基于C與MCX運動控制芯片的數(shù)控系統(tǒng)的

基于PC104與MCX314運動控制芯片的數(shù)控系統(tǒng)的研究指導(dǎo)老師：皮佑國學(xué)生：梁偉林1.研究目標本課題提出一種基于PC104與運動控制芯片的開放式數(shù)控系統(tǒng)方案。闡述了該方案的硬件和軟件的設(shè)計原理，為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)提供了實現(xiàn)方法。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1956年－1974年，專用硬件NC時代1975年－1989年，專用計算機數(shù)控時代1996年至今，開始全PC開放式智能化數(shù)控新階段3.現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢加工控制的高速化、高精度化智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化4.存在的問題：

從數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢看，數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，當前制造技術(shù)正在向高速度、高精度、柔性化和智能化方向發(fā)展，而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)大多采取封閉式設(shè)計，故存在系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展、人機界面不靈活等問題，從而難以滿足用戶的需要。開放式數(shù)控系統(tǒng)解決了以上傳統(tǒng)封閉式數(shù)控存在的問題，正是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。5.解決問題的思路基于PC104和運動控制芯片MCX314的數(shù)控系統(tǒng)該方案以PC104作為主CPU，采用了MCX314來實現(xiàn)運動控制的功能，使軟硬件系統(tǒng)具備更強的模塊化，減少了軟硬件設(shè)計，提高可靠性和性能，并減少了開發(fā)周期。為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)提供了更新更優(yōu)的控制方案，解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展、人機界面不靈活等問題。這將為嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供有價值的參考，對開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用起到一定的推動作用。6.數(shù)控系統(tǒng)一般方案比較單片機系統(tǒng)ARM+FPGA系統(tǒng)PC機和專業(yè)運動控制卡7.運動控制卡常見解決方案基于大規(guī)模集成電路，如8253,8254；基于單片機，如8031，8098；基于數(shù)字信號處理器(DSP)型；基于專用運動控制芯片的運動控制器,如MCX314，PMAC.8.MCX314運動控制芯片的功能運動控制器基于MCX314芯片，MCX314是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，性能優(yōu)良、接口簡單、編程方便、工作可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口相連，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等參數(shù)的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧和位元三種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4MHz。系統(tǒng)每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并具有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。9.MCX314專用運動控制芯片的原因插補算法、運動控制和位置控制主要由硬件來實現(xiàn)，不需要PC機的干預(yù)就能自動完成從起點到終點的插補運動控制，減少了運行過程中與主控制PC機頻繁的數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)的運行速度；芯片上集成有專用于運動控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可簡化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；與主控制PC機之間的通訊簡單，易于協(xié)調(diào)，對主控制PC機來說，MCX314更像是一個外圍功能芯片，通過設(shè)置一定的地址和讀寫控制字就能實現(xiàn)對MCX314的控制?？s短短開開發(fā)發(fā)周周期期。。軟軟件件開開發(fā)發(fā)簡簡單單、、快快速速，，使使用用運運動動控控制制芯芯片片使使我我們們不不再再需需要要研研發(fā)發(fā)運運動動控控制制部部分分，，可可以以由由更更少少的的軟軟件件研研發(fā)發(fā)人人員員花花更更少少的的時時間間完完成成復(fù)復(fù)雜雜的的運運動動控控制制編編程程，，能能夠夠大大大大縮縮短短項項目目的的研研發(fā)發(fā)時時間間和和工工作作量量。。提高控制性能能。用專業(yè)高高性能運動控控制芯片控制制，可使電機機運動更快、、更平穩(wěn)、更更安靜、更精精確。提高系統(tǒng)可靠靠性。成熟的的運動控制芯芯片中各項軟軟硬件功能均均己相當成熟熟，比用戶自自己開發(fā)的更更為可靠。同同時采用此芯芯片后，控制制器的硬件器器件大為減少少，軟件程序序大為縮短，，均有助提高高可靠性。10.選擇擇MCX314運動控制制芯片的優(yōu)點點11.數(shù)控控系統(tǒng)功能描描述數(shù)控系統(tǒng)的硬硬件部分采用用了主從式雙雙結(jié)構(gòu)模式。。主CPU為為PC機，從從CPU為運運動控制芯片片。采用PC104+運運動控制芯片片MCX314這種結(jié)構(gòu)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)靈活性好、、功能穩(wěn)定、、可共享計算算機的資源。。以通用微機機為計算平臺臺，運動控制制器的指令輸輸入、譯碼、、運動指令、、粗插補以及及輸入輸出等等都是由PC機產(chǎn)生。在在系統(tǒng)運動控控制的過程中中，通過PC機實現(xiàn)運動動的粗插補、、實時控制和和管理規(guī)劃，，由MCX314實現(xiàn)簡簡單多軸硬件件精插補、伺伺服控制和位位置反饋等功功能。12.PC104與運運動控制芯片片MCX314之間的通通訊及接口數(shù)控系統(tǒng)硬件件采用了主從從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。。PC機與運運動控制器之之間通過PC/104總總線傳遞信息息。主要有：：數(shù)據(jù)總線：D15~D0;地址總線：A2~A1;控制總線：IOR、IOW和RST等。13.運動動控制芯片MCX314與伺服驅(qū)動動的通訊及接接口MCX314輸出驅(qū)動脈脈沖經(jīng)過差分分驅(qū)動后輸出出給伺服驅(qū)動動；編碼器信號、、手輪脈沖信信號及外部反反饋信號經(jīng)差差分接收器輸輸入。MCX314與伺服驅(qū)動動器的輸入與與輸出信號I/O輔助控控制輸入與輸輸出信號（1）輸出脈脈沖定義：來來自MCX314芯片的的輸出脈沖有有兩種形式，，一個是正/負脈沖形式式，另一個是是脈沖/方向向形式。（2）編碼器器信號接口：：反饋的編碼碼器信號，將將nECAP，nECAN，nECBP，，nECBN，nINOP，nINON分別連接到到編碼器的A，/A，，B，/B，Z，，/Z信號號輸出。差動動脈沖反饋在在設(shè)置輸入脈脈沖模式后有有效。本論文文主要要內(nèi)容容：1.對對上位位機控控制、、運動動控制制卡及及其行行業(yè)現(xiàn)現(xiàn)狀進進行調(diào)調(diào)研，，資料料搜集集和深深入研研究。。2.在在對運運動控控制技技術(shù)深深入學(xué)學(xué)習(xí)的的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，，比較較幾種種常用用的運運動控控制方方案，，確定定采用用PC104總總線和和運動動控制制芯片片MCX314的設(shè)設(shè)計方方案，，并規(guī)規(guī)劃系系統(tǒng)的的總體體結(jié)構(gòu)構(gòu)。3.設(shè)設(shè)計基基于運運動控控制芯芯片MCX314運運動控控制卡卡的硬硬件電電路。。針對對本系系統(tǒng)的的情況況和需需要設(shè)設(shè)計外外圍電電路。。設(shè)計計PC/104與MCX314的的接口口電路路；根根據(jù)光光電隔隔離原原理設(shè)設(shè)計數(shù)數(shù)字輸輸入/輸出出電路路。4.對對整整個嵌嵌入式式運動動控制制系統(tǒng)統(tǒng)進行行系統(tǒng)統(tǒng)測試試。5.最最后總總結(jié)研研制過過程中中的得得失，，并展