基于Modbus協(xié)議與MCX314的自動(dòng)鉆孔系統設計

摘要：Modbus協(xié)議由于其開(kāi)放性、透明性、成本低、易于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。MCX314運動(dòng)控制芯片具有高精度的可控性以及接口簡(jiǎn)單、編程方便等特點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中常被用于伺服電機的精確控制。介紹了Modbus串口協(xié)議的通信原理以及MCX314運動(dòng)控制芯片的應用，并結合兩者開(kāi)發(fā)出探作簡(jiǎn)單、控制精確、帶有良好人機交互界面的自動(dòng)鉆孔系統，該系統以C8051系列單片機為核心微處理器與上位機通信并對運動(dòng)芯片進(jìn)行控制，實(shí)現了通過(guò)觸摸屏對多個(gè)鉆孔機同時(shí)進(jìn)行操作的一對多控制，并在工業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)測試。
關(guān)鍵詞：Modbus；觸摸屏；MCX314；自動(dòng)鉆孔

0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要對各類(lèi)器材進(jìn)行鉆孔、啄鉆，或者進(jìn)行螺絲攻牙等操作。由于此類(lèi)操作工作量大、動(dòng)作繁瑣，通過(guò)人工操控效率低、精度不足，因此有必要通過(guò)一個(gè)具有良好人機交互方式的自動(dòng)鉆孔系統對鉆頭動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現鉆孔操作的簡(jiǎn)單化與自動(dòng)化。
在鉆孔過(guò)程中需要經(jīng)常觀(guān)察系統運行狀態(tài)或者對運行參數進(jìn)行修改，通過(guò)觸摸屏良好的人機交互方式可以方便快捷地實(shí)現這一目的?，F今多數觸摸屏控制是基于板載操作系統的平臺上，如ARM-Linux，WinCE，μC／OS等，但此類(lèi)操作平臺價(jià)格較高，且開(kāi)發(fā)流程復雜，不適用于在工業(yè)中大規模生產(chǎn)使用。
本文基于Modbus串口協(xié)議的威倫觸摸屏與通用型C8051系列單片機作為硬件平臺，結合MCX314運動(dòng)控制芯片，實(shí)現了一個(gè)結構簡(jiǎn)單、成本低、有良好人機交互且控制精度高的自動(dòng)鉆孔系統。

1 自動(dòng)鉆孔系統架構
為實(shí)現良好的人機交互，系統通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示鉆頭運行狀態(tài)，包括位置，轉速，鉆孔速度等參數，同時(shí)可以對轉速，鉆孔速度，鉆孔深度，攻牙牙距等參數進(jìn)行設置，設置完成后通過(guò)觸摸屏上的按鍵分別進(jìn)行自動(dòng)鉆孔、自動(dòng)攻牙、啄鉆等操作。
系統中，鉆頭運行距離以毫米為基本單位，要求達到小數點(diǎn)后2位的精度，也即10-2mm，對鉆孔速度則以10-2mm／s為最小調節精度。最高轉速200 r／s，最大鉆孔深度為200 mm。攻牙過(guò)程中，牙距值范圍為0．01～1．99。同時(shí)要求提供可設定次數的啄鉆操作。
人機交互界面采用臺灣威倫電子公司開(kāi)發(fā)的MT6100i觸摸屏，使用Modbus協(xié)議與微處理器C8051系列單片機進(jìn)行通信。微處理器通過(guò)總線(xiàn)方式對MCX314運動(dòng)控制芯片進(jìn)行控制與參數讀取。MCX314芯片通過(guò)光電耦合驅動(dòng)伺服電機，帶動(dòng)鉆頭，整體系統框架如圖1所示。

2 系統主控板硬件設計
主控板以微控制器為核心，實(shí)現對運動(dòng)控制芯片的控制以及與觸摸屏的串口通信，并對運動(dòng)控制芯片的輸出脈沖進(jìn)行光電耦合，作為伺服電機的驅動(dòng)輸入。
2．1 主控板硬件框圖
主控板主要由微處理器C8051F040和MCX314運動(dòng)控制芯片構成，兩者通過(guò)16位數據／地址總線(xiàn)方式通信，MCU通過(guò)讀寫(xiě)運動(dòng)控制芯片內部寄存器對其輸出脈沖的開(kāi)關(guān)、速率和脈沖量等進(jìn)行設置，并經(jīng)過(guò)光電耦合電路驅動(dòng)伺服電機做出不同的動(dòng)作。主控板提供RS 232的串行接口作為MCU與觸摸屏的通信接口，通過(guò)Modbus協(xié)議由觸摸屏控制MCU對運動(dòng)控制芯片發(fā)送指令以及讀取數據。同時(shí)還提供E2PROM作為參數存儲模塊，可將設定的運行參數保存起來(lái)，系統啟動(dòng)時(shí)先讀取E2PROM獲取參數，而無(wú)需每次開(kāi)機都重新設置參數。主控板框圖如圖2所示。
2．2 主拉芯片C8051F040
C8051F040單片機是美國Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號系統級芯SoC，具有64 KB FLASH、4 352 B RAM，CAN控制器2．0，2個(gè)串行接口，5個(gè)16位定時(shí)器，12位A／D轉換器，8位A／D轉換器及12位D／A轉換器等，它內部還帶有JTAG接口，在使用JTAG調試時(shí)，所有的模擬和數字外設都可全功能運行，使調試變得非常方便。
2．3 運動(dòng)控制芯片MCX314
MCX314是日本NOVA公司研制的DSP運動(dòng)控制專(zhuān)用芯片，通過(guò)它可以控制由步進(jìn)電機驅動(dòng)器或由脈沖型伺服電機驅動(dòng)的4軸的位置、速度和插補，從而進(jìn)行定位控制、插補驅動(dòng)、任意兩軸的圓弧插補，脈沖速度范圍在1 pps～4 Mpps，可滿(mǎn)足絕大多數的高速驅動(dòng)的需求。在MCX314中對應于每軸電機都有4個(gè)在驅動(dòng)過(guò)程中使之減速停止／立即停止的外部輸入信號。通過(guò)對這些輸入信號的分配可以進(jìn)行原點(diǎn)附近的高速檢
索、原點(diǎn)檢索、編碼器Z相檢索等，該芯片還有輸入位置控制信號、報警信號和編碼器信號，而且，在驅動(dòng)過(guò)程中還可以實(shí)時(shí)讀取控制器運動(dòng)軌跡的理論位置、實(shí)際位置、驅動(dòng)速度、加速度、加減速度狀態(tài)等。
MCX314運動(dòng)控制芯片的性能指標如下：
(1)能夠同時(shí)控制4個(gè)軸的伺服電機或步進(jìn)電機；
(2)輸出的驅動(dòng)速度范圍是從1 pps～4 Mpps；
(3)脈沖輸出頻率的精確度大于±0．1％(在CLK=16 MHz時(shí))；
(4)圓?。本€(xiàn)插補中，坐標范圍是從當前位置到-8 388 607～+8 388 607間；
(5)圓?。本€(xiàn)插補中，插補精度是±0．5 LSB；
(6)圓?。本€(xiàn)插補中，插補速度范圍是從1 pps～4 Mpps；
(7)連續插補的最大驅動(dòng)速度是2 MHz。
為達到系統對速度及位置精度的控制要求，設計中采用了10-3mm／p的下鉆電機與10-3rad／p的轉動(dòng)電機。

3 軟件設計
3．1 系統軟件流程
系統軟件包括觸摸屏軟件與MCU程序。其中觸摸屏軟件設計包括操作界面與各寄存器地址分配，通過(guò)威倫電子公司的配套組態(tài)軟件Easy Builder系列可以方便地完成這部分軟件的設計與下載。本系統中觸摸屏參數設置為：PLC類(lèi)型為Modbus RTU，通信口類(lèi)型設置為RS 232／2W，波特率、數據位個(gè)數、效驗位、停止位個(gè)數設置與MCU系統一致。MCU通過(guò)串口中斷接收觸摸屏指令，進(jìn)而控制運動(dòng)芯片，其程序主要包括MCU初始化與運動(dòng)芯片初始化、串口中斷程序、MCX314運動(dòng)芯片讀／寫(xiě)驅動(dòng)、鉆孔／攻牙／啄鉆操作函數以及E2PROM讀寫(xiě)程序。MCU主函數流程如圖3所示，串口中斷程序流程如圖4所示。

3．2 Modbus協(xié)議
Modbus協(xié)議是MODICON公司1979年為自己的PLC產(chǎn)品而推出的一個(gè)開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議，是應用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，是一種有效支持控制器之間以及控制器經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(如以太網(wǎng))與其他設備之間通信的協(xié)議，現已成為一種通用工業(yè)標準，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備可以通過(guò)該協(xié)議連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，集中監控。
Modbus協(xié)議定義了一種通用的消息結構，描述了控制器請求訪(fǎng)問(wèn)其他設備的一個(gè)過(guò)程，包括如何回應來(lái)自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，并制定了消息域和內容的公共格式。當在此網(wǎng)絡(luò )上通信時(shí)，每個(gè)控制器都擁有一個(gè)惟一的地址，并識別按地址發(fā)來(lái)的消息，最終決定要產(chǎn)生何種動(dòng)作。如果需要回應，則控制器將生成反饋信息并按此協(xié)議格式回應。
3．3 Modbus RTU通信模式
Modbus協(xié)議包括2種傳輸模式，即ASCII碼和RTU模式?？刂破骺梢栽O置為2種傳輸模式中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡(luò )上通信。本設計采用RTU傳輸模式。
當控制器設備選用RTU模式通信時(shí)，消息中的每個(gè)字節包含2個(gè)4位的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，能夠比ASCII碼方式傳送更多的數據。Modbus RTU主機消息幀結構如表1所示。

其中，地址碼代表從機地址，設置為0，表示廣播消息。功能碼表示主機指令，包括讀／寫(xiě)控釗狀態(tài)、讀／寫(xiě)寄存器等。數據區則為讀／寫(xiě)寄存器地址及讀取位數。RTU模式采用CRC校驗。
相應的從機返回消息幀結構與主機消息幀結構類(lèi)似，但是附加了數據字節長(cháng)度，如表2所示。

3．4 MCX314運動(dòng)控制芯片控制
MCU通過(guò)16位數據／地址總線(xiàn)與MCX314進(jìn)行通信，可選擇8位／16位數據總線(xiàn)格式。本設計采用了8位數據總線(xiàn)格式，在16位總線(xiàn)中分配8位為數據線(xiàn)，4位為地址線(xiàn)，4位為時(shí)序控制線(xiàn)。
MCX314是寄存器控制型芯片，對其所有操作都基于寄存器的讀／寫(xiě)，按照其發(fā)送時(shí)序，先發(fā)送地址，后讀取數據，其基本讀／寫(xiě)函數實(shí)現如下：
讀8位寄存器函數(寫(xiě)寄存器函數與其類(lèi)似，只需寫(xiě)完置位P7)：

MCX314內部寄存器均為16位，基于以上讀8位寄存器函數實(shí)現讀16位寄存器函數(寫(xiě)寄存器函數類(lèi)似)：

由于程序分別在串口中斷與主函數處理指令過(guò)程中調用MCX314讀／寫(xiě)寄存器函數，可能導致函數重入，造成寄存器讀／寫(xiě)數據紊亂，因此在函數內部定義標志位，設計讀／寫(xiě)函數為原子操作，防止函數重入。
基于以上讀／寫(xiě)寄存器函數可對MCX314進(jìn)行一系列操作控制，包括寫(xiě)入數據、讀取數據、驅動(dòng)指令與插補指令。在本設計中，寫(xiě)入數據及讀取數據分別對應參數設置與系統狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；驅動(dòng)指令用于鉆孔運動(dòng)與啄鉆運動(dòng)；插補指令用于限定牙距的螺絲攻牙運動(dòng)。通過(guò)上述指令實(shí)現以下系統操作函數，即運動(dòng)芯片初始化函數、原點(diǎn)搜尋運動(dòng)函數、定距手動(dòng)鉆孔函數、自動(dòng)鉆孔函數、啄鉆函數、手動(dòng)攻牙函數、自動(dòng)攻牙函數等。

4 結語(yǔ)
利用Modbus串口協(xié)議開(kāi)放、透明、開(kāi)發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn)，結合MCX314運動(dòng)控制芯片的高精度可控性，以及編程方便的總線(xiàn)接口方式，設計出成本低、操作簡(jiǎn)單、人機交互界面友好的觸摸屏自動(dòng)鉆孔系統。本系統對位置與速度控制可分別精確至1×10-3mm與1×10-3mm／s，最高速度分別為4 000 mm／s與4 000 rad／s，最大鉆孔深度可達8 000 mm，達到了工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行自動(dòng)鉆孔或螺絲攻牙的性能指標，并在工業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)初步測試，工作穩定。由于Modbus協(xié)議具有網(wǎng)絡(luò )控制能力，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中可并聯(lián)多個(gè)鉆孔系統共用一個(gè)觸摸屏，通過(guò)觸摸屏同時(shí)控制不同系統進(jìn)行不同操作，或者采用廣播模式控制多個(gè)系統進(jìn)行同一操作，進(jìn)一步實(shí)現低成本和自動(dòng)化。