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;器加USB收发芯片,USB收发芯片仅处理USB总线相关事务,微处理器完成协议处理和数据交换.如Philips的PDIUSBDll/12,National半导体公司的USBN960X等.这种方案的优点是灵活性大,可以根据要求选择微处理器,适合于产品的改型设计,缺点是需要两个芯片,电路设计,芯片间时序配合和调试比较复杂.第三种方案是采用带有微处理器的USB芯片,这些微处理器都是基于8051结构或者其它常见的结构.这类的芯片有外部区域数据总线,总线使用一个同步串行或并行接口来连接到MCU.芯片的一个中断管脚,在控制器收到USB数据或需要传送新数据时,会传送信号给MCU.此局部总线接口的速度,比USB最大传输速率小.这种实现USB接口的标准组件使得使用者可以在各种不同类型的微控制器中选择出一种最合适的微控制器,通过使用已有的结构和减少固件上的投资缩短了开发时间,减少了开发风险和费用[16].本文采用的是第三芯片,,即PHILIPS的ISP1581.ISP1581是一种功能强大的通用串行总线(USB)接口器件,它完全符合USB2.0规范,并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速USB通信能力.ISP1581与系统的微控制器/微处理器的通信是通过一个高速的通用并行接口来实现的.ISP1581支持USB2.0系统运作的自动检测.USB1.1的返回工作模式允许器件在全速条件下也可以正常工作.它是一个通用的USB接口器件,符合现有的大多数器件的分类规格,比如:成像类,海量存储器件,通信器件,打印设备以及人机接口设备.内部包含有通用DMA模块使得数据流很方便的集成.另外,多种结构的DMA模块也实现了海量存储的应用.
ISP1581芯片具有以下一些特点:
1)直接与ATA/ATAPI外设相连,
2)完全符合通用串行总线(USB)Rev2.0规范,符合大多数器件的分类规格,
3)高性能的USB接口器件,集成了串行接口引擎(SIE),PIE,FIFO存储器,
数据收发器和3.3v的电压调整器,
4)支持USB2.0的自检工作模式和USB1.1的返回工作模式,
5)高速的DMA接口,
6)完全自治的多结构DMA操作,
7)7个IN端点,7个OUT端点和1个固定的控制IN/OUT端点,
8)集成8K字节的多结构FIFO存储器,上海交通大学硕士学位论文
9)端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输,
10)同大部分的微控制器/微处理器有单独的总线接口(15M字节/秒或15M字/
秒),
11)集成了PLL的12MHZ的晶体振荡器,有着良好的EMI特性,
12)集成了5V到3V的内置电压调整器,
13)可通过软件控制与USB总线的连接(SoftConnectTM),
14)符合ACPITM,OnNOWTM和USB电源管理的要求,
15)可通过内部上电复位和低电压复位电路复位,也可通过软件复位,
16)工作在扩展USB总线电压范围(4.0～5.5)内,I/O端口最大可承受5V的
电压.
4.1.3USB接口电路
1.ISP1581信号接口电路
ISP1581提供了管脚6,5分别与USB电缆JP5的D+,D-相连,同时提供了一个VCC5V的参考电压,这样当ISP1581本身的供电能力不足时,将JP4的1,2引脚相连,这样用外部电源来提高供电能力.信号连接电路如图4-3所示.
2.接口晶体振荡电路
晶体振荡电路在微控制器系统中非常重要,它决定了整个微控制器系统能否稳定工作.为了产生15MByte/s的USB总线速率,系统使用12MHz的晶振,内部集成了40倍PLL时钟乘法器来产生USB收发器的480MHz时钟信号,电路连接如上图4-3所示.其中,C1,C2接入都是为了12MHz晶振能够更容易地起振,将C1和C2的值取为20pF.
4.1.4RS-485接口电路
USB总线虽然传输速度较快,但传输距离短.UBS协议中规定全速设备离为5米,低速设备为3米.实际应用中,由于传输时延的存在,传输距全速设备,如果传输时延高达9ns/m,传输距离仅为3.3m.RS-485总线是一种单点通信串行接口标准,仅需几条信号线即可实现通信.RS-485标准允许的连接电缆不超过15.24m,但若能保证电缆总电容小于2500pF,则电缆长度超过限定值.RS-485允许的传输速率为0-20000bps,实际应用中常被限制在19200bps以内.为了使主手控制器有较强的通用性,在设计中还采用了RS-485进行通信.RS-485接口电路如图4-4所示:
4.2位置检测系统
在这个力反馈遥控器中,位置检测单元的主要作用对操纵杆的运动做出检测,将操纵杆各杆转过的角度信息处理成计算机可以识别的数字量,再由计算机将这些信息传给前方的从操作手,指挥前方的从操作手按照发出的指令运动.不难看出,位置检测单元由两部分构成,一是编码器,二是信号处理电路.编码器用来采集信号,信号处理电路用来对采集到的信号进行处理.位置检测单元作为整个系统的第一环节,它的精度等因素都将影响后续的控制过程,所以对位置检测单元进行设计时尤其要科学.光电编码角度检测传感器俗称编码器.它将测量到的角度量转换为数字脉冲信号输出,可用来检测被检对象的角位移,角速度,角加速度,线位移,线速度和线加速度等,因而,应用十分广泛[18].
由于增量式编码器的输出是脉冲序列,所以要采用特殊的接口电路对信号进行调理.增量式编码器通常有3个信号输出端A,B,C.当载体运动时,编码器将其转变成脉冲信号在A,B端输出,A,B信号之间相位相差正负90度(正负号由运动的方向确定),C信号为零位标志信号(1个脉冲/全程).
在这一节中,将介绍两种驱动方式,一种是用硬件的方式,即通过组合电路来实现光电编码器的驱动,另一种是用软件的方式,即只采用光电隔离电路,信号调理和脉冲计数都由软件实现.本文采用的是第二种方法.但是还是将第一种方法做出了具体介绍,以供参考.由于系统的电路图采用的是第二种方案,而且功能都是由编程实现,增量式编码器的接口电路,一般由两部分组成:信号调理电路和脉冲计数电路.信号调理电路主要完成:判别编码器的运动方向,同时产生正,反运动脉冲.脉冲计数电路主要是通过计数正,反运动的脉冲数目以获取当前的位置(或速度)数据.
4.3力矩电机系统
4.3.1力矩电机的选择
力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机.其电枢有较多的槽数,换向片数和串联导体数,以降低转矩脉动和转速脉动.当负载增加时,电动机的转速能自动的随之降低,而输出力矩增加,保持与负载平衡.力矩电机的堵转转矩高,堵转电流小,能承受一定时间的堵转运行.由于转子电阻高,高损耗大,所产生的热量也大特别在低速运行和堵转时更为严重,因此,电机在后端盖上装有独立的轴流或离心式风机(输出力矩较小的100机座号及以下除外),作强迫通风冷却,力矩电机配以可控硅控制装置,可进行调压调速,调速范围可达1:4,转速变化率≤10%.适用于卷绕,开卷,堵转和调速等无所适从事及其他用途,被广泛应用于纺织,电线电缆,金属加工,造红,橡胶,塑料以及印刷机械等工业领域.具有低转速,大扭矩,过载能力强,响应快,特性线性度好,力矩波动小等特点,可直接驱动负载省去减速传动齿轮,从而提高了系统的运行精度.为取得不同性能指标,该电机有小气隙,中气隙,大气隙三种不同结构形式,小气隙结构,可以满足一般使用精度要求,优点是成本较低,大气隙结构,由于气隙增大,消除了齿槽效应,减小了力矩波动,基本消除了磁阻的非线性变化,电机线性度更好,电磁气隙加大,电枢电感小,电气时间常数小,但是制造成本偏高,中气隙结构,其性能指标略低于大气隙结构电机,但远高于小气隙结构电机,而体积小于大气隙结构电
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