運動控制芯片

　　PCI總線是一種先進的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可以同時支持多組外圍設(shè)備。實現(xiàn)PCI總線接口的方法主要有兩種：一是采用CPLD或FPGA設(shè)計PCI接口，這種方法比較靈活，但是其難度較大，設(shè)計周期也較長。二是采用專用的PCI接口芯片，可以大大減少設(shè)計者的工作量，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本運動控制卡采用PLX公司的PCI9052接口芯片進行設(shè)計，該芯片符合PCI2.1規(guī)范。

　　在ISA模式下，EEPROM的使用是必需的，為使PCI9052正常工作在ISA模式下，首先應(yīng)確保EEPEOM能被找到，并且將PCI9052的第68管腳接低電平。EEPROM的內(nèi)容非常重要，它直接關(guān)系到整個板卡能否正常工作，在設(shè)計時要特別注意。

　　運動控制芯片

　　傳統(tǒng)的運動控制器多采用嵌入式高性能單片機或DSP來實現(xiàn)，但系統(tǒng)集成度不夠高，電路復(fù)雜，且軟、硬件研制周期長。采用專用運動控制器可以提高系統(tǒng)集成度、插補速度及可靠性，同時簡化電路，縮短開發(fā)周期。

　　目前市場上有多種運動控制器，如美國的PMD公司以及日本的NOVA、KYOPAL、SEEK公司的產(chǎn)品。本設(shè)計采用NOVA公司的MCX312，它能同時控制獨立兩個伺服電機或步進電機的運動控制芯片。以脈沖串的形式輸出，能對伺服電機和步進電機進行位置控制、插補驅(qū)動、速度控制等。

　　●獨立二軸驅(qū)動

　　一個芯片可分別控制2個電機驅(qū)動軸的運動。每個軸都可以進行定速驅(qū)動，直線加/減速驅(qū)動，S曲線驅(qū)動等，2軸的性質(zhì)相同；輸出驅(qū)動脈沖的范圍為1PPS～4MPPS，使用16MHz時鐘時，輸出脈沖頻率  小于±0.1%。

　　●定量驅(qū)動和連續(xù)驅(qū)動

　　定量驅(qū)動是指以固定速度或加/減速度輸出制定數(shù)量的脈沖，用以移動到確定位置或進行確定的動作，連續(xù)驅(qū)動連續(xù)輸出驅(qū)動脈沖直至高位的停止命令或外部的停止信號有效，用以原點搜尋、掃描操作、及電機旋轉(zhuǎn)速度控制。

　　●插補驅(qū)動

　　可進行相對于當(dāng)前位置范圍-8388607～+8388607內(nèi)的2軸直線插補及圓弧插補，插補  為±0.5LSB，速度范圍為1PPS～4MPPS，并可以連續(xù)地運用2軸直線及圓弧插補在每個插補節(jié)點不停的驅(qū)動，其  速度可達2MHz。

　　●位置控制

　　每軸都有兩個32位位置計數(shù)器，一個是芯片內(nèi)部管理驅(qū)動脈沖輸出的邏輯位置計數(shù)器，另一個是管理從外部編碼器來的脈沖的實際位置計數(shù)器，并可通過內(nèi)部寄存器的設(shè)定，使得當(dāng)位置計數(shù)器同比較寄存器的大小關(guān)系有變化時，產(chǎn)生中斷。

　　●實時監(jiān)控

　　在驅(qū)動過程中，可以通過實時讀取片內(nèi)部寄存器得到邏輯位置、實際位置、驅(qū)動速度、加速度以及加/減速狀態(tài)（加速中，定速中，減速中）等信息。

　　●其他功能

　　MCX312還具有許多其他重要功能：由外部信號控制進行定量驅(qū)動、連續(xù)驅(qū)動；硬件限制；緊急停止；驅(qū)動狀態(tài)輸出；脈沖輸出方式選擇；輸入信號濾波等。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　在硬件系統(tǒng)中，PCI9052作為連接CPU與運動控制芯片的橋梁，完成了從PCI總線到ISA總線的過渡。CPU通過編程對運動控制芯片進行控制，以實現(xiàn)對兩軸運動的控制。

　　該設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示，PCI9052與PCI總線相連，AD［31:0］、CBE［3:0］、PAR、TRDYN、IDSEL、STOPN、PERRN、SERRN、CLK、RST0、INTA0、LOCKN等是必須實現(xiàn)的信號，EESK、EEDO、EEDI、DDCS與串行EEPROM相連；CPU以16位數(shù)據(jù)對MCX312進行控制，使其向外發(fā)出X及Y方向脈沖信號，以控制兩個方向軸上的運動。

　　數(shù)控系統(tǒng)通過位置傳感器返回其包括nLMTP、nLMTM、nINPOS、nALARM等系統(tǒng)位置信息，進而實現(xiàn)左右方向限位，伺服到位及報警等功能。編碼器輸入信號引起MCX312的實際位置計數(shù)器的變化，可以得到兩軸相對于原點的實際移動位置。通用輸入輸出擴展了系統(tǒng)功能，在應(yīng)用中可根據(jù)實際情況用作不同的用途。

　　圖PCI總線運動控制卡硬件結(jié)構(gòu)圖

　　在電路設(shè)計時應(yīng)考慮一下幾點：

　　（1）根據(jù)PCI協(xié)議規(guī)定，PCI總線的CLK信號線的長度為2500mil，其他信號線的長度以1500mil以內(nèi)為宜；

　?。?）因系統(tǒng)中多為開關(guān)量輸入輸出，在實際工作中，應(yīng)盡量避免外界信號的干擾，為達到這個目的，在系統(tǒng)中采用光電耦合器件，其輸入端配置發(fā)光器件，輸出端為受光器，開關(guān)量輸入接入電路中，會被擋在光電耦合器以外，從而將干擾隔離；

　　（3）數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴(yán)重的干擾。為了抑止這種干擾，在芯片的電源和地之間連接高頻特性好的0.1μF左右的去耦電容；

　?。?）總線信號PRSNT1#的PRSNT2#中必須有一個接地，它們表明板卡的存在并提供該板對電源要求的有關(guān)信息。

　　函數(shù)庫及驅(qū)動設(shè)計

　　運動控制卡給用戶提供了一個軟硬件的使用平臺，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇使用自己需要的功能，而對于功能實現(xiàn)，函數(shù)庫的編制是必須的。函數(shù)庫用于運動控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，編程人員可以使用  語言，通過對庫函數(shù)的調(diào)用，來實現(xiàn)對運動控制系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)的庫函數(shù)包括5類。

　?。?）基本參數(shù)設(shè)置，包括卡的初始化與釋放、脈沖輸出方式、軟

　　硬件限位設(shè)定、脈沖輸出方式及編碼器輸入的工作方式、加/減速方式設(shè)定及輸入信號濾波功能設(shè)置等；

　?。?）運動參數(shù)的設(shè)定與讀取，包括范圍設(shè)定、加/減速度的設(shè)定與讀取、驅(qū)動速度的設(shè)定與讀取、初始速度的設(shè)定與讀取、邏輯/實際位置計數(shù)器的設(shè)定與讀取、COMP+/COMP-寄存器的設(shè)定等；

　?。?）驅(qū)動狀態(tài)檢查，包括獲取各軸的驅(qū)動狀態(tài)及插補驅(qū)動狀態(tài)；

　?。?）脈沖驅(qū)動輸出及設(shè)定，包括兩軸直線插補、順時針/逆時針圓弧插補、定量驅(qū)動、連續(xù)驅(qū)動及驅(qū)動的減速停止與立即停止；

　　（5）開關(guān)量輸入輸出，包括所有開關(guān)量的輸入輸出及單個輸入輸出的控制。

　　開發(fā)Windows下的應(yīng)用程序應(yīng)考慮系統(tǒng)的限制，Windows系統(tǒng)為保護系統(tǒng)對用戶的訪問權(quán)限進行了劃分，用戶所處的級別由系統(tǒng)對硬件資源進行了屏蔽，用戶不能直接訪問硬件資源。為了達到與硬件通信的目的，必須編寫驅(qū)動程序。

　　用于Windows驅(qū)動開發(fā)的工具包括Windriver，DriverStudio以及DDK（DriverDevelopKit）。Windriver使用簡單，不需要專門的關(guān)于系統(tǒng)驅(qū)動的知識，開發(fā)時間短，但效率低，且不易發(fā)布；DDK效率及可靠性高，但使用煩瑣，開發(fā)周期長；DriverStudio包括DriverWorks，SoftICE，DirverAgent等工具，具有開發(fā)調(diào)試的強大功能，把DDK用類的形式進行了封裝，使用簡單。本文就是利用DriveStudio進行驅(qū)動開發(fā)的。

　　DriverWorks提供了DriverWizard向?qū)?，利用它可以生成?qū)動程序的框架，其中  為關(guān)鍵的一步添加相應(yīng)的I/O端口、內(nèi)存資源、DMA、中斷等相應(yīng)得硬件資源，并在相應(yīng)的處理程序中添加代碼。

　　結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用PCI總線接口及MCX312運動控制芯片，支持即插即用，可用于多種操作系統(tǒng)，具有輸出脈沖頻率高、控制準(zhǔn)確、易向多軸擴展等特點，可廣泛應(yīng)用于機器人、基于PC的數(shù)控系統(tǒng)中。

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