一种用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块的制作方法

1.本发明涉及机器人打磨工作站领域，尤其涉及一种用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块。


背景技术：

2.近年来，随着机器人与机器视觉技术的不断进步与人工成本的不断提高，工业界对于使用高精度工业机器人进行工件的打磨作业的需求日益强烈，为了确保机器人打磨工作站的正常工作，需要安装较多温度、湿度、力和振动传感器对机器人工作状态进行监测，这些传感器大多不具备rs485或can总线通信能力，而少数具备总线通信能力的传感器往往价格昂贵，同时不同功能，不同厂商生产的不同类型的传感器又存在着着数据帧协议混乱的问题，对传感器的使用造成了极大的困难。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种成本较低、性能稳定、泛用性强、使用简便的传感器数据采集和转换模块，该模块使用rs485或can总线与上位机之间进行通信，能够将三路由pt-100型号的热敏电阻采集到的温度信号和4路工业领域通用的4-20ma规格传感器采集到的电流信号通过数据总线发送至上位机，从而达到辅助上位机对机器人工作状态进行监测的目的。
4.为了实现上述目的本发明提出一种用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块，包括控制单元（1），控制单元（1）分别与测温单元（3），4-20ma传感器信号采集单元（2），总线通信接口单元（5），测温电路校准单元（4）相连。所述数据采集和转换模块还包括电源单元（6），所述电源单元（6）为控制单元（1），测温单元（3），4-20ma传感器信号采集单元（2），总线通信接口单元（5），测温电路校准单元（4）供电，测温单元（3）用于将热敏电阻信号转换为电压信号，4-20ma传感器信号采集单元（2）用于将传感器常用的4-20ma电流信号转化为电压信号，总线通信单元（5）用于将转换完成的数字信号通过rs485或can总线发送到上位机，测温电路校准单元（4）用于自动校准热敏电阻测温单元的电桥阻值。
5.优选的是，所述电源单元（6）包括型号为lm2596s-5.0/tr的dc/dc稳压器（v1），所述dc/dc开关稳压器（v1）的１引脚引出24v连接端并接至第二整流二极管（d2）的负极，所述24v连接端还经并联的第二十四电解电容（c24）及第二十六电容（c26）接地。所述第二整流二极管（d2）的正极接至第三共模电感（l3）4引脚，所述第二整流二极管（d2）的正极还通过第二十一电容（c21）接地，所述第三共模电感（l3）3引脚接至dc24v电源接口（p3）正极，所述第三共模电感（l3）3引脚通过第20电容（c20）接至dc24v电源接口（p3）负极，所述第三共模电感（l3）1引脚至dc24v电源接口（p3）负极，其2引脚接地，所述dc/dc开关稳压器（v1）的3引脚接地，其 5引脚与水平拨动开关（sw1）2引脚相连，所述水平拨动开关（sw1）1引脚接地，其3引脚通过第四十八电阻（r48）接到24v连接端，所述dc/dc开关稳压器（v1）2引脚连接至第二电感（l2）的一端，所述第二电感（l2）的另一端引出5v连接端，所述dc/dc开关稳压器（v1）
的4引脚也连接至第二电感（l2）的另一端。所述5v连接端经并联的第二十二电解电容（c22）以及第23电容接地，所述5v连接端还经串联的第五十一电阻（r51）和第六发光二极管（d6）接地，所述5v连接端还接至自恢复保险丝（f1）的一端，所述自恢复保险丝（f1）的另一端接至型号为ld1117v33c的线性稳压器（v2）的3引脚，所述自恢复保险丝（f1）的另一端还接至第四稳压二极管（d4）的负极，所述第四稳压二极管（d4）的正极接地，所述线性稳压器（v2）的1引脚接地，所述线性稳压器（v2）的1引脚引出3v3连接端，所述3v3连接端经并联的第二十五电解电容（c25）和第二十七电容（c27）接地，所述3v3连接端还经串联的第五十电阻（r50）和第五发光二极管（d5）接地，所述5v连接端经磁珠（l1）接至a_5v连接端，所述5v连接端经第18电容（c18）接地，所述a_5v连接端经第19电容（c19）接地。
6.优选的是，所述控制单元（1）包括型号为stm32f103c6t6的控制芯片（u1），所述控制芯片（u1）的1引脚、24引脚、36引脚以及48引脚接至3v3连接端，该1引脚、24引脚、36引脚以及48引脚还经并联的第十一电容（c11），第十二电容（c12），第十三电容（c13），第十四电容（c14）接地，所述控制芯片（u1）的8引脚、23引脚、35引脚以及47引脚接地，所述控制芯片（u1）的20引脚以及44引脚分别通过第二电阻（r2）和第十六电阻（r16）接地，所述控制芯片（u1）的5引脚以及6引脚分别接至晶振（y1）的两端，所述晶振（y1）的两端还分别通过第四电容（c4）以及第五电容（c5）接地，所述控制芯片（u1）的9引脚接至型号为ref3033aidbzr的基准电压芯片（u8）的2引脚，所述控制芯片（u1）的9引脚还通过第十六电容（c16）接地，所述基准电压芯片（u8）的3引脚接地，其1引脚接至a_5v连接端，所述基准电压芯片（u8）的1引脚还通过第十五电容（c15）接地，所述控制芯片（u1）的7引脚、34引脚以及37引脚分别接至仿真接口（cn1）的4引脚、2引脚以及1引脚，所述仿真接口（cn1）的6引脚接地，1引脚通过第二十九电阻接地，所述仿真接口（cn1）的5引脚接3v3连接端，2引脚通过第二十七电阻接3v3连接端， 所述控制芯片（u1）的7引脚还通过并联的第二按键（k2）和第八电容（c8）接地，所述控制芯片（u1）的7引脚还通过第十一电阻（r11）接至3v3连接端，所述控制芯片（u1）的10引脚还通过并联的第一按键（k1）和第三电容（c3）接地，所述控制芯片（u1）的7引脚还通过第五电阻（r5）接至3v3连接端，所述控制芯片（u1）的25引脚通过串联的第十九电阻（r19）和第一发光二极管（d1）接至3v3连接端。
7.优选的是，所述4-20ma传感器信号采集单元（2）包含4个电流感应放大器ina181a1idbvt，各电流感应放大器的3引脚，4引脚分别接至第七电阻（r7）、第十五电阻（r15）、第二十四电阻（r24）以及第三十电阻（r30）的两端，各电流感应放大器的1引脚分别通过第一电阻（r1）、第十电阻（r10）、第二十电阻（r20）以及第二十八电阻（r28）接至控制芯片（u1）的第11~14引脚，各电流感应放大器的2引脚和5引脚接地，各电流感应放大器的6引脚接至a_5v连接端，所述a_5v连接端还分别通过第二电容（c2）、第七电容（c7）以及第九电容（c9）接地，各电流感应放大器的3引脚分别接至第二传感器接线端子（p2）的1引脚、3引脚、5引脚以及7引脚，所述第二传感器接线端子（p2）的2引脚、4引脚、6引脚以及8引脚均接至24v连接端。
8.优选的是，所述测温单元（3）包含3个电流感应放大器ina181a1idbvt，各电流感应放大器的3引脚分别通过第六电阻（r6）、第十四电阻（r14）以及第二十三电阻（r23）接至pt1~pt3连接端，各电流感应放大器的3引脚还分别通过第八电阻（r8）、第十七电阻（r17）以及第二十五电阻（r25）接地，各电流感应放大器的4引脚分别通过第三电阻（r3）、第十二电阻
（r12）以及第二十一电阻（r21）接至a_5v连接端，各电流感应放大器的4引脚还分别通过第九电阻（r9）、第十八电阻（r18）以及第二十六电阻（r26）接地，各电流感应放大器的2引脚和5引脚接地，各电流感应放大器的6引脚接至a_5v连接端，所述a_5v连接端还分别通过第一电容（c1）、第六电容（c6）以及第十电容（c10）接地，各电流感应放大器的1引脚分别通过第四电阻（r4）、第十三电阻（r13）以及第二十二电阻（r22）接至控制芯片（u1）的第15~17引脚，所述a_5v连接端还接至第一传感器接线端子（p1）的1引脚、3引脚以及5引脚。
9.优选的是，所述测温电路校准单元（4）包含6个型号为ao3401的p沟道mos管，各mos管源极均接至a_5v连接端，第一mos管（q1）、第三mos管（q3）以及第五mos管（q5）的栅极均接至mos2连接端，第二mos管（q2）、第四mos管（q4）以及第六mos管（q6）的栅极均接至mos1连接端，所述第一mos管（q1）、第二mos管（q2）的漏极分别通过第三十四电阻（r34）、第三十五电阻（r35）接至pt1连接端，所述第三mos管（q3）、第四mos管（q4）的漏极分别通过第三十六电阻（r36）、第三十七电阻（r37）接至pt2连接端，所述第五mos管（q5）、第六mos管（q6）的漏极分别通过第三十八电阻（r38）、第三十九电阻（r39）接至pt3连接端。
10.优选的是，所述测温电路校准单元（4）包含2个型号为ss8050的npn型三极管，各三极管的发射极均接地，各三极管的基极分别通过第四十五电阻（r45）、第四十六电阻（r46）接至控制芯片（u1）的18引脚、19引脚，各三极管的集电极分别通过第四十一电阻（r41）、第四十二电阻（r42）接至5v连接端，各三极管的集电极还分别通过第四十三电阻（r43）、第四十四电阻（r44）接至mos1，mos2连接端。
11.优选的是，所述总线通信单元（5）包含可选的两种与上位机的通信方式，分别为rs485总线和can总线通信。
12.优选的是，所述总线通信单元（5）使用rs485进行与上位机之间进行通信时，其应当包含型号为sp3485e的rs485接口芯片（u10），所述rs485接口芯片（u10）的5引脚接地，所述rs485接口芯片（u10）的2引脚、3引脚均接至控制芯片（u1）的29引脚，所述rs485接口芯片（u10）的1引脚接至控制芯片（u1）的31引脚，所述rs485接口芯片（u10）的1引脚还通过第三十一电阻接至3v3连接端，所述rs485接口芯片（u10）的4引脚接至控制芯片（u1）的30引脚，所述rs485接口芯片（u10）的8引脚接至3v3连接端，所述rs485接口芯片（u10）的6引脚、7引脚分别接至第三十三电阻（r33）的两端，所述rs485接口芯片（u10）的6引脚通过第三十二电阻（r32）接地，所述rs485接口芯片（u10）的7引脚通过第四十电阻（r40）接至3v3连接端，所述3v3连接端通过第十七电阻（r17）接地，所述rs485接口芯片（u10）的6引脚、7引脚还分别接至通信接口（cn1）的4引脚、3引脚。
13.优选的是，所述总线通信单元（5）使用can进行与上位机之间进行通信时，其应当包含型号为sn65hvd230的can接口芯片（u11），所述can接口芯片（u11）的2引脚接地，所述can接口芯片（u11）的3引脚接至3v3连接端，所述can接口芯片（u11）的2引脚、3引脚还分别接至第二十八电容的两端，所述can接口芯片（u11）的1引脚、4引脚分别接至控制芯片（u1）的33引脚、32引脚，所述can接口芯片（u11）的8引脚通过第四十七电阻（r47）接地，所述can接口芯片（u11）的6引脚、7引脚分别接至第四十九电阻（r49），所述can接口芯片（u11）的6引脚、7引脚还分别接至通信接口（cn1）的2引脚、1引脚。
14.本发明的该方案有益效果在于上述数据采集和转换模块使用微控制器对多路不同类型传感器输出的模拟量电流或电阻数据进行采集，滤波和计算后，将转化得来的数字
信号通过rs485或can总线以一定格式上传到上位机，与市面上已有的传感器数据采集和转化模块相比，本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块具有集成度较高、成本较低，体积较小，使用简单方便的特点，本发明在数据采集和转换模块上集成了微控制器，从而达到了在数据采集的过程中对输入数据进行滤波的目的，减轻了主机的工作负担，提高了传感器数据的稳定性。
附图说明
15.图1示出了本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块的原理框图图2示出了本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块的电路原理图图3示出了图2中电源单元的放大的电路原理图图4示出了图2中控制单元的放大的电路原理图图5示出了图2中4-20ma传感器信号采集单元的放大的电路原理图图6示出了图2中测温单元的放大的电路原理图图7示出了图2中测温电路校准单元的放大的电路原理图图8示出了图2中总线通信单元中rs485接口的放大的电路原理图图9示出了图2中总线通信单元中can接口的放大的电路原理图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
17.如图一所示，本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块包括控制单元1，控制单元1分别与测温单元3、4-20ma传感器信号采集单元2、总线通信接口单元5、测温电路校准单元4相连。所述数据采集和转换模块还包括电源单元6，所述电源单元6为控制单元1、测温单元3、4-20ma传感器信号采集单元2、总线通信接口单元5、测温电路校准单元4供电。
18.如图2-3所示，所述电源单元6是将 24v电转换成5v和3.3v电，并对5v电进行滤波从而得到更加稳定的a_5v电，以便于为控制单元1、测温单元3、4-20ma传感器信号采集单元2、总线通信接口单元5、测温电路校准单元4供电。具体的电源单元7电路结构如下：所述电源单元6包括型号为lm2596s-5.0/tr的dc/dc稳压器v1，所述dc/dc开关稳压器v1的１引脚引出24v连接端并接至第二整流二极管d2的负极，所述24v连接端还经并联的第二十四电解电容c24及第二十六电容c26接地gnd。所述第二整流二极管d2的正极接至第三共模电感l34引脚，所述第二整流二极管d2的正极还通过第二十一电容c21接地gnd，所述第三共模电感l33引脚接至dc24v电源接口p3正极，所述第三共模电感l33引脚通过第20电容c20接至dc24v电源接口p3负极，所述第三共模电感l31引脚至dc24v电源接口p3负极，其2引脚接地gnd，所述dc/dc开关稳压器v1的3引脚接地gnd，其 5引脚与水平拨动开关sw12引脚相连，所述水平拨动开关sw11引脚接地gnd，其3引脚通过第四十八电阻r48接到24v连接端，所述dc/dc开关稳压器v12引脚连接至第二电感l2的一端，所述第二电感l2的另一端引出5v连接端，所述dc/dc开关稳压器v1的4引脚也连接至第二电感l2的另一端。所述5v连接端经并联的第二十二
电解电容c22以及第23电容接地gnd，所述5v连接端还经串联的第五十一电阻r51和第六发光二极管d6接地gnd，所述5v连接端还接至自恢复保险丝f1的一端，所述自恢复保险丝f1的另一端接至型号为ld1117v33c的线性稳压器v2的3引脚，所述自恢复保险丝f1的另一端还接至第四稳压二极管d4的负极，所述第四稳压二极管d4的正极接地gnd，所述线性稳压器v2的1引脚接地gnd，所述线性稳压器v2的1引脚引出3v3连接端，所述3v3连接端经并联的第二十五电解电容c25和第二十七电容c27接地gnd，所述3v3连接端还经串联的第五十电阻r50和第五发光二极管d5接地gnd，所述5v连接端经磁珠l1接至a_5v连接端，所述5v连接端经第18电容c18接地gnd，所述a_5v连接端经第19电容c19接地gnd。
19.如图4所示，所述控制单元1包括型号为stm32f103c6t6的控制芯片u1，所述控制芯片u1的1引脚、24引脚、36引脚以及48引脚接至3v3连接端，该1引脚、24引脚、36引脚以及48引脚还经并联的第十一电容c11，第十二电容c12，第十三电容c13，第十四电容c14接地gnd，所述控制芯片u1的8引脚、23引脚、35引脚以及47引脚接地gnd，所述控制芯片u1的20引脚以及44引脚分别通过第二电阻r2和第十六电阻r16接地gnd，所述控制芯片u1的5引脚以及6引脚分别接至晶振y1的两端，所述晶振y1的两端还分别通过第四电容c4以及第五电容c5接地gnd，所述控制芯片u1的9引脚接至型号为ref3033aidbzr的基准电压芯片u8的2引脚，所述控制芯片u1的9引脚还通过第十六电容c16接地gnd，所述基准电压芯片u8的3引脚接地gnd，其1引脚接至a_5v连接端，所述基准电压芯片u8的1引脚还通过第十五电容c15接地gnd，所述控制芯片u1的7引脚、34引脚以及37引脚分别接至仿真接口cn1的4引脚、2引脚以及1引脚，所述仿真接口cn1的6引脚接地gnd，1引脚通过第二十九电阻接地gnd，所述仿真接口cn1的5引脚接3v3连接端，2引脚通过第二十七电阻接3v3连接端， 所述控制芯片u1的7引脚还通过并联的第二按键k2和第八电容c8接地gnd，所述控制芯片u1的7引脚还通过第十一电阻r11接至3v3连接端，所述控制芯片u1的10引脚还通过并联的第一按键k1和第三电容c3接地gnd，所述控制芯片u1的7引脚还通过第五电阻r5接至3v3连接端，所述控制芯片u1的25引脚通过串联的第十九电阻r19和第一发光二极管d1接至3v3连接端。
20.为了测量各类4-20ma传感器的如图5所示，所述4-20ma传感器信号采集单元包含4个电流感应放大器ina181a1idbvt，各电流感应放大器的3引脚，4引脚分别接至第七电阻r7、第十五电阻r15、第二十四电阻r24以及第三十电阻r30的两端，各电流感应放大器的1引脚分别通过第一电阻r1、第十电阻r10、第二十电阻r20以及第二十八电阻r28接至控制芯片u1的第11~14引脚，各电流感应放大器的2引脚和5引脚接地gnd，各电流感应放大器的6引脚接至a_5v连接端，所述a_5v连接端还分别通过第二电容c2、第七电容c7以及第九电容c9接地gnd，各电流感应放大器的3引脚分别接至第二传感器接线端子p2的1引脚、3引脚、5引脚以及7引脚，所述第二传感器接线端子p2的2引脚、4引脚、6引脚以及8引脚均接至24v连接端。
21.如图6所示，所述测温单元3包含3个电流感应放大器ina181a1idbvt，各电流感应放大器的3引脚分别通过第六电阻r6、第十四电阻r14以及第二十三电阻r23接至pt1~pt3连接端，各电流感应放大器的3引脚还分别通过第八电阻r8、第十七电阻r17以及第二十五电阻r25接地gnd，各电流感应放大器的4引脚分别通过第三电阻r3、第十二电阻r12以及第二十一电阻r21接至a_5v连接端，各电流感应放大器的4引脚还分别通过第九电阻r9、第十八电阻r18以及第二十六电阻r26接地gnd，各电流感应放大器的2引脚和5引脚接地gnd，各电
流感应放大器的6引脚接至a_5v连接端，所述a_5v连接端还分别通过第一电容c1、第六电容c6以及第十电容c10接地gnd，各电流感应放大器的1引脚分别通过第四电阻r4、第十三电阻r13以及第二十二电阻r22接至控制芯片u1的第15~17引脚，所述a_5v连接端还接至第一传感器接线端子p1的1引脚、3引脚以及5引脚。
22.为了消除测温电路中电桥阻值偏差造成的误差，本发明所涉及的测温单元中，每一路测温电路的传感器接口都接入了两个由pmos控制通断的电阻，如图7所示，所述测温电路校准单元4包含6个型号为ao3401的p沟道mos管，各mos管源极均接至a_5v连接端，第一mos管q1、第三mos管q3以及第五mos管q5的栅极均接至mos2连接端，第二mos管q2、第四mos管q4以及第六mos管q6的栅极均接至mos1连接端，所述第一mos管q1、第二mos管q2的漏极分别通过第三十四电阻r34、第三十五电阻r35接至pt1连接端，所述第三mos管q3、第四mos管q4的漏极分别通过第三十六电阻r36、第三十七电阻r37接至pt2连接端，所述第五mos管q5、第六mos管q6的漏极分别通过第三十八电阻r38、第三十九电阻r39接至pt3连接端。此外，所述测温电路校准单元4还包含2个型号为ss8050的npn型三极管，用于将单片机的3.3v电平转为5v电平，控制pmos的通断，各三极管的发射极均接地gnd，各三极管的基极分别通过第四十五电阻r45、第四十六电阻r46接至控制芯片u1的18引脚、19引脚，各三极管的集电极分别通过第四十一电阻r41、第四十二电阻r42接至5v连接端，各三极管的集电极还分别通过第四十三电阻r43、第四十四电阻r44接至mos1，mos2连接端。
23.为了和上位机之间进行通信，本发明提供了两套总线接口供选择，其中rs485总线接口结构如图8所示，使用rs485进行与上位机之间进行通信时，所述总线通信单元应当包含型号为sp3485e的rs485接口芯片u10，所述rs485接口芯片u10的5引脚接地gnd，所述rs485接口芯片u10的2引脚、3引脚均接至控制芯片u1的29引脚，所述rs485接口芯片u10的1引脚接至控制芯片u1的31引脚，所述rs485接口芯片u10的1引脚还通过第三十一电阻接至3v3连接端，所述rs485接口芯片u10的4引脚接至控制芯片u1的30引脚，所述rs485接口芯片u10的8引脚接至3v3连接端，所述rs485接口芯片u10的6引脚、7引脚分别接至第三十三电阻r33的两端，所述rs485接口芯片u10的6引脚通过第三十二电阻r32接地gnd，所述rs485接口芯片u10的7引脚通过第四十电阻r40接至3v3连接端，所述3v3连接端通过第十七电阻r17接地gnd，所述rs485接口芯片u10的6引脚、7引脚还分别接至通信接口cn1的4引脚、3引脚。
24.如图9所示，所述总线通信单元5使用can进行与上位机之间进行通信时，其应当包含型号为sn65hvd230的can接口芯片u11，所述can接口芯片u11的2引脚接地gnd，所述can接口芯片u11的3引脚接至3v3连接端，所述can接口芯片u11的2引脚、3引脚还分别接至第二十八电容的两端，所述can接口芯片u11的1引脚、4引脚分别接至控制芯片u1的33引脚、32引脚，所述can接口芯片u11的8引脚通过第四十七电阻r47接地gnd，所述can接口芯片u11的6引脚、7引脚分别接至第四十九电阻r49，所述can接口芯片u11的6引脚、7引脚还分别接至通信接口cn1的2引脚、1引脚。
25.在具体的使用过程中，根据需要，将4-20ma传感器接至第二传感器接口p2，将pt-100热敏电阻直接接入第一传感器接口p1，在电源接口p3接dc24v电源，并根据需要连接can信号或rs485信号。
26.若需要对电桥阻值进行校准，需要先断开第一传感器接口p1所连接的所有热敏电阻，在接通电源的情况下按住用户按键的同时按一次复位键，松开复位键之后再松开用户
按键，即可完成校准工作，消除测温电桥的静态偏差。
27.工作状态下，由上位机通过总线向本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块发送包含模块id的数据请求指令，本模块在校验数据请求指令和id无误的情况下，会向总线发送包含模块id和各路传感器数值的响应数据帧。
28.本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块使用微控制器对多路不同类型传感器输出的模拟量电流或电阻数据进行采集，滤波和计算后，将转化得来的数字信号通过rs485或can总线以一定格式上传到上位机，与市面上已有的传感器数据采集和转化模块相比，本发明所涉及的用于机器人打磨工作站的数据采集和转换模块具有集成度较高、成本较低，体积较小，使用简单方便的特点，本发明在数据采集和转换模块上集成了微控制器，从而达到了在数据采集的过程中对输入数据进行滤波的目的，减轻了主机的工作负担，提高了传感器数据的稳定性。