第六章 数控系统硬件电路设计
第一节 设计内容
１.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；
２.选择计算机或中央处理单元的类型；
３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；
４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；
５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；
６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数； ７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。
第二节 设计步骤
１.确定硬件电路的总体方案。
数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1．主控制器。即中央处理单元CPU
2．总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。
3．存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 4．接口。即I/O输入输出接口。
数控系统的硬件框图如下所示：
中央处理单
元CPU
存储器RAM
ROM
输入/输出 I/O接口 信号变换
控制对象
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外设： 键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等
２.主控制器ＣＰＵ的选择
ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用８０３１芯片作为主控芯片。
３.存储器扩展电路设计
(１）程序存储器的扩展
单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型号有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为２k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑ＣＰＵ与ＥＰＲＯＭ时序的匹配。８０３１所能读取的时间必须大于ＥＰＲＯＭ所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择２７６４芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。
单片机规定Ｐ0口提供８为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作为地址锁存器，并由ＣＰＵ发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。
由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：
P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 译码电路 CE A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0
ALE P0.7 ↓ P0.0 G 74LS372 PSEN OE D7 ↓ D0 EA 扩展2764电路框图
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(２）数据存储器的扩展
由于８０３１内部ＲＡＭ只有１２８字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用６２６４芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：
P2.4 ↓ P2.0 译码电路 CE1 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ALE P0.7 ↓ P0.0 G 74LS372 EA WR WEOE OE
扩展6264电路框图
RD (３）译码电路
在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。
本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示： （4）存储器扩展电路设计
8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。
该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路， 单片机外存储器扩展电路如下： （5）Ｉ／Ｏ扩展电路设计
(a).通用可编程接口芯片８１５５
８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用户使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口线。因此要进行Ｉ／Ｏ口的扩展。８１５５与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的
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接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示
(b).键盘，显示器接口电路
键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用Ｉ／Ｏ口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。
数控系统中使用的显示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下图所示为采用８１５５接口管理的键盘，显示器电路。它有４Ｘ８键和６位ＬＥＤ显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用８１５５的PＡ口进行控制，键盘的行线由８１５５Ｃ口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。
键盘显示器接口电路如下所示：
4．步进电机驱动电路设计
(1）脉冲分配器
步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：
（2）光电隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：
（3）功率放大器
脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。
5．其它辅助电路设计
（１）８０３１的时钟电路
单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。
内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在１.２～１２之间任意选择，耦合电容在５～３０pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。
8031 XTAL1 XTAL2 时钟电路
（２）复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现 １０ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后ＣＰＵ便从００００Ｈ单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与８０３１复位要求一致时，可以
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直接相连。当晶振频率选用６ＭＨz时，复位电路中Ｃ取２２?Ｆ，Ｒ取２００?，RK取１０００?。实用复位电路图如下所示： （３）越界报警电路
为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。８０３１可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至８０３１的外部中断引脚（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示
第三节 机床数控系统硬件电路设计
该系统选用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为４Ｋ，数据存储器扩展为８Ｋ。
２７３２的片选控制端CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端CE由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000 ～５ＦＦＦＨ。
系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选 端CE接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。
8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。
键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。
PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。
另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附（二），附（三）。
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