基于C總線與MCXAs芯片的運動控制器設(shè)計

基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計——梁偉林主要內(nèi)容：第一章 緒論第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計第三章 運動控制器的硬件設(shè)計第四章 運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計第五章 運動控制器軟硬件整體調(diào)試第一章 緒論1.1課題研究背景一、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 在我國，數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進(jìn)步。 進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，受通用微機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的影響，數(shù)控技術(shù)正朝著以PC機(jī)為基礎(chǔ)，向著開放化、智能化、圖形化等方面進(jìn)一步發(fā)展。第一章 緒論PC-NC架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)第一章 緒論1.1.2運動控制器及其研究現(xiàn)狀

定義：所謂運動控制器是通過對電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動控制，以實現(xiàn)預(yù)定運動軌跡目標(biāo)的裝置。

第一章 緒論運動控制器在國外發(fā)展現(xiàn)狀： 目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究得到了世界各主要工業(yè)國家的重視和支持，國外影響較大的研究計劃有美國的NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計劃，歐洲的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem，自動化系統(tǒng)中控制器的開放式體系結(jié)構(gòu))計劃，以及日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計劃。 這些模式方法總起來說都采用了閉環(huán)控制，具有高速、高精度、高可靠性和高安全性的特點，同時在控制系統(tǒng)的軟硬件上具有良好的開放性。第一章 緒論運動控制器在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀： 近年來，隨著工業(yè)PC機(jī)的快速發(fā)展，可靠性大為提高，以工業(yè)PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)己經(jīng)被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機(jī)床控制領(lǐng)域，采用工業(yè)PC機(jī)，發(fā)展通用化的數(shù)控系統(tǒng)，己成為國際研究的熱點，符合數(shù)控技術(shù)發(fā)展的潮流。同時，圍繞工業(yè)PC機(jī)開發(fā)的運動控制器及其應(yīng)用也越來越多。國內(nèi)部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)廠商采用PC+NC的方式，構(gòu)建適合于需要的運動控制系統(tǒng)，如北京機(jī)床研究所的中華系列，沈陽計算所的“藍(lán)天”系列，華中科技大學(xué)的“華中”系列、“航天”系列等。第一章 緒論運動控制器常見的控制方案：1.基于單片機(jī)系統(tǒng)的控制器 主要以MCS-51,MCS-96等為代表的單片機(jī)為核心。這種控制卡控制方式比較靈活，成本比較低。但采用的元器件較多，可靠性低、軟硬件設(shè)計工作量大，而且控制算法單一，運算及處理速度比較慢。2.基于PC的SOFT型控制器 它是指CNC的全部功能處理工作都由PC進(jìn)行，并通過裝在PC擴(kuò)展槽中的接口卡對伺服驅(qū)動進(jìn)行控制。用戶在Windows平臺上，開發(fā)完成數(shù)控系統(tǒng)中所有的實時任務(wù)和非實時任務(wù)，如編譯、解釋和插補(bǔ)等。這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機(jī)中，而硬件部分僅是計算機(jī)與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。但由于CNC制造商不愿放棄多年積累的專有技術(shù)，加上Windows操作系統(tǒng)本質(zhì)上是非實時系統(tǒng)，對于高速數(shù)控領(lǐng)域等，強(qiáng)實時性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。第一章 緒論3.基于通用DSP或FPGA的控制器 這類控制卡采用DSP或FPGA作為板上的核心控制芯片，具有很普遍應(yīng)用。由DSP或FPGA完成控制的功能（脈沖和方向信號的輸出、編碼器反饋和限位等信號的檢測等），提高處理速度。比如像深圳固高的GT-800系列通用運動控制器。但是，由于底層DSP處理器上的插補(bǔ)等運算，通信接口等都要開發(fā)者實現(xiàn)，開發(fā)難度相對大。4.基于專用運動控制芯片的控制器 這類控制卡采用專用運動控制芯片作為板上的核心處理器。運動控制芯片是為精密控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)而設(shè)計的專用處理器。運動控制芯片帶有插補(bǔ)算法，能夠完成大部分運動控制，大大簡化了運動控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)工作。芯片廠家提供的文檔資料充分，技術(shù)支持良好，降低了開發(fā)難度，有利于快速開發(fā)。這種芯片運用廣泛，主要有PMD公司的Magellan系列、Navigator系列，日本NOVA公司的芯片等，可選擇的種類較多。第一章 緒論本課題研究的意義： 大力發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)已經(jīng)成為世界各國最重要的技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是國際競爭和產(chǎn)品革新的一種重要手段。 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)、柔性化、集成化的集成。數(shù)控裝備的技術(shù)水平是一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的高低和綜合國力的強(qiáng)弱的顯著標(biāo)志。 運動控制器在數(shù)控系統(tǒng)中占有十分重要的地位，是數(shù)控系統(tǒng)的核心部件之一。 與國外相比，我國在運動控制器的產(chǎn)品研發(fā)方面還比較落后，高端產(chǎn)品基本上被國外公司壟斷，我國作為世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國家，市場上新設(shè)備的控制需求和傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級換代，對運動控制器的需求越來越大。此外，由于市場日益競爭的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運動控制系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。 在這樣的形勢下，我國應(yīng)該抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開放式運動控制器產(chǎn)品。第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計總線接口的選擇：ISA總線PCI總線PC/104總線

根據(jù)三種總線的特點做比較，由于現(xiàn)在的主板供應(yīng)商很多不提供ISA接口插槽，故不采用該接口。而PCI總線的控制器數(shù)據(jù)傳輸速度雖然要比ISA和PC104高，但因為PCI總線設(shè)計難度和費用較高，在經(jīng)濟(jì)上普通用戶難以承受。PC104是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，它比插卡型穩(wěn)定性能更好，比較適合本課題運動控制器的設(shè)計。第二章 運動控制器整體的功能設(shè)計運動控制芯片的選型：日本NOVA公司專用運動控制芯片MCX314As第三章 運動控制器的硬件設(shè)計PC104總線接口協(xié)議： PC104總線是一種在工業(yè)控制方面運用廣闊的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，因其總線之間互連使用了104個信號線，因而得名。第三章 運動控制器的硬件設(shè)計PC104總線插槽示意圖第三章 運動控制器的硬件設(shè)計MCX314As運動控制芯片介紹： MCX314As是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，是MCX314的升級版。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸（稱為X、Y、Z、U四軸）中任意2軸或3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補(bǔ)，輸出脈沖頻率可達(dá)4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有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。寫寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號寄存器名稱000WR0命令寄存器001WR1模式寄存器1010WR2模式寄存器2011WR3模式寄存器3100WR4通用輸出寄存器101WR5插補(bǔ)模式寄存器110WR6寫數(shù)據(jù)寄存器1111WR7寫數(shù)據(jù)寄存器2第三章 運動控制器的硬件設(shè)計讀寄存器地址地址（A2A1A0）寄存器符號寄存器名稱000RR0主狀態(tài)寄存器001nRR1狀態(tài)寄存器1010nRR2狀態(tài)寄存器2011nRR3狀態(tài)寄存器3100RR4通用輸入寄存器1101RR5通用輸入寄存器2110RR6讀數(shù)據(jù)寄存器1111RR7讀數(shù)據(jù)寄存器2第三章 運動控制器的硬件設(shè)計硬件抗干挎擾技術(shù)壘：（1）冒脈沖、腹方向信恨號采用機(jī)差分輸還出方式（2）她采用高誕速光耦疏進(jìn)行電恢氣隔離（3）硬軋件電路板仙布局布線（4）煉信號濾配波和鉗盾位第三章鑰運動稼控制器練的硬件碰設(shè)計第四章消運動白控制器勁的軟件腰系統(tǒng)設(shè)尼計軟件開艦發(fā)環(huán)境屯和編程貸工具介沒紹：Wind鍋ows爐98操作瀉系統(tǒng)Visu歸alC口++6近.0第四章桃運動控制響器的軟件占系統(tǒng)設(shè)計MCX樹314厘As指墨令系統(tǒng)鳴：寫入數(shù)歌據(jù)命令讀取數(shù)且據(jù)命令驅(qū)動命令插補(bǔ)命令第四章歉運動炸控制器卡的軟件據(jù)系統(tǒng)設(shè)足計VC++秤語言中的獸標(biāo)準(zhǔn)通信感函數(shù)介紹秀：_out塞p（），槍_out泳pw（）勉和_ou糠tpd（許）函數(shù)；功能分別幅是：寫一艷個字節(jié)、練字和雙字菌到指定的旅輸出端口去。_inp谷（），_鍛inpw卻（）和_壁inpd滅（）函數(shù)流；功能分旦別是：縣從指定秧的輸入辭端口讀巾一個字篩節(jié)、字濾和雙精航度字。第四章露運動攪控制器蹈的軟件偶系統(tǒng)設(shè)考計運動函飽數(shù)庫舞：讀/寫鳴寄存器盒函數(shù)；軸設(shè)置花函數(shù)：遲工作模佳式設(shè)定早函數(shù)、乞運動參僵數(shù)設(shè)置田函數(shù)、韻初始化垃函數(shù)；運動控移制函數(shù)牙；I/O讀鞋寫和驅(qū)動酸狀態(tài)查詢狼函數(shù)。第四章廊運動擠控制器狡的軟件肝系統(tǒng)設(shè)趣計應(yīng)用程片序示例偶的設(shè)計殖：單軸運動倍的位置和膨速度控制直線、圓紋弧插補(bǔ)驅(qū)衰動外部I/灶O讀寫第四章咳運動甲控制器嫩的軟件窄系統(tǒng)設(shè)駝計在插補(bǔ)歷之前，武需要先型指定哪孩個軸是輕基軸?？餗CX永314粗As芯秤片的W志R5的膛D0~骨D5用伍來指定趁各個軸投ax1染、ax考2、a香x3和篇ax4直。X、段Y、Z刃和U軸堂可按一讓定順序替定義成皇ax1夕、ax薄2、a涼x3和裳a(bǔ)x4談。在插劈燕補(bǔ)的過歡程中，封所有的技計算都懇是基于政基軸a兇x1的著，所以固在進(jìn)行毯插補(bǔ)之歷前要對礦基軸設(shè)織置所有絮的參數(shù)顛：初始跟速度、偷驅(qū)動速題度和加催速度等艇。當(dāng)插補(bǔ)善命令執(zhí)化行時，領(lǐng)寄存器緊RR0縫的D8般位（I掏-DR砍V）將捕變?yōu)?跨，在插障補(bǔ)結(jié)束展時變?yōu)閲?。于摧是在插膝補(bǔ)過程身中應(yīng)該臣查詢I捎-DR秋V的狀米態(tài)，只警有當(dāng)I次-DR布V為0際時，才延可以執(zhí)紐奉行下一爹個插補(bǔ)凡命令。魄同時，敢還必須滾調(diào)用各筍個狀態(tài)反查詢函撒數(shù)，檢省測是否鈴有報警紋，急停霞，限位赴，中斷夫等狀況戴發(fā)生。第四章頑運動控制堡器的軟件筆系統(tǒng)設(shè)計單軸常煩速運行列時脈沖繼頻率的銅測試矩：1KH渣z脈沖釋輸出第四章萌運動控制莖器的軟件鐵系統(tǒng)設(shè)計400價KHz勻脈沖輸廁出第四章毛運動控制硬器的軟件粗系統(tǒng)設(shè)計4MH日z脈沖吵輸出I/O信滔號的測試鑰界面結(jié)論（1）分強(qiáng)析了數(shù)控溪技術(shù)和國曠內(nèi)外控制更器發(fā)展現(xiàn)警狀，并對約當(dāng)前運動饞控制器常小見的解決象方案進(jìn)行漿了比較，懇結(jié)合本課帆題運動控攜制器的功干能需求，舞給出了系隨統(tǒng)整體功躍能設(shè)計方夕案：選用然PC10師4總線接賄口作為運臣動控制器效與上位P向C機(jī)通信鎮(zhèn)的橋梁，應(yīng)采用MC搭X314盾As運動淋控制芯片鐵作為控制冶器核心處蛾理器，并區(qū)采取差分瘋脈沖信號攔輸出和光沃耦隔離方胡式實現(xiàn)內(nèi)棋外部電源康隔離，提潛高抗干擾猛能力；上訪位機(jī)軟件胃系統(tǒng)采取農(nóng)模塊化的嚇原則，設(shè)歸計了人機(jī)潤控制界面滾、應(yīng)用示旬例程序和臉運動控制皂函數(shù)庫。塵用戶進(jìn)行瓶二次開發(fā)曾時可以不罵必關(guān)心底珠層的具體元實現(xiàn)方式折，直接調(diào)犁用控制函調(diào)數(shù)庫方便榨快速地開侄發(fā)出應(yīng)用聲程序，達(dá)翻到了開放襪性的要求演。（2）詳愚細(xì)介紹了愧PC10魄4總線接輩口協(xié)議和臟MCX3避14As欄芯片的控衣制寄存器柳以及工作掩方式，完忽成了運動浮控制器的夾硬件設(shè)計禮。重點介謊紹PC1殺04總線盤與MCX匪314A譜s芯片的帥通訊連接卵電路的設(shè)驢計和運動紡控制器與手外部的輸肌入和輸出罰接口電路僻設(shè)計，并租且對硬件泳抗干擾和籌硬件調(diào)試參進(jìn)行經(jīng)驗豬總結(jié)。（3）簡挪單介紹軟呈件開發(fā)環(huán)護(hù)境Win笨dows宇98系悟統(tǒng)和開發(fā)擴(kuò)工具VC梁++語言瞧，并對M竭CX31善4As芯仁片的指令鼓系統(tǒng)進(jìn)行蝕了分析。貓在此基礎(chǔ)甚上，完成暖了運動控掉制函數(shù)庫鞭的開發(fā)。（4）設(shè)禮計了系統(tǒng)時的人機(jī)控賴制界面，展實現(xiàn)各個斷軸運動參舌數(shù)的設(shè)置干、運動類川型的選擇嫩、反饋狀落態(tài)顯示和微位置、速證度等運動踐曲線的直持觀顯示。（5）漂開發(fā)了美常用的晴運動控斧制應(yīng)用等