СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ШЕСТНАДЦАТЬЮ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПО USB-КАНАЛУ КВАЗИОДНОВРЕМЕННО Российский патент 2015 года по МПК G05B19/00 

Изобретение относится к способам управления шаговыми двигателями по USB-каналу, использующим микроконтроллер с USB-интерфейсом.

Известен способ управления шаговым двигателем по USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина персонального компьютера) [1], заключающийся в том, что управляющая программа, разработанная на высокоуровневом языке программирования Паскаль для персонального компьютера, способна записывать данные в последовательный порт [2]. Персональный компьютер (ПК) по программе формирует пакет данных, содержащий информацию о направлении поворота и количестве шагов ротора шагового двигателя. Сформированный пакет данных записывается в последовательный порт и отсылается драйвером порта по USB-каналу в микроконтроллер (МК) [3], где данные обрабатываются и преобразуются в сигналы управления в виде бинарного кода, поступающего в драйвер шагового двигателя. Драйвер осуществляет цифроаналоговое преобразование, усиление сигналов управления и защиту микроконтроллера от самоиндукций обмоток.

К недостаткам способа следует отнести ограничение по количеству подключаемых двигателей, определяемое разрядностью микроконтроллера, а также возможностью одновременного управления только одним шаговым двигателем, что обусловлено неуниверсальностью управляющей устройством программы.

Задачей изобретения является разработка способа квазиодновременного управления шестнадцатью шаговыми двигателями с персонального компьютера по шине USB через микроконтроллер.

Для решения задачи изобретения предлагается использовать новый формат пакета данных, отсылаемого по интерфейсу USB из персонального компьютера в микроконтроллер; дешифратор (интегральная микросхема (ИМС) типа КР1533ИД3) для определения адресов шаговых двигателей; D-триггеры (ИМС типа К155ТМ8) для хранения и выдачи двоичного кода, определяющего направление поворота роторов шаговых двигателей [4].

Модифицированный пакет данных, формируемой программой ПК, имеет следующий формат: [адрес шагового двигателя] [направление вращения ротора][количество шагов]. Адреса шаговых двигателей обозначаются буквами английского алфавита, пример обозначения представлен на фиг.2. Каждый новый пакет данных записывается функцией Delphi WriteFile в последовательный порт, открываемый функцией Delphi CreateFile [5]. Пакеты данных записываются в соответствующие адресам шаговых двигателей ячейки оперативной памяти МК, формируя массив информации для управления шаговыми двигателями.

Программное обеспечение МК использует два массива данных. Первый массив, формируемый в оперативной памяти МК при его инициализации (запуске) МК, состоит из 16 строк и 9 столбцов, в каждой строке которого, соответствующей номеру шагового двигателя, хранится информация о количестве шагов в десятичной форме исчисления (формат: [число] [число]), направлении вращения ротора шагового двигателя (формат: [R] либо [L]), адресе двигателя в двоичном коде (формат: [число] [число] [число] [число]), флаге исполнения, информирующем о выполнении или невыполнении шагов, в двоичном коде (формат: [число] (0 - если все шаги исполнены двигателем)) и номере строки второго массива в десятичной форме исчисления (формат: [число]). Пример приведен на фиг.3.

Второй массив содержит четыре стандартных комбинации бинарного кода для поворота роторов шаговых двигателей [6]. Пример приведен на фиг.4.

Микроконтроллер формирует на подключенных к дешифратору выходах, четырехразрядную бинарную комбинацию, соответствующую определенному D-триггеру, и сигналы включения/отключения разрешения дешифрации, подаваемые на входы ИМС КР1533ИД3 (дешифрация разрешена при подаче напряжения низкого уровня). Дешифратор на одном из шестнадцати выходов, подключаемых к D-триггерам, формирует перепад сигнала, который на входе синхронизации (вход С D-триггера) ИМС К155ТМ8 инициализирует (запускает) запись в память D-триггера четырехразрядного бинарного кода, поступившего из МК по шине данных и управляющего шаговым двигателем.

Сигналы с информационных выходов D-триггеров являются управляющими для шаговых двигателей и поступают на соответствующие усилители.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в отличие от известного способа управления шаговым двигателем по каналу USB через микроконтроллер [фиг.1], в пакеты данных, поступающих из персонального компьютера в микроконтроллер, вводится адрес, декодируемый добавляемым в схему дешифратором, который выбирает один из шестнадцати шаговых двигателей, непосредственно управляемых цифровым кодом, поступающим из микроконтроллера в добавленные D-триггеры, выходы которых связаны с усилителями двигателей [фиг.5] [фиг.6].

Работоспобность предложенного способа проверена в системе моделирования электрических процессов Multisim 8, где была построена схема управления шестнадцатью шаговыми двигателями через микроконтроллер [фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10]. При моделировании в реальном масштабе времени в микроконтроллере DD1 вырабатывался четырехразрядный код, который подавался на дешифратор DC1, и сигналы включения/отключения разрешения дешифрации. Дешифратор генерировал сигнал выбора соответствующего D-триггера (ТТ1-ТТ16). Квазиодновременно микроконтроллер вырабатывал четырехразрядный код, соответствующий направлению поворота ротора шагового двигателя, который по шине данных BUS1 подавался на все D-триггеры, но записывался только в тот, адрес которого определялся дешифратором. Для индикации выходных сигналов к D-триггерам подключались светодиоды.

Достоинством разработанного способа является возможность управления шестнадцатью шаговыми двигателями по USB-каналу квазиодновременно. Проведенное моделирование доказало физическую возможность управления шестнадцатью шаговыми двигателями квазиодновременно.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. http://pic.rkniga.ru/shemotehnika/kompyuter/240-upravlenie-shagovym-dvigatelem-cherez-usb.html

2. М. Сухарев. Золотая Книга DELPHI. С обновлениями до версии 2010. - СПб.: Наука и Техника, 2010. - 1040 с.

3. Агуров П.В. Практика программирования USB. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 624 с.

4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., испр. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отд., 1989. 352 с.

5. Кузан Д.Я., Шапоров В.Н. Wim32 API в Delphi. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 368 с.

6. Прокопенко В.С. Программирование микроконтроллеров ATMEL на языке С.- К.: «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2012. - 320 с.

Изобретение относится к способам управления шаговыми двигателями с персонального компьютера по USB-каналу, использующим микроконтроллер с USB-интерфейсом. Технический результат заключается в обеспечении возможности квазиодновременного управления шестнадцатью шаговыми двигателями с персонального компьютера по шине USB. Для этого в предложенном способе для квазиодновременного управления шестнадцатью шаговыми двигателями по программе с персонального компьютера предлагается использовать подключаемый к микроконтроллеру дешифратор для выбора одного из шаговых двигателей, непосредственно управляемых цифровым кодом, поступающим из памяти микроконтроллера в добавленные D-триггеры, выходы которых связаны с усилителями двигателей. 10 ил., 1 табл.

Способ управления шаговым двигателем по USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина персонального компьютера) заключается в том, что программа, разработанная на высокоуровневом языке программирования Паскаль, на персональном компьютере формирует пакет данных, содержащий информацию о направлении поворота и количестве шагов ротора шагового двигателя, который записывается программой в виртуальный последовательный порт и его драйвер, затем отсылает пакет данных по USB-каналу в микроконтроллер, где он обрабатывается для выработки сигналов управления в виде бинарного кода, поступающего в драйвер шагового двигателя для цифроаналогового преобразования, усиления и защиты микроконтроллера от самоиндукций обмоток,
отличается тем, что пакет данных, формируемый программой на персональном компьютере, состоит из трех частей, первая из которых определяет адреса шаговых двигателей и обозначается символами английского алфавита, вторая часть определяет направления поворота роторов и состоит из одного символа R-вправо или L-влево, а третья часть определяет количество шагов и обозначается числом в десятичной системе счисления, затем пакет данных отсылается по USB-каналу в микроконтроллер, четыре цифровых выхода которого выделяются для записи адресов шаговых двигателей, подключаемых к дешифратору, выполняющему расшифровку адреса и квазиодновременно вырабатывающему селектирующие сигналы в виде перепадов уровней сигналов, разрешающих запись в D-триггеры четырехразрядной информации, пришедшей по общей шине данных D-триггеров из микроконтроллера и указывающей на направление поворота ротора, с ее последующим сохранением в D-триггере и поступлением на входы драйверов, где проводится ее цифроаналоговое преобразование, усиление и вывод на шаговые двигатели, что позволяет осуществлять квазиодновременное управление шестнадцатью шаговыми двигателями.