上海蜀乾自動化設(shè)備SQchendailshdanD有限公司是西門子一級代理商，是西門子自動化與驅(qū)動集團(tuán)認(rèn)證的西門子數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動的第三方合作伙伴。 

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原裝西門子基礎(chǔ)電源模塊6SL3130-1TE31-0AA0 原裝西門子基礎(chǔ)電源模塊6SL3130-1TE31-0AA0 
SINAMICS S120 基礎(chǔ)電源模塊 輸入：3AC 380-480V,50/60Hz 輸出:600V DC，167A，100kW 結(jié)構(gòu)形式：書本尺寸 內(nèi)部風(fēng)冷 包含 DRIVE-CLiQ 電纜 

前一期發(fā)表了《步進(jìn)電機(jī)使用介紹》，介紹步進(jìn)電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和驅(qū)動電路。通過那篇文章，我們知道要控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)就需要時刻給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖。這帶來了些問題，比如需要步進(jìn)電機(jī)一直旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)就只能一直給它發(fā)送脈沖了，就很難去做其他事情了。還有步進(jìn)電機(jī)相位越多需要控制引腳也就越多，如果步進(jìn)電機(jī)數(shù)量多了單片機(jī)引腳根本不夠用，那么有沒有解決方法呢？

為了解決步進(jìn)電機(jī)脈沖控制和引腳使用問題，我設(shè)計了一個簡單的步進(jìn)電機(jī)控制模塊，使用兩個引腳就能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動了。

模塊時序圖
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下圖是控制模塊的時序圖。

通信使用了兩根線，時鐘SCL、數(shù)據(jù)SDA。

時序解釋：
1、SDA數(shù)據(jù)只能在SCL低電平時改變，SCL上升沿對SDA采樣。
2、當(dāng)SCL被拉低2ms到5ms時，模塊復(fù)位開始下一次控制數(shù)據(jù)接收。
3、數(shù)據(jù)傳播時間不能大于1000ms。
4、傳播完數(shù)據(jù)后SCL要置為高電平，SDA置為低電平。

數(shù)據(jù)解釋：
1、數(shù)據(jù)總共有24位。
2、位到第八位為控制命令，第九位到第二十四位為步進(jìn)電機(jī)脈沖個數(shù)。
3、位需為1，第八位需為0。
4、D：0-順時針旋轉(zhuǎn)，1-逆時針旋轉(zhuǎn)。
5、TY1，TY0：0,0-PWM模式，0,1-脈沖模式，1,0-一直旋轉(zhuǎn)模式。
6、TM2，TM1，TM0：脈沖寬度（0~7ms）。
7、TS15，······，TS0：脈沖個數(shù)（0~2^16-1）。

步進(jìn)電機(jī)工作模式：PWM模式、脈沖模式、一直旋轉(zhuǎn)模式。

1、PWM模式：控制位TY1，TY0設(shè)置為0，0。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時間和速度由SDA上的PWM信號控制。在該模式下，TM2，TM1，TM0以及TS15，······，TS0位無效。

2、脈沖模式：控制位TY1，TY0設(shè)置為0，1。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時間由TS15，······，TS0位的脈沖個數(shù)控制，旋轉(zhuǎn)速度由脈沖寬度TM2，TM1，TM0位控制。如果TS15，······，TS0都被設(shè)置為0，則步進(jìn)電機(jī)會切換到一直旋轉(zhuǎn)模式下工作。

3、一直旋轉(zhuǎn)模式：控制位TY1，TY0設(shè)置為1，0。步進(jìn)電機(jī)會一直旋轉(zhuǎn)下去，直到重新接收到控制命令，旋轉(zhuǎn)速度由脈沖寬度TM2，TM1，TM0位控制。在該模式下TS15，······，TS0位無效。

為什么要選擇這種雙線控制方法呢？大家有沒有覺得它有點(diǎn)像IIC通信，一開始我本來打算用UART通信方式控制，可后來發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的UART接口一般只有一個，也就是說只能控制一個步進(jìn)電機(jī)了。后來想過IIC、SPI協(xié)議，后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特征，就在IIC協(xié)議上做了些改進(jìn)，去除了IIC麻煩的起始、回饋、停止位。

本文設(shè)計的模塊沒有設(shè)置從機(jī)地址匹配位，所以每添加一個步進(jìn)電機(jī)就需要添加單片機(jī)的兩個引腳控制，有興趣的可以參考IIC協(xié)議添加地址匹配位。

模塊電路設(shè)計
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協(xié)議時序設(shè)計好了，接下來就來設(shè)計模塊的電路部分了。

電路中使用了STC15F104E單片機(jī)，它有六個IO口，剛好夠用，四個負(fù)責(zé)四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，兩個負(fù)責(zé)接收控制數(shù)據(jù)。電路驅(qū)動使用了4個9013三極管，大家也可以使用ULN2003芯片來驅(qū)動，具體設(shè)計方法可參考《步進(jìn)電機(jī)使用介紹》。

準(zhǔn)備電子元器件按照電路圖焊接電路板。

電路部分還是比較簡單的，重點(diǎn)還是在通信協(xié)議時序設(shè)計部分。

由于步進(jìn)電機(jī)工作時需要的電流比較大，可能會拉低電源電壓導(dǎo)致單片機(jī)不能正常工作，那么步進(jìn)電機(jī)就不能按照控制信號正常工作了，為了避免這種情況發(fā)生，可以給單片機(jī)單獨(dú)供電或者在單片機(jī)電源端加大電容，比如100uF的電解電容。

模塊上的SCL、SDA引腳也是單片機(jī)串口的Rx、Tx引腳，所以非常方便模塊程序升級。

程序?qū)崿F(xiàn)
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上文接收的控制協(xié)議時序是主機(jī)發(fā)送的，模塊是個從機(jī)，它的任務(wù)就是解析主機(jī)發(fā)過來的數(shù)據(jù)。模塊一直在監(jiān)聽SCL的電平變化，當(dāng)SCL低電平持續(xù)時間超過2ms，模塊重新復(fù)位，當(dāng)SCL由低電平變?yōu)楦唠娖侥K采集SDA的電平。模塊總共會接收由SDA發(fā)出的24個電平數(shù)據(jù)，前8個為控制命令，后16個為脈沖個數(shù)數(shù)據(jù)。

SCL引腳上的復(fù)位低電平監(jiān)聽是通過定時器0實(shí)現(xiàn)的，定時器0會每隔1ms檢測一次SCL的電平，如果連續(xù)兩次檢測到SCL都為低電平，則單片機(jī)復(fù)位。定時器0是在接收到24位數(shù)據(jù)后啟動的，也就是它是用來監(jiān)聽下一次控制數(shù)據(jù)。

當(dāng)模塊開始接收數(shù)據(jù)時看門狗就會開啟，看門狗的復(fù)位時間大約為1s，如果模塊在1s內(nèi)沒有接收到24位數(shù)據(jù)，則模塊復(fù)位。這樣做的目的是防止外部主機(jī)發(fā)生異常不能發(fā)送完24位數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致模塊一直處于死循環(huán)狀態(tài)。有了看門狗，如果外部主機(jī)發(fā)生異常，模塊也能及時復(fù)位，進(jìn)入下一次控制數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

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