《現場匯流排位置控制裝置》是瀋陽新松機器人自動化股份有限公司於2006年12月13日申請的專利，該專利的申請號為2006101347471，申請公布號為CN101200065，公布日為2008年6月18日，發明人是魏輝、惠龍、徐方、杜鵬。該發明涉及工業機器人位置控制裝置，具體為一種在機器人系統和機器人生產線上使用的、用於控制機器人各個關節運動使整個機器人系統完成指定動作的功能單元。
《現場匯流排位置控制裝置》包括：單片機，配有控制信號轉換器；與單片機和數據匯流排驅動器相連的數據存儲器、程式存儲器；邏輯I/O解碼器，與單片機相連，譯出的邏輯控制信號至數據匯流排驅動器、脈衝控制單元及脈衝發生單元；現場匯流排控制器，輸入接控制信號轉換器，輸出經至現場匯流排；位置輸入單元，外接伺服驅動系統，輸出與單片機通信；脈衝發生單元，接收來自單片機的輸入信號，輸出經脈衝控制單元至置脈衝輸出單元，並外部伺服驅動系統電連線，形成六軸位置脈衝的控制輸出；串口控制器為對外設定的連線接口。該發明能完成通用的位置控制操作，減少布線的複雜程度，抗干擾能力強，系統集成度高，實用、可靠、便於擴展。
2013年10月，《現場匯流排位置控制裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《現場匯流排位置控制裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：現場匯流排位置控制裝置
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101200065
- 公布日：2008年6月18日
- 申請號：2006101347471
- 申請人：瀋陽新松機器人自動化股份有限公司
- 地址：遼寧省瀋陽市渾南新區金輝街16號
- 發明人：魏輝、惠龍、徐方、杜鵬
- 專利代理機構：瀋陽科苑專利商標代理有限公司
- 代理人：許宗富、周秀梅
- 分類號：B25J9/16（2006.01）、B25J13/00（2006.01）、G05B19/418（2006.01）、G05D3/00（2006.01）
- 申請日：2006年12月13日
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在2006年12月以前的機器人系統中，現場匯流排的位置控制普遍採用並行匯流排結構。這種結構使得機器人控制櫃布線相對複雜，不易於擴展和在機器人生產線上套用。在一些有特殊要求的場合需要重新設計電控部分，此外複雜的並行匯流排布線使系統容易受到外界干擾。
發明內容
專利目的
《現場匯流排位置控制裝置》的目的是提供一種現場匯流排位置控制裝置，它採用串列匯流排新結構，具有原有結構的全部功能，並具有布線簡單，易於擴展，抗干擾能力強集成度高等特點，易於擴展和在機器人生產線上套用。
技術方案
《現場匯流排位置控制裝置》解決其技術問題所採用的技術方案 ：基於現場匯流排的串列匯流排結構，採用脈衝傳送方式，對六個位置軸進行控制；其結構包括：
單片機，通過數據、地址匯流排、控制信號與數據存儲器、程式存儲器、串口控制器、邏輯I/O解碼器、數據匯流排驅動器、控制信號轉換器及脈衝發生單元通信；
數據存儲器，通過數據、地址匯流排、控制信號與單片機相連，並通過數據匯流排與數據匯流排驅動器相連；
程式存儲器，通過數據、地址匯流排、控制信號與單片機相連，並通過數據匯流排與數據匯流排驅動器相連；
邏輯I/O解碼器，通過控制信號、地址線直接與單片機相連，所譯出的邏輯控制信號作為數據匯流排驅動器的輸入信號與脈衝控制單元及脈衝發生單元相連；
數據匯流排驅動器，通過數據匯流排與單片機、數據存儲器、程式存儲器、脈衝發生單元、脈衝控制單元、以及邏輯I/O解碼器通信；
控制信號轉換器，安裝在單片機與現場匯流排驅動器之間，適配用；
現場匯流排控制器，所述現場匯流排控制器以控制信號轉換器的輸出信號為輸入信號，輸出經串列現場匯流排控制器通過現場匯流排驅動器至現場匯流排；
邏輯I/O解碼器，所述邏輯I/O解碼器接收單片機的控制信號，所譯出的選通信號與數據匯流排驅動單元的數據完成脈衝頻率的設定，輸出至脈衝控制單元；
位置輸入單元，接收外部伺服驅動系統的差分信號，輸出轉換為TTL邏輯電平信號，與單片機通信，完成位置信號的轉換；
脈衝發生單元，用於產生六軸控制脈衝，經數據匯流排通過數據匯流排驅動器、邏輯I/O解碼器接收來自單片機的輸入信號，輸出至脈衝控制單元；
脈衝控制單元，所述脈衝控制單元接收脈衝發生單元的輸出信號以及數據匯流排驅動單元、地址匯流排和控制匯流排上的信號，通過數據匯流排驅動單元、地址匯流排及控制匯流排上的信息，對六軸脈衝發生單元產生的脈衝進行控制並與位置脈衝輸出單元通信；
位置脈衝輸出單元，以六路形式與外部伺服驅動系統電連線，形成六軸位置脈衝的控制輸出；
串口控制器，直接與單片機的串列接口相連，為對外設定的連線接口。
其中所述數據匯流排驅動器由第一～二匯流排驅動器組成，第一～二匯流排驅動器通過數據匯流排分別與單片機，數據存儲器，程式存儲器，脈衝發生單元，脈衝控制單元以及邏輯I/O解碼器相連；
所述控制信號轉換器一端通過控制信號、數據、地址匯流排與單片機相連，另一端與現場匯流排控制器相連；
脈衝發生單元由第一～四脈衝發生器脈衝發生器並聯構成，四個脈衝發生器的輸入端一方面與數據匯流排驅動單元相連；同時與邏輯I/O解碼器的輸出端相連，輸出端組成六路TTL串信號分別送至脈衝控制單元；
所述脈衝控制單元由第五～七脈衝控制器構成，三個脈衝控制器輸入端與脈衝發生單元的第一～四脈衝發生器的六路輸出信號以兩兩一組方式相連，其輸出端將TTL邏輯電平信號轉換為差分信號，與位置脈衝輸出裝置連線；
所述位置脈衝輸出單元由第四～六、七～九電路轉換器組成，輸入端接收脈衝控制單元的輸出信號，輸出端與外部伺服驅動系統電連線；
所述串口控制器由第一～三串口控制器組成，其第一串口控制器、第二串口控制器一方面直接與單片機的串列接口相連，另一方面對外設定一個接口，第三串口控制器位於單片機內，對外接至位置輸入單元；
所述脈衝輸入單元由第一～三電路轉換器構成，第一～三電路轉換器直接與外部伺服驅動系統電相連，將差分信號轉換為TTL邏輯電平信號，輸出經第三串口控制器與單片機相連線。
有益效果
1.《現場匯流排位置控制裝置》通過串列的布線方式，簡化了原來並行布線的複雜度，可作為機器人各個關節的位置控制或其他設備位置控制，可適用於一些有特殊要求的場合的電控部分設計結構。
2.該發明採用串列布線，減少了布線數量，即減少了線間干擾，增強了系統的抗干擾能力。
3.該發明採用現場匯流排連線方式，在現場匯流排所允許節點數量的範圍內可以實現方便配置，進行相應的軟體調整，不需要重新進行電器硬體的重新設定，減少了開發周期。
4.該發明通過採用脈衝傳送方式實現位置控制，使得系統能夠在體積較小的空間內實現對六個位置軸進行控制，使整個控制系統的集成度大幅度提高。
附圖說明
圖1為《現場匯流排位置控制裝置》控制裝置總體結構圖。
圖2為圖1中CPU系統電路原理圖。
圖3為圖1中匯流排驅動和地址解碼原理圖。
圖4為圖1中六軸脈衝控制單元原理圖。
圖5為圖1中六軸脈衝發生單元原理圖。
圖6為圖1中位置脈衝輸出裝置與位置輸入裝置原理圖。
圖7為圖1中現場匯流排通訊電路原理圖。
權利要求
1.一種現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：為基於現場匯流排的串列匯流排結構，採用脈衝傳送方式，對六個位置軸進行控制；其結構包括：單片機，通過數據、地址匯流排、控制信號與數據存儲器、程式存儲器、串口控制器、邏輯I/O解碼器、數據匯流排驅動器、控制信號轉換器及脈衝發生單元通信；數據存儲器，通過數據、地址匯流排、控制信號與單片機相連，並通過數據匯流排與數據匯流排驅動器相連；程式存儲器，通過數據、地址匯流排、控制信號與單片機相連，並通過數據匯流排與數據匯流排驅動器相連；邏輯I/O解碼器，通過控制信號、地址線直接與單片機相連，所譯出的邏輯控制信號作為數據匯流排驅動器的輸入信號與脈衝控制單元及脈衝發生單元相連；數據匯流排驅動器，通過數據匯流排與單片機、數據存儲器、程式存儲器、脈衝發生單元、脈衝控制單元、以及邏輯I/O解碼器通信；控制信號轉換器，安裝在單片機與現場匯流排驅動器之間，適配用；現場匯流排控制器，所述現場匯流排控制器以控制信號轉換器的輸出信號為輸入信號，輸出經串列現場匯流排控制器通過現場匯流排驅動器至現場匯流排；邏輯I/O解碼器，所述邏輯I/O解碼器接收單片機的控制信號，所譯出的選通信號與數據匯流排驅動單元的數據完成脈衝頻率的設定，輸出至脈衝控制單元；位置輸入單元，接收外部伺服驅動系統的差分信號，輸出轉換為TTL邏輯電平信號，與單片機通信，完成位置信號的轉換；脈衝發生單元，用於產生六軸控制脈衝，經數據匯流排通過數據匯流排驅動器、邏輯I/O解碼器接收來自單片機的輸入信號，輸出至脈衝控制單元；脈衝控制單元，所述脈衝控制單元接收脈衝發生單元的輸出信號以及數據匯流排驅動單元、地址匯流排和控制匯流排上的信號，通過數據匯流排驅動單元、地址匯流排及控制匯流排上的信息，對六軸脈衝發生單元產生的脈衝進行控制並與位置脈衝輸出單元通信；位置脈衝輸出單元，以六路形式與外部伺服驅動系統電連線，形成六軸位置脈衝的控制輸出；串口控制器，直接與單片機的串列接口相連，為對外設定的連線接口。
2.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：所述數據匯流排驅動器由第一～二匯流排驅動器（D7～D8）組成，第一～二匯流排驅動器（D7～D8）通過數據匯流排分別與單片機（D1），數據存儲器（D4），程式存儲器（D5），脈衝發生單元，脈衝控制單元以及邏輯I/O解碼器（D6）相連。
3.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：所述控制信號轉換器（D25）一端通過控制信號、數據、地址匯流排與單片機（D1）連，另一端與現場匯流排控制器（D26）相連。
4.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：脈衝發生單元，由第一～四脈衝發生器（D12～D15）脈衝發生器並聯構成，四個脈衝發生器的輸入端一方面與數據匯流排驅動單元相連；同時與邏輯I/O解碼器（D6）的輸出端相連，輸出端組成六路TTL串信號分別送至脈衝控制單元。
5.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：所述脈衝控制單元由第五～七脈衝控制器（D9～D11）構成，三個脈衝控制器輸入端與脈衝發生單元的第一～四脈衝發生器（D12～D15）的六路輸出信號以兩兩一組方式相連，其輸出端將TTL邏輯電平信號轉換為差分信號，與位置脈衝輸出裝置連線。
6.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：所述位置脈衝輸出單元由第四～六、七～九電路轉換器（D16～D18、D22～D24）組成，輸入端接收脈衝控制單元的輸出信號，輸出端與外部伺服驅動系統電連線。
7.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：所述串口控制器由第一～三串口控制器組成，其第一串口控制器（D2）、第二串口控制器（D3）一方面直接與單片機（D1）的串列接口相連，另一方面對外設定一個接口，第三串口控制器位於單片機（D1）內，對外接至位置輸入單元。
8.按權利要求1所述現場匯流排位置控制裝置，其特徵在於：所述脈衝輸入單元由第一～三電路轉換器（D19～D21）構成，第一～三電路轉換器（D19～D21）直接與外部伺服驅動系統電相連，將差分信號轉換為TTL邏輯電平信號，輸出經第三串口控制器與單片機（D1）相連線。
實施方式
圖1-7所示為《現場匯流排位置控制裝置》基於現場匯流排的串列匯流排結構，採用脈衝傳送方式，對六個位置軸進行控制；具體包括：
圖1、2、3、7所示，單片機D1，通過數據、地址匯流排、控制信號與數據存儲器、程式存儲器、串口控制器、邏輯I/O解碼器、數據匯流排驅動器、控制信號轉換器及脈衝發生單元通信；
圖1、2所示，數據存儲器D4，通過數據、地址匯流排、控制信號與單片機D1相連，並通過數據匯流排與數據匯流排驅動器相連；
圖1、2所示，程式存儲器D5，通過數據、地址匯流排、控制信號與單片機D1相連，並通過數據匯流排與數據匯流排驅動器相連；
圖1、2所示，邏輯I/O解碼器D6，通過控制信號、地址線直接與單片機D1相連，所譯出的邏輯控制信號作為數據匯流排驅動器的輸入信號與脈衝控制單元及脈衝發生單元相連；
圖1、3-5所示，數據匯流排驅動器，由第一～二匯流排驅動器D7～D8組成，第一～二匯流排驅動器D7～D8，通過數據匯流排與單片機D1、數據存儲器D4、程式存儲器D5、脈衝發生單元、脈衝控制單元、以及邏輯I/O解碼器D6通信；
圖1、7所示，控制信號轉換器D25，安裝在單片機D1與現場匯流排驅動器之間，適配用；所述控制信號轉換器D25一端通過控制信號、數據、地址匯流排與單片機D1相連，另一端與現場匯流排控制器D26相連；
圖1、4-5所示，現場匯流排控制器，所述現場匯流排控制器D26以控制信號轉換器D25的輸出信號為輸入信號，輸出經串列現場匯流排控制器通過現場總現驅動器至現場匯流排；
圖1、4-5所示，邏輯I/O解碼器D6，接收單片機D1的控制信號，所譯出的選通信號與數據匯流排驅動單元的數據完成脈衝頻率的設定，輸出至脈衝控制單元；
圖1、6所示，位置輸入單元，由第一～三電路轉換器D19～D21構成，第一～三電路轉換器D19～D21直接與外部伺服驅動系統的控制接口相連，將差分信號轉換為TTL邏輯電平信號，經第三串口控制器接至單片機D1、與單片機通信，完成位置信號的轉換；
圖1、4-5所示，脈衝發生單元，用於產生六軸控制脈衝，經數據匯流排通過數據匯流排驅動器、邏輯I/O解碼器接收來自單片機D1的輸入信號，輸出至脈衝控制單元；具體結構由第一～四脈衝發生器D12～D15脈衝發生器構成，並聯連線，每個脈衝發生器有三組信號輸出，兩兩一組構成六路輸出信號；四個脈衝發生器的輸入端一方面與數據匯流排驅動單元相連；同時與邏輯I/O解碼器D6的輸出端相連，輸出端組成六路TTL串信號分別送至脈衝控制單元。
圖1、5所示，脈衝控制單元，接收脈衝發生單元的輸出信號以及數據匯流排驅動單元、地址匯流排和控制匯流排上的信息，通過數據匯流排驅動單元、地址匯流排及控制匯流排上的信息，對六軸脈衝發生單元產生的脈衝進行控制；脈衝控制單元由第五～七脈衝控制器D9～D11構成，三個脈衝控制器輸入端與脈衝發生單元的第一～四脈衝發生器D12～D15的六路輸出信號（兩兩一組）相連，並與數據匯流排驅動單元、地址匯流排以及控制匯流排相連，其輸出端將TTL邏輯電平信號轉換為差分信號，與位置脈衝輸出裝置連線。
圖1、6所示，位置脈衝輸出單元，與外部伺服驅動系統電連線，通過六軸脈衝控制信號控制伺服驅動系統；所述位置脈衝輸出單元由第四～六、七～九電路轉換器D16～D18、D22～D24組成，輸入端接收脈衝控制單元的輸出信號，輸出端與外部伺服驅動系統電連線，實現六軸位置脈衝的控制輸出；
圖1-2所示，串口控制器，由第一～三串口控制器組成，其第一串口控制器D2（採用RS232）、第二串口控制器D3（採用RS485）一方面直接與單片機D1的串列接口相連，另一方面對外設定一個接口，第三串口控制器位於單片機D1內，對外接至位置輸入單元。
《現場匯流排位置控制裝置》具體工作過程及原理為：
單片機D1與程式存儲器D5、數據存儲器D4組成嵌入式計算機基本系統，執行應用程式，通過現場匯流排控制器D26及控制信號轉換器D25完成與現場匯流排上其他計算機系統的數據交換，也可根據需要通過第一或二串口控制器D2或D3實現通訊；邏輯I/O解碼器D6主要完成對外圍設備的地址分配和解碼；脈衝發生單元的第一脈衝發生器D12，第二脈衝發生器D13，第三脈衝發生器D14和第四脈衝發生器D15的一端與匯流排驅動單元的第一數據匯流排驅動器D7和第二數據匯流排驅動器D8相連，匯流排驅動單元的第一數據匯流排驅動器D7和第二數據匯流排驅動器D8與單片機D1數據匯流排相連，並由單片機D1通過數據匯流排驅動單元的第一匯流排驅動器D7和第二匯流排驅動器D8完成對脈衝發生單元初始化，產生指定頻率與數量的脈衝；並通過脈衝控制單元的第一脈衝控制器D9、第二脈衝控制器D10和第三脈衝控制器D11進行控制，實現對六個伺服電機的六軸位置控制；位置脈衝輸出單元通過第四～六及七～九電路轉換器D16～D18及D22～D24控制伺服電機驅動器實現位置控制。
該實施例所述單片機D1可以採用AT9140800，數據存儲器D4可以採用61LV25616，程式存儲器D5可以採用49BV160、邏輯I/O解碼器D6可以採用EPM7032、控制信號轉換器D25可以採用EPM7032、第一～二匯流排驅動器D7～D8可以採用74HC245，現場匯流排控制器D26可以採用SJ1000T，脈衝控制單元的第五～七脈衝控制器D9～D11可以採用EPM7064，脈衝發生單元的脈衝發生器可以採用MC8254，脈衝輸出單元的第七～九電路轉換器D22～D24可以採用MC3487，位置輸入單元的電路轉換器可以採用MC3486。
脈衝發生單元產生指定的頻率與數量的位置脈衝，經過位置脈衝控制單元控制經過位置輸出轉換裝置輸出，以達到位置控制的目的。
榮譽表彰
2013年10月，《現場匯流排位置控制裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
