL語言程序中按照自己的需求對(duì)相應(yīng)的參數(shù)作修改、設(shè)定,而且設(shè)定值的取值靈活。頂層原理圖、次級(jí)原理圖分別如圖4-16、圖4-17。圖4-16頂層原理圖圖4-17次級(jí)原理圖本次設(shè)計(jì)CK延時(shí)3ns后設(shè)值為111,即功能模塊全部選中工作;偶數(shù)倍分頻模塊中模N計(jì)數(shù)器N設(shè)置為2,實(shí)現(xiàn)四分頻;奇數(shù)倍分頻模塊中模2N+1計(jì)數(shù)器N設(shè)置為1實(shí)現(xiàn)三分頻,占空比X設(shè)置為1即分頻系數(shù)為1/3,模M計(jì)數(shù)器M值設(shè)置為2實(shí)現(xiàn)2M*(2N+1)=12分頻;N-0.5倍分頻模塊中N設(shè)置為3,實(shí)現(xiàn)2.5分頻。從方針波形中可以看出,實(shí)現(xiàn)了通用多功能分頻器。若要得到其他值,只需修改相應(yīng)功能模塊的VHDL語言中的相關(guān)的參數(shù),再進(jìn)行編譯、綜合適配、下載即可。4.5.3入箱分選控制板上CPLD設(shè)計(jì)——分選馬達(dá)加減速控制模塊步進(jìn)電機(jī)(脈沖電動(dòng)機(jī))是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件，其可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有瞬間啟動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。步進(jìn)電機(jī)在各種應(yīng)用場合下最大的優(yōu)勢(shì)是：可以開環(huán)方式控制而無需反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制，但也正是因?yàn)樨?fù)載位置對(duì)控制電路沒有反饋，步進(jìn)電機(jī)就必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠移到新的位置，那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖現(xiàn)象。因此步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。1、步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理S曲線加減速將傳統(tǒng)的3段加減速過程變?yōu)?段加減速過程，形成S字形，如圖4.18所示。加速段由加加速度段(T1)、勻加速度段(T2)、減加速度段(T3)組成；減速段由加減速度段(T5)、勻減速度段(T6)、減減速度段(T7)組成；而勻速段為(T4)。圖4-18步進(jìn)電機(jī)加減速控制原理在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，給一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，如輸人為脈沖數(shù)N，在規(guī)定的時(shí)間T內(nèi)，其頻率即為f。驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率f隨時(shí)間t有：公式（4-1）公式（4-1）中，fm為步進(jìn)電機(jī)的最高連續(xù)頻率，τ是決定升速快慢的時(shí)間常數(shù)，實(shí)際工作中可由實(shí)驗(yàn)來確定，已知系統(tǒng)達(dá)到勻速時(shí)的速度和系統(tǒng)達(dá)到最大速度所用的時(shí)間。在升降速控制時(shí)，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器的裝載值的大小。2、控制方法將升速過程離散處理，在設(shè)計(jì)中將加速時(shí)間固定為T=T1+T2+T3，為使說明方便，令T2=0。這時(shí)加速段由3個(gè)變?yōu)?個(gè)，即加加速段與減加速段。將T等分為40個(gè)時(shí)間相同的時(shí)間段，即將加加速時(shí)間T1分為20等分，將加減速時(shí)間T3分為20等分。則兩次速度變化的間隔時(shí)間為△t=T／40，則每一檔的頻率可由式(1)計(jì)算得出，在每一檔頻率下步進(jìn)電機(jī)所執(zhí)行的步數(shù)也可通過計(jì)算得出。程序執(zhí)行流程中，對(duì)每檔速度都要計(jì)算在這檔速度應(yīng)走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查，即每走一步，每檔步數(shù)減1。當(dāng)減至零時(shí)，表示該檔速度應(yīng)走的步數(shù)己走完，應(yīng)進(jìn)入下一檔速度。一直循環(huán)到給出的速度大于或等于給定的速度為止。減速流程與升速流程剛好相反。4.5.4實(shí)際設(shè)計(jì)圖如圖4-19圖4-19分頻器設(shè)計(jì)在圖4-19中，F(xiàn)DIV部分內(nèi)部電路如下圖4-20：圖4-20FDIV部分內(nèi)部電路2、圖4-19中ACCELARATEBLE部分是分選馬達(dá)加減速控制編程程序，如下：Subdesignaccelaratetable(IQ0,IQ1,IQ2,IQ3,IQ4:input;CQ[13..0]:output;)BeginDefaultsCQ0=0;CQ1=0;CQ2=0;CQ3=0;CQ4=1;CQ5=0;CQ6=0;CQ7=1;CQ8=1;CQ9=0;CQ10=0;CQ11=0;CQ12=0;CQ13=0;Enddefaults;TableIQ[4..0] => CQ[13..0];0=>16383;1=>8000;2=>5000;3=>2500;4=>1500;5=>1000;6=>800;7=>700;8=>650;9=>600;10=>560;11=>530;12=>510;13=>500;14=>490;15=>480;16=>470;17=>460;18=>455;19=>450;20=>445;21=>440;22=>435;23=>430;24=>425;25=>420;26=>416;27=>412;28=>409;29=>406;30=>403;B"xxxxx"=> 400;EndTable;End;上面程序是一段馬達(dá)加減速控制程序，經(jīng)過試驗(yàn)得出結(jié)論，馬達(dá)加減速過程分別需要32step，才能確保馬達(dá)平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以上面定義的IQ0—IQ4是一組5位二進(jìn)制數(shù)，作為32step的編碼。CQ（13..0）是定義的分頻系數(shù)，我們給CPLD單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)晶振，時(shí)鐘為2MHZ（而沒有用工控機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘，因?yàn)楣た貦C(jī)的時(shí)鐘很多地方用到，可能會(huì)影響我這塊的穩(wěn)定性）。用2MHZ除以CQ就得到了發(fā)給馬達(dá)的工作頻率，只要CQ不變，馬達(dá)就會(huì)一直工作在這一頻率段。（1）、如果整個(gè)電機(jī)運(yùn)行step是100step，那么前32step為加速過程，最后32step為減速過程，中間為勻速運(yùn)行。如圖4-18：（2）、由圖4-18我們可以看到，馬達(dá)加減速都是在一個(gè)低速的速度上面進(jìn)行的。所以在計(jì)算出馬達(dá)要走的step數(shù)后，一般要提前幾step減速，讓最后的step以低速速度運(yùn)行，保證馬達(dá)運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。（3）、如果整個(gè)電機(jī)運(yùn)行只有40step時(shí)（只轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)分選位40step），那么馬達(dá)會(huì)在第9step時(shí)就開始減速，因?yàn)樗ＷC有足夠的32step來減速，雖然馬達(dá)速度還沒有到達(dá)最高。它會(huì)先減速到低速速度運(yùn)行，這時(shí)速度不會(huì)再減小，它會(huì)一直以低速走到目標(biāo)位置。在這里會(huì)稍微影響一點(diǎn)時(shí)間，但是通過計(jì)算這段時(shí)間對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，可以忽略。4.5.5調(diào)試過程中的問題分析分選馬達(dá)的控制需要花費(fèi)大量的試驗(yàn)測(cè)試才能夠達(dá)到正常工作要求。在調(diào)試測(cè)試的過程中我們遇到了諸多的問題。我們對(duì)這些問題進(jìn)行了分析總結(jié)：1、步進(jìn)電機(jī)會(huì)振蕩(1)、振蕩是步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)存在的一般現(xiàn)象，但嚴(yán)重的振蕩會(huì)引起失步。振蕩的原因有多種，其中主要的原因有步進(jìn)電機(jī)處于低頻單步運(yùn)行；步進(jìn)電機(jī)的換相頻率和轉(zhuǎn)子的特征頻率、倍特征頻率、分?jǐn)?shù)特征頻率相等；步進(jìn)電機(jī)突然停車等情況。(2)、當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單步旋轉(zhuǎn)時(shí)，其工作頻率必定處于低頻區(qū)。在開始工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場力矩的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到新的平衡點(diǎn)時(shí)其速度仍然相當(dāng)高，從而沖過了平衡穩(wěn)定點(diǎn)產(chǎn)生過沖。車子一方面向前過沖，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度減到為零時(shí)，由于磁場拉力矩的作用則反向沖向平衡點(diǎn)，又形成反向過沖。由于機(jī)械磨擦力矩及電磁力矩的作用。形成一個(gè)衰減振動(dòng)過程。最后，轉(zhuǎn)子則穩(wěn)定停在平衡點(diǎn)。2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)失步(1)、轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，也即是低于換相速度而產(chǎn)生的。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。并且凡是比這時(shí)頻率高的工作頻率都必將失步。這種失步說明了步進(jìn)電機(jī)的拖動(dòng)能力不夠。一旦減少負(fù)載，或者提高繞組的激磁電流，則有可能克服失步。(2)、轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度。這時(shí)定子通電激磁的時(shí)間較長，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得了過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動(dòng)振蕩。當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就導(dǎo)致失步。3、頻率增高以后步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力要下降(1)、定子繞組電感的影響：因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的每相繞組是一個(gè)電感線圈，它具有一定的電感，而電感有延緩電流變化的特性。通俗地講，當(dāng)?shù)皖l時(shí)每相繞組通電時(shí)間和斷電的時(shí)間比較長，大于線圈的時(shí)間常數(shù)，線圈來得及獲得較高電流。而高頻率時(shí)每相繞組通電時(shí)間和斷電時(shí)間都很短，遠(yuǎn)小于線圈的時(shí)間常數(shù)，線圈獲得的電流就很小。而轉(zhuǎn)矩近似地與電流的平方成正比，這樣頻率越高，繞組中的平均電流越小，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩大大下降，負(fù)載能力也就大大下降了。(2)、當(dāng)頻率增加，步進(jìn)電機(jī)鐵心中的渦流損耗也將很快增加，這也是使輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩下降的一個(gè)因素。(3)、所以當(dāng)輸入脈沖頻率增高后，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力逐漸下降，到某一頻率以后，步進(jìn)電機(jī)已帶不動(dòng)任何負(fù)載。步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率不能過高這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速為零，在起動(dòng)過程中，電磁轉(zhuǎn)矩除了克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩外，還在克服轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性掩蔽，所以起動(dòng)時(shí)電機(jī)的負(fù)擔(dān)比連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)為重。如果起動(dòng)時(shí)脈沖頻率過高，則轉(zhuǎn)子的速度就跟不上定子磁場旋轉(zhuǎn)的速度，以致第一步完了的位置落后于平衡位置較遠(yuǎn)，以后各步中轉(zhuǎn)子速度增加不多，而定子磁場仍然以正比于脈沖頻率的速度向前轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子與平衡位置之間的距離越來越大，最后因轉(zhuǎn)子位置落到動(dòng)穩(wěn)定區(qū)以外而出現(xiàn)失步或是振蕩現(xiàn)象，因而使電機(jī)不能起動(dòng)。為了能正常起動(dòng)，起動(dòng)頻率不能過高，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)后再逐步升高頻率。4.6編碼盤電路設(shè)計(jì)如圖4-21圖4-21編碼盤電路總共六組，有五組是用于分選編碼，最多可以有32組編碼；另一組是用于為分選馬達(dá)提供在位檢測(cè)信號(hào)的，為了馬達(dá)更加準(zhǔn)確的走到目標(biāo)位置，以及對(duì)馬達(dá)實(shí)時(shí)位置的檢測(cè)。當(dāng)馬達(dá)在減速過程當(dāng)中，最后馬達(dá)減到最低速度時(shí)，馬達(dá)就是以這個(gè)最低速度轉(zhuǎn)動(dòng)，直到檢測(cè)到這個(gè)在位傳感器信號(hào)后就會(huì)完全停下來，而這個(gè)傳感器的位置是與各個(gè)分選箱的位置是相對(duì)應(yīng)的。它到位了就意味著與分選箱對(duì)準(zhǔn)了。所以在位傳感器檢測(cè)是編碼傳感器配合起作用的，是對(duì)馬達(dá)加減速控制部分的一個(gè)補(bǔ)充，詳細(xì)電路如圖4-22。圖4-22在位傳感器4.7入箱傳感器電路設(shè)計(jì)4.7.1兩種電路設(shè)計(jì)如圖4-23和圖4-24圖4-23入箱傳感器設(shè)計(jì)一此電路中使用了LM358運(yùn)放，它的輸出低電平大于0.7V，與TTL接口電路不兼容，容易引起誤動(dòng)作，所以重新設(shè)計(jì)了下面的電路，如圖4-23，此電路更加簡單，但是靈敏度沒有圖一電路那么高，但是在這里已經(jīng)夠用了，所以采用了圖4-24所示電路設(shè)計(jì)。圖4-24入箱傳感器設(shè)計(jì)二4.7.2兩種檢測(cè)方案1、兩種方案方案一、每個(gè)箱子一個(gè)入箱檢測(cè)傳感器，24個(gè)箱就有24個(gè)傳感器。在測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試抓位置上的三極管進(jìn)行完測(cè)試分類后，設(shè)備得到測(cè)試系統(tǒng)發(fā)來的分選信號(hào)，告訴分選馬達(dá)應(yīng)該將這個(gè)三極管落到相對(duì)應(yīng)的分選箱里面，在這個(gè)箱子的入口處就會(huì)有一個(gè)入箱傳感器，它在這里檢測(cè)，本來應(yīng)該到這里來的三極管實(shí)際有沒有落入這個(gè)分選箱。最終目的是起到一個(gè)監(jiān)控的作用，確保分好類的三極管已經(jīng)落下來了，并且落到正確的分選箱內(nèi)。方案二、只用一個(gè)傳感器檢測(cè)，但是這個(gè)傳感器安裝在導(dǎo)軌末端與箱子入口之間的落管導(dǎo)向管上面。這種檢測(cè)方式的目標(biāo)是，檢測(cè)測(cè)試完成的三極管從導(dǎo)軌末端落下來了并且通過這個(gè)導(dǎo)向管，而不能檢測(cè)到三極管是否落到了相對(duì)應(yīng)的分選箱內(nèi)。2、兩種方案對(duì)比：（1）方案一的設(shè)計(jì)比較全面，但是24路檢測(cè)傳感器的電路板相對(duì)復(fù)雜，而且需要組成一個(gè)直徑為二三十厘米的圓形（應(yīng)為24個(gè)分選箱是成圓形分布），在我們平時(shí)的維修過程中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)地方空間小，不方便維修，且只要其中的一路出現(xiàn)問題，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，這樣出錯(cuò)概率也會(huì)增加。（2）方案二的設(shè)計(jì)簡潔，一路傳感器的電路只需制作一塊直徑為三四厘米的圓形板安裝在落管導(dǎo)向管的下方即可，維修方便，出錯(cuò)概率小。至于不能檢測(cè)到三極管是否落入正確的分選箱內(nèi)，我們可以通過其它地方的檢測(cè)方法來保證。方法是：在調(diào)試的時(shí)候，我們將分選馬達(dá)走到軟件定義的分選箱的位置，然后只要將落管導(dǎo)向管的出口對(duì)準(zhǔn)這個(gè)分選箱的入口，這時(shí)將導(dǎo)向管固定在馬達(dá)軸上面，這樣就可以保證馬達(dá)走到哪個(gè)分選箱的位置，導(dǎo)向管出口就對(duì)準(zhǔn)了那個(gè)分選箱的入口。只要馬達(dá)走的位置正確，落入導(dǎo)向管內(nèi)的三極管就可以保證落入正確的分選箱內(nèi)了。相當(dāng)于同樣實(shí)現(xiàn)了三極管入箱檢測(cè)。3、所制作出來的電路板如下圖4-25所示：圖4-25入箱傳感器電路板4.8傳感器及電磁閥接口板設(shè)計(jì)包括上料部分、導(dǎo)軌部分的傳感器及電磁閥接口。如圖4-26圖4-26上料部分、導(dǎo)軌部分的傳感器及電磁閥接口電路4.9其它傳感器電路設(shè)計(jì)4.9.1上料檢測(cè)傳感器上料檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)如圖4-27，這個(gè)傳感器是安裝在導(dǎo)軌進(jìn)料口位置，它的作用是與上料機(jī)構(gòu)配合，有序的給控制上料機(jī)構(gòu)給導(dǎo)軌加料進(jìn)去。當(dāng)這個(gè)傳感器檢測(cè)到常亮?xí)r，說明導(dǎo)軌里面已經(jīng)裝滿了準(zhǔn)備好的三極管，可以暫時(shí)停止送料，這時(shí)系統(tǒng)得到這個(gè)信號(hào)后會(huì)告訴上料機(jī)構(gòu)可以延時(shí)一段時(shí)間再給導(dǎo)軌供料。這個(gè)位置本來還有一組傳感器，是信號(hào)極性反轉(zhuǎn)檢測(cè)。正常情況是，進(jìn)入導(dǎo)軌的三極管都是正面朝外的，為了防止有個(gè)別三極管是正面朝內(nèi)的進(jìn)去導(dǎo)軌而導(dǎo)致測(cè)試失敗或者將三極管擊穿損壞（三極管反著進(jìn)去，B極、C極和E極的順序就會(huì)顛倒，系統(tǒng)通過測(cè)試爪發(fā)過來的測(cè)試條件加載就不對(duì)），所以設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)反轉(zhuǎn)檢測(cè)，檢測(cè)到三極管反著進(jìn)入了導(dǎo)軌后，系統(tǒng)發(fā)信號(hào)給測(cè)試系統(tǒng)，在測(cè)試這個(gè)三極管時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試程序要更換。圖4-27上料檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)4.9.2料在位傳感器檢測(cè)測(cè)試位及測(cè)試位上方位置是否有料。當(dāng)測(cè)試位有料時(shí)，測(cè)試位上方?jīng)]有料，說明測(cè)試條件滿足，可以測(cè)試。如果測(cè)試位和測(cè)試位上方同時(shí)檢測(cè)到有料，那么測(cè)試條件不滿足，測(cè)試停止，系統(tǒng)報(bào)警。三個(gè)測(cè)試工位，所以有六組。如圖4-28所示。圖4-28料在位檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)4.10小結(jié)這一章是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的電路進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)，運(yùn)用CPLD的電路設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試出各塊電路板達(dá)到設(shè)計(jì)要求。特別是對(duì)分選馬達(dá)控制這部分做了較為詳細(xì)的分析介紹。因?yàn)檫@部分也是整個(gè)系統(tǒng)中最核心的、設(shè)計(jì)難度最大的地方。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)出來的方案，基本能保證它正常運(yùn)行。另外，由于電路圖版面較大，還有許多電路的連線圖沒有貼出來。第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1VISUALC++6.0介紹在開發(fā)該系統(tǒng)平臺(tái)軟件主要選用了VISUALC++6.0作為開發(fā)工具，基于WINDOWS98操作系統(tǒng)下開發(fā)應(yīng)用程序。VisualC++系列產(chǎn)品是微軟公司推出的一款優(yōu)秀的C++集成開發(fā)環(huán)境，其產(chǎn)品定位為WINDOWS95/98、NT、2000系列Win32系統(tǒng)程序開發(fā)，由于其良好的