基于arm密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统
阅读说明：本技术 基于arm密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统 (Signal and power isolation system based on ARM intensive multi-path stepping motor control system ) 是由 吴衔誉 庄嘉权 林忠麟 王威雄 谢琦 徐志翔 黄峰 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于ARM密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统,包括上位机、第一数字信号隔离模块、ARM处理器、第二数字信号隔离模块、密集多路步进电机驱动模块、电源隔离模块、地隔离模块、N路步进电机*M孔径密集多路运动模块；所述上位机、第一数字信号隔离模块、ARM处理器、第二数字信号隔离模块、密集多路步进电机驱动模块、N路步进电机*M孔径密集多路运动模块依次连接；所述电源隔离模块与ARM处理器密集多路步进电机驱动模块、地隔离模块分别连接；所述地隔离模块还与ARM处理器、密集多路步进电机驱动模块分别连接。本发明有效的提高了步进电机控制系统整体的安全性、独立性、抗干扰性等。(The invention relates to a signal and power isolation system based on an ARM dense multi-path stepping motor control system, which comprises an upper computer, a first digital signal isolation module, an ARM processor, a second digital signal isolation module, a dense multi-path stepping motor driving module, a power isolation module, a ground isolation module and an N-path stepping motor M-aperture dense multi-path motion module, wherein the upper computer is connected with the first digital signal isolation module; the upper computer, the first digital signal isolation module, the ARM processor, the second digital signal isolation module, the dense multi-path stepping motor driving module and the N-path stepping motor M-aperture dense multi-path motion module are sequentially connected; the power isolation module is respectively connected with the ARM processor intensive multi-path stepping motor driving module and the ground isolation module; the ground isolation module is also respectively connected with the ARM processor and the dense multi-path stepping motor driving module. The invention effectively improves the overall safety, independence, anti-interference performance and the like of the stepping motor control system.)
技术领域
本发明涉及ARM处理器控制系统领域，具体涉及一种基于ARM密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统。
背景技术
在嵌入式控制领域中，步进电机是不可或缺的主要执行元件之一，随着嵌入式技术的快速发展，嵌入式处理器的性能有大幅度的提升以及嵌入式实时控制功能变得更加完善，基于嵌入式处理器的多部步进电机实时控制系统也能够更加稳定、可靠。随着通用串行总线广泛应用以及在工业领域对于数字信号传输通信稳定性和安全性的要求，数字隔离器广泛应用于控制系统当中。在密集多路步进电机控制系统当中，由于需要实现对多个步进电机的单独以及实时控制，相较于单路或者普通多路的步进电机控制系统，密集多路步进电机控制系统对于供电、数字通信的安全性和可靠性有着更大的要求，因此将信号和电源隔离对于密集多路步进电机控制系统的意义重大，能有效的提高电路和控制系统整体的安全性、可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ARM密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统，有效的提高了步进电机控制系统整体的安全性、独立性、抗干扰性等。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于ARM密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统，包括上位机、第一数字信号隔离模块、ARM处理器、第二数字信号隔离模块、密集多路步进电机驱动模块、电源隔离模块、地隔离模块、N路步进电机*M孔径密集多路运动模块；所述上位机、第一数字信号隔离模块、ARM处理器、第二数字信号隔离模块、密集多路步进电机驱动模块、N路步进电机*M孔径密集多路运动模块依次连接；所述电源隔离模块与ARM处理器密集多路步进电机驱动模块、地隔离模块分别连接；所述地隔离模块还与ARM处理器、密集多路步进电机驱动模块分别连接。
进一步的，所述第一数字信号隔离模块和第二数字信号隔离模块结构相同，均包括依次连接的噪声滤波器、边缘检测器、编码和驱动变压器、隔离屏屏障器和解码器。
进一步的，所述电源隔离模块包括USB和24V开关电源；所述USB为5V电源，直接为ARM处理器提供5V电源，同时经由电压转换模块转换为3.3V电压，为ARM处理器提供3.3V电源；所述24V开关电源经由密集多路DC/DC电源隔离模块，由24V电压转换为12V电压，与密集多路步进电机驱动模块相连，为密集多路步进电机驱动模块分别提供N路单独隔离的12V电源，为密集多路步进电机驱动模块中的N路步进电机驱动芯片供电。
进一步的，所述地隔离模块包括将5V和3.3V数字地的DGND， 24V电源地GND、密集多路地隔离模块；所述密集多地隔离模块中的N个电源地GDNx单独隔离。
一种基于ARM密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1:所述上位机发送控制信号经第一数字信号隔离模块处理后送至ARM处理器；
步骤S2:ARM处理器接收、处理上位机所发送的控制信号，并发送脉冲控制信号经第二数字信号隔离模块处理后送至密集多路步进电机驱动模块；
步骤S3:密集多路步进电机驱动模块发送驱动信号至N路步进电机*M孔径密集多路运动模块，对N路步进电机进行控制实现从而对M孔径的控制。
进一步的，所述数字信号隔离模块获取信号后先经过噪声滤波器，消除噪声或者毛刺对输入信号的干扰，有效的减少信号传输过程中有效信号所受到的影响，避免意外的触发边缘检测；然后经过滤波之后的信号输入边缘检测器中，将上升沿或者下降沿信号编码为单脉冲或者双脉冲信号；经由边缘检测器所输出的脉冲信号用来驱动变压器，使得脉冲信号能够进入隔离屏障器当中；经由隔离屏障器输出的信号，由单脉冲或者双脉冲信号解码为上升沿或者下降沿信号，最后将该信号进行输出。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明在确保对密集多路步进电机系统中每个步进电机进行单独控制的基础上，将控制系统电路中的电路以及信号进行隔离，将电路当中不同的电源单独隔离以及不同的数字地、模拟地进行隔离，采用数字隔离器对信号进行隔离，有效的提高了步进电机控制系统整体的安全性、独立性、抗干扰性等。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图中：1-上位机，2-数字信号隔离模块，3-ARM处理器（3），4-电压转换模块，5-USB，6-数字信号隔离模块2，7-24V开关电源，8-密集多路DC/DC隔离模块，9-密集多路电机驱动模块，10-24V电源地GND，11-密集多路地隔离模块，12-3.3V和5V电源地，13-电源隔离模块，14-地隔离模块，15-N路步进电机*M孔径密集多路运动模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供基于ARM密集多路步进电机控制系统的信号和电源隔离系统，包括包括上位机（1）、数字信号隔离模块1（2）、ARM处理器（3）、电压转换模块（4）、USB（5）、数字信号隔离模块2（6）、24V开关电源（7）、密集多路DC/DC隔离模块（8）、密集多路电机驱动模块（9）、24V电源地GND（10）、密集多路地隔离模块（11）、3.3V和5V电源地（12）、电源隔离模块（13）、地隔离模块（14）、N路步进电机*M孔径密集多路运动模块（15）。
在本实施例中，上位机（1）与数字信号隔离模块（2）相连，数字信号隔离模块（2）与ARM处理器（3）相连，上位机（1）发送控制信号经由数字信号隔离模块（2）至ARM处理器（3）进行接收并处理；ARM处理器（3）与数字信号隔离模块2（6）相连，数字信号隔离模块2（6）与密集多路电机驱动模块（9）相连，密集多路电机驱动模块（9）与N路步进电机*M孔径密集多路运动模块（15）相连，ARM处理器（3）发送电机脉冲控制信号经由数字信号隔离模块2（6）至密集多路电机驱动模块（9），密集多路电机驱动模块（9）发送多路单独电机控制信号至每一路对应的电机，可以实现对N路电机的单独控制以及对M孔径的控制，所述N路步进电机*M孔径密集多路运动模块（15）包括N路电机和M孔径，每个孔径由多个步进电机进行控制，构成N*M密集多路步进电机控制系统。通过电源隔离模块（13）包括USB（5）和24V开关电源（7）分别对ARM处理器（3）和密集多路步进电机驱动模块（9）单独供电；USB（5）为5V电源，可直接对为ARM处理器（3）提供5V电源，同时经由电压转换模块（4）转换为3.3V电压，为ARM处理器（3）提供3.3V电源；24V开关电源（7）经由密集多路DC/DC电源隔离模块（8），由24V电压转换为12V电压，与密集多路步进电机驱动模块（9）相连，为密集多路步进电机驱动模块（9）分别提供N路单独隔离的12V电源，为密集多路步进电机驱动模块（9）中的N路步进电机驱动芯片供电。地隔离模块（14）包括3.3V和5V的电源地DGND（12），密集多路地隔离模块（11）和24V电源地GDN（10）。
优选的，在本实施例中，ARM处理器（3）采用的是STM32F407ZGT6处理器，电压转换模块（4）采用的是ASM1117芯片，密集多路DC/DC隔离模块（8）采用的是TDK30-24S12W芯片，密集多路电机驱动模块（9）采用的DRV8818芯片，N路步进电机*M孔径密集多路运动模块（15）中步进电机采用的是42系列步进电机。
本实施例中，所述的数字信号隔离模块1（2）和数字信号隔离模块2（6），其结构原理组成一致。控制信号输入数字隔离模块后，先经过噪声滤波器，可以消除噪声或者毛刺对输入信号的干扰，可以有效的减少信号传输过程中有效信号所受到的影响，避免意外的出发边缘检测；噪声滤波器与边缘检测器相连，经过滤波之后的信号输入边缘检测器中，将上升沿或者下降沿信号编码为单脉冲或者双脉冲信号；边缘检测器与编码、驱动变压器连接，经由边缘检测器所输出的脉冲信号用来驱动变压器，使得脉冲信号能够进入隔离屏障器当中；经由隔离屏障器输出的信号，由单脉冲或者双脉冲信号解码为上升沿或者下降沿信号，最后将该信号进行输出。在电机控制电路桥电压中产生步进变化时，隔离栅上的共模电压变化可能会产生噪声，数字信号隔离模块中变压器采用差分输入结构，为输入信号和噪声提供了不同的传输路径，具有更大的共模噪声抗扰度，可以实现在高噪声的环境下工作。
该数字信号隔离方法与传统光耦合器相比，电源无需连续供给器件，器件中可以刷新电路，以用来定期更新直流电平，故其功耗比光耦合器低10倍到100倍，该数字信号隔离模块使用更加先进的电路来编码和解码数据信号，支持更快素的的数据传输速度，处理USB或者I2C等复杂的双向接口。数字隔离器在尺寸、速度、易用性和可靠性方面更是具有光耦合器无法比拟的巨大优势。
本实施例中，所述的电源隔离模块（13），其特征在于，包括USB（5）和24V开关电源（7）；USB（5）为ARM处理器（3）直接提供5V电源以及经过电压转换模块（4）提供3.3V电源，以满足ARM处理器（3）的供电需求；24V开关电源（7）连接N个DC/DC隔离，可以实现电压转换，将24V电压转换为12V电压，每一个DC/DC隔离经过电压转换输出后分别单独连接对应的步进电机驱动芯片，即每个驱动芯片有单独的12V电源供电。DC/DC隔离电源可以重复通断开关，把直流电压或电流转换成高频方波电压或电流，在经整流平滑变为直流电源输出，输入和输出回路之间没有直接的电器连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路，具有很强的抗干扰能能力。通过该电源隔离电路设计，实现了每一路电机驱动电路都与其他电机驱动电路完全隔离，每一路电机驱动电路都不会对其他路有影响，有效提高了驱动电路的独立性、抗干扰性以及安全性。在密集多路电机运动过程中，若一个或者若干个发生故障或者其他情况，不会对电路中的其他电机部分造成影响，安全性较高，且在电源发生异常时，对负载的损害较小。将ARM处理器（3）与步进电机驱动模块（9）的供电隔离，有效的保护了控制电路部分与电机驱动执行部分的独立性，两者互不干扰，提高了系统的稳定性和安全性。
本实施例中，所述的地隔离模块（14），其特征在于，包括将5V和3.3V数字地DGND（12）， 24V电源地GND（10），密集多地隔离模块（11）中的N个电源地GDNx单独隔离，实现了数字地和模拟地隔离，以及不同电压直流电路之间的模拟地隔离。将5V和3.3V数字地DGND与24V电源地GND（10）和密集多路地隔离模块（11）进行隔离，可以防止24V电源地GND（10）和密集多路地隔离模块（11）中的多个电源地GNDx电路当中所带入的噪声对5V和3.3V数字地DGND（12）的影响，有效保持模拟电路中小信号的指标正常以及正常工作，使得控制步进电机的控制信号能够不受干扰，正常传输。将24V电源地GND（10）以及密集多地隔离模块（11）中的N个电源地GDNx单独隔离，可以有效的防止在系统发生故障时，高压灌入低压系统当中，12V电源地相较于24V电源地的抗压能力弱，可以保证在系统发生故障时，密集多路步进电机驱动模块（9）的安全性，使其不会轻易烧毁，同时也防止了共地串入电磁干扰。将密集多地隔离模块（11）中的N个电源地GDNx单独隔离，使得密集多路步进电机驱动模块（9）当中的每一个步进电机驱动芯片都是供电隔离且电源地也是隔离的，保证了每一电机驱动电路都是独立的，每一路电机驱动电路都不会对其他驱动电路发生影响，以上所示在发生故障时，有效的确保了电机控制系统的安全性，也减小了其他驱动电路对控制信号的影响，使整个系统运行的更加稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。