基于CH365型接口和MCX314As型運動(dòng)控制器的PCI總線(xiàn)運動(dòng)控制卡設計

摘要：以CH365型PCI總線(xiàn)接口和MCX314As型運動(dòng)控制器為核心硬件，自主研發(fā)了基于運動(dòng)控制器的PCI總線(xiàn)運動(dòng)控制卡。該控制卡能夠實(shí)現4軸位置、速度和S曲線(xiàn)的加減速控制，具有直線(xiàn)、圓弧、位模式插補功能及自動(dòng)原位搜尋功能，同時(shí)具有4路信號輸入和8路通用輸出。

關(guān)鍵詞：運動(dòng)控制卡；PCI總線(xiàn)；MCX314As；CH365

1 引言

隨著(zhù)現代科技的發(fā)展，數控技術(shù)的發(fā)展趨勢是開(kāi)放式數控。開(kāi)放式數控系統具有即插即用、可移植性、可擴展性和可互操作性特點(diǎn)。PC―NC是目前比較實(shí)用的一種開(kāi)放式數控系統模式，PC―NC可歸納為3種：PC板插入到NC裝置中；軟件NC；NC板插入到PC中。其中，第一種方案保留原有的數控系統不變，插入的PC板主要承擔人一機界面、編程和通信等功能，用以提高系統開(kāi)放性。此方案為目前主流數控系統廠(chǎng)商采用，可靠性較高但開(kāi)放性有限。第二種方案的實(shí)時(shí)性對PC的CPU要求很高。第三種方案是在PC硬件平臺和操作系統的基礎上，采用自主開(kāi)發(fā)或購買(mǎi)的運動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現數控機床所需的全部功能。其中PC進(jìn)行非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)插補控制由運動(dòng)控制卡來(lái)承擔，采用這種方案設計的數控系統開(kāi)放性好，人一機界面靈活，非常適合非標準數控機床的開(kāi)發(fā)。

文中給出了基于第三種方案的運動(dòng)控制卡設計方案，采用CH365型PCI總線(xiàn)接口和MCX314As型運動(dòng)控制器作為核心硬件，實(shí)現運動(dòng)控制卡的4軸位置、速度、S曲線(xiàn)的加減速控制；直線(xiàn)、圓弧、位模式插補功能：自動(dòng)原位搜尋功能以及4路信號輸入和8路通用輸出。與其他控制卡相比，其位模式插補功能、自動(dòng)原位搜尋功能及電子齒輪設計最有特色。

圖1

2 PCI總線(xiàn)接口電路

目前，計算機總線(xiàn)技術(shù)已由ISA總線(xiàn)發(fā)展到PCI總線(xiàn)，PCI的含義是周邊元件互連(peripheral component interconnect)。PCI局部總線(xiàn)是一種高性能的32位／64位地址／數據復用總線(xiàn)，總線(xiàn)時(shí)鐘頻率高達33MHz／66MHz，同步控制，猝發(fā)傳送時(shí)數據傳遞速率高達132MB／s(32位)或264MB／s(64位)[1]。

實(shí)現PCI接口的方法有二種：使用復雜可編程邏輯器件或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(如CPLD／FPGA)和使用專(zhuān)用電路(如PCI9052和CH365等)。采用CPLD/FPGA實(shí)現PCI接口雖然靈活性高且性能較好，但其IP核的價(jià)格較高，而采用專(zhuān)用電路固然靈活性較差,但不影響其使用性能，尤其是可以利用器件生產(chǎn)廠(chǎng)商提供的配套工具，大大簡(jiǎn)化設計和縮短開(kāi)發(fā)周期，從而降低開(kāi)發(fā)成本。

目前市場(chǎng)上有多種PCI接口電路．國外的如PLX公司的：PCI90系列，Altera公司的eplok，AMCC公司的S5933等，這些接口電路的性能好、適應對象較廣，但價(jià)格較昂貴。南京沁恒公司推出一款CH365型PCI接口電路，該器件性能完全滿(mǎn)足PCI接口規范，雖然頻率較低(16MHz)，但可滿(mǎn)足設計需要且使用方便，價(jià)格低于國外產(chǎn)品，性?xún)r(jià)比高。經(jīng)比較，本設計采用CH365作PCI接口器件。

CH365具有以下滿(mǎn)足本運動(dòng)控制卡設計的性能特點(diǎn)：

實(shí)現基于32位PCI總線(xiàn)的從設備接口：

轉換為主動(dòng)并行接口，8位數據，16位地址，I／O讀寫(xiě),存儲器讀和寫(xiě)：

可以設定PCI板卡的設備標識(Vendol ID、De-vice ID,Class Code等)；

支持以字節、字或雙字為單位對I／O端口或者存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)：

非突發(fā)存取的實(shí)測速度高達7MB／s，讀寫(xiě)脈沖寬度為30ns～240ns可選，滿(mǎn)足運動(dòng)控制卡要求：

支持長(cháng)度達240字節的I／O端口：

支持低電平有效的本地中斷請求,支持中斷共享：

內置4μs～1ms的硬件計時(shí)單元，用于軟件運行過(guò)程中的延時(shí)參考[2]。

3 運動(dòng)控制器

目前傳統的運動(dòng)控制器多采用嵌入式高性能單片機(如MC6833l微控制器)或DSP(TMS320xxx或DSP56xxx)來(lái)實(shí)現，系統集成度不夠高，電路復雜，且軟、硬件研制周期長(cháng)，性能一致性較難保證。采用專(zhuān)用運動(dòng)控制器可以提高系統集成度、插補速度及可靠性，同時(shí)簡(jiǎn)化電路，縮短開(kāi)發(fā)周期。

目前市場(chǎng)上有多種運動(dòng)控制器，如美國的PMD公司，日本的NOVA、KY()PAL、SEEK公司的產(chǎn)品。本設計采用日本NOVA公司的MCX314As，它是MCX314的改進(jìn)型，能夠同時(shí)控制4個(gè)伺服馬達或步進(jìn)馬達，能以脈沖串形式輸出，對伺服馬達和步進(jìn)馬達進(jìn)行位置控制、插補驅動(dòng)速度控制等。具有許多突出功能。

(1)以固定速度或加／減速度輸出指定數量的脈沖達到定量驅動(dòng)；連續輸出驅動(dòng)脈沖，直至高位的停止命令或外部的停止信號有效時(shí)停止實(shí)現連續驅動(dòng)。用于快速歸零原點(diǎn)開(kāi)關(guān)搜尋、掃描操作、控制馬達旋轉連續驅動(dòng)速度等。

(2)設定各線(xiàn)段的加／減速曲線(xiàn)為定速、直線(xiàn)(梯形)加／減速或S曲線(xiàn)加／減速，使用S曲線(xiàn)加／減速可使運動(dòng)更平滑，但降低了總速度。

(3)每個(gè)控制軸都有2個(gè)用于控制當前位置的32位可逆計數器，一個(gè)是在器件內部管理驅動(dòng)脈沖輸出的邏輯位置計算器，另一個(gè)是管理來(lái)自外部編碼器脈沖的實(shí)際位置計數器；另外每個(gè)軸還有2個(gè)32位比較寄存器，用于比較邏輯位置計數器和實(shí)際位置計數器的位置大小，可作為軟件限位控制。

(4)可以任選2軸或3軸，進(jìn)行直線(xiàn)插補、圓弧插補、位模式插補驅動(dòng)。插補坐標范圍是從當前位置到一8，388，608～+8，388，608之間，在整個(gè)指定的直線(xiàn)插補范圍內的插補精度是+0.5LSB．插補速度范圍是1pps～4Mpps；位插補驅動(dòng)可以產(chǎn)生任何插補曲線(xiàn)；同時(shí)可以進(jìn)行直線(xiàn)插補→圓弧插補→直線(xiàn)插補的連續插補驅動(dòng)，連續插補時(shí)最高達2Mpos。

(5)加／減速驅動(dòng)的定速開(kāi)始時(shí)、定速完畢時(shí)、驅動(dòng)完畢時(shí)、位置計數器和比較器之間的大小關(guān)系變化時(shí)均會(huì )產(chǎn)生中斷。此外，連續插補、位模式插補發(fā)生下一個(gè)數據請求時(shí)位置限制也會(huì )產(chǎn)生中斷。

其他功能主要有外部信號控制的驅動(dòng)操作、脈沖輸出／輸入方式的選擇、硬件限制信號輸入、緊急停止、每軸具有8個(gè)通用輸出信號和4個(gè)通用輸入信號、驅動(dòng)狀態(tài)的輸出[3]。

4 控制卡系統設計

4.1控制卡硬件結構設計

控制卡硬件結構如圖1所示。PCI端的主要信號有地址、數據多路復用的輸入／輸出信號(AD[3l-O])、總線(xiàn)命令和字節使能多路復用信號(CBE[3-O])、奇偶校驗信號(PAR)、幀周期信號(FRAME)、發(fā)起設備準備好信號(IRDY)、目標設備準備好信號(TRDY)、初始化設備選擇信號(IDSEL)、設備選擇信號(I)EVSEL)、時(shí)鐘輸入信號(CLK)、復位信號(RST)和中斷信號(INTA)。這些信號完全符合：PCI規范的要求。

控制卡本地端使用的信號主要有雙向數據信號(D[7-0])，地址信號(A[14―0])，獨立輸出控制信號A15，I／O端口讀／寫(xiě)控制信號(IOP_RD，IOP_WR)及中斷信號(INTA)。CH365在I／O讀寫(xiě)控制時(shí)只用到8根地址線(xiàn)A[7―0]。在本系統中，低4位地址信號A[3―0]作為MCX314As中寄存器的地址信號直接連到MCX314As，高4位A[7―4]作為譯碼電路的輸入信號來(lái)產(chǎn)生MCX314As的片選信號，A[14―8]空閑不用，獨立輸出控制信號A15作為控制是否啟用電子齒輪電路的選通開(kāi)關(guān)信號。

對于MCX314As，其RSq、端與CH365共用，該輸入把：MCX314As的RESETN置為低電平且大于4周期以上時(shí)，執行復位。CS端為MCX314As的片選信號，由CPLD中的譯碼電路模塊產(chǎn)生。H16L8端接地，設置電路處于8位數據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方式，這是因為CH365的數據傳輸是8位。也正因為這樣，本系統只用到MCX314As的16位數據總線(xiàn)D[15：0]中的D[7：0]，而D[15：8]要經(jīng)高電阻接至+5V。RD和WR分別為MCX314As的讀、寫(xiě)信號線(xiàn)，當它們?yōu)榈碗娖綍r(shí)，可以對MCX314As進(jìn)行寄存器的讀寫(xiě)操作。需要特別注意的是由于本系統采用8位數據傳輸，所以對于MCX314As中的16位寄存器分為高8位和低8位地址，讀寫(xiě)操作必須訪(fǎng)問(wèn)2次。A[3：0]用來(lái)選擇MCX314As的寄存器地址。BLTSYN連接MCX314As忙信號，處于低電平時(shí)不能執行寫(xiě)入命令。MCX-314As只有一個(gè)中斷INTN，所有中斷源都需進(jìn)行“或運算”后輸出到中斷信號端口。與其他運動(dòng)控制卡相比，本運動(dòng)控制卡的最大特色是具有位插補功能、自動(dòng)原位搜尋功能及電子齒輪設計。

與直線(xiàn)、圓弧插補相比，位插補不是由幾個(gè)參數和指令來(lái)產(chǎn)生任一特定的運動(dòng)控制(如直線(xiàn)、圓弧等)，它需要由上位機提供所有的插補數據。而這種插補模式卻有很大的適應性，它對插補數據沒(méi)有任何形式的限制，這無(wú)疑為實(shí)現樣條插補、特殊函數曲線(xiàn)插補提供了方便，使得本運動(dòng)控制卡在加工復雜輪廓曲線(xiàn)的工件時(shí)有很大的優(yōu)越性，尤其適用于仿形機上的應用。由于位插補需要大量的插補數據，因此如何生成和管理這些數據就成為位插補模式應用的關(guān)鍵。一般來(lái)講，插補數據都是由上位機提前生成的，這樣，如何管理這些數據使其能及時(shí)寫(xiě)入而讓插補連續進(jìn)行就成為本設計系統的一個(gè)關(guān)鍵。針對這些數據“先進(jìn)先出”的特點(diǎn)．本設計系統采用隊列管理機制，并結合MCX314As中的堆棧計數器(SC)，利用中斷不斷地將插補數據寫(xiě)入MCX314As中的4個(gè)(正反向各2個(gè))數據緩沖區，從而保證了位插補的連續性。位插補的終止有2種方式：向正反方向各2個(gè)緩沖區都寫(xiě)入l；上位機停止寫(xiě)入數據。

自動(dòng)原位搜尋功能有助于機床快速歸零到機床參考點(diǎn)。在此功能下，設計系統按選定軸負方向高速驅動(dòng)至原點(diǎn)附近，然后以低速驅動(dòng)直到原點(diǎn)信號或編碼器Z信號激活而停止。再以設定的驅動(dòng)速度往正方向快速歸零到機床參考點(diǎn)。與其他控制系統的通過(guò)程序實(shí)現機制相比，該功能更為簡(jiǎn)單方便。

在3軸極坐標螺旋仿形加工中，要求其中2軸(極徑、極角)按工件外形輪廓曲線(xiàn)聯(lián)動(dòng)插補。第三軸按設定的螺距跟隨極角坐標軸進(jìn)給。在一般三軸加工中，上位機發(fā)送來(lái)的加工數據都為3維增量坐標，這里的第三軸增量坐標數據由設定的螺距決定，而M(2X314As的速度是按合成速度來(lái)控制的，這樣就會(huì )出現下述情況：當粗加工螺距設定很大時(shí)。第三軸數據值就大，速度分量也很大，導致其它2軸速度分量大大降低，影響加工效率與質(zhì)量?？紤]到這種情況，本系統基于電子隨動(dòng)原理設計了電子齒輪，1軸可以按設定的比率從動(dòng)于其他3軸中的任意l軸(類(lèi)似機械齒輪傳動(dòng))，也可以解除這種從動(dòng)關(guān)系的設定。在電子齒輪關(guān)系機制下，上述的3軸極坐標螺旋仿形加工就只需2軸數據，而第三軸按設定的傳動(dòng)比率跟隨前者中的某一軸，從而理想地解決了這個(gè)難題。

為了提高反饋脈沖的分辨率，本設計系統還采用了4倍頻電路設計，對電動(dòng)機的編碼反饋脈沖進(jìn)行4倍頻處理。

為了提高板卡的集成度，本系統使用VHDL硬件描述語(yǔ)言在(2PLD(MAX7000)中實(shí)現系統所需的一些外圍電路。如地址譯碼(用于產(chǎn)生M(2X314As的片選信號)、4倍頻電路、電子齒輪電路、速度倍率手輪譯碼等，限于篇幅，不再介紹。

系統對電機的控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生，并根據需要選擇是否采用電子齒輪傳動(dòng)方式，然后經(jīng)差分驅動(dòng)輸出驅動(dòng)器產(chǎn)生差分驅動(dòng)輸出，既可以控制數字式交流伺服驅動(dòng)器，也可以控制步進(jìn)電機驅動(dòng)器。電機編碼器反饋信號(A、B、Z)經(jīng)過(guò)高速光電隔離后輸入CPLD，經(jīng)過(guò)4倍頻后傳輸給MCX314As的實(shí)際位置寄存器，用于位置顯示和軟件限位。通用輸出信號經(jīng)過(guò)74LS06型輸出緩沖器輸出。外部反饋脈沖(如超程限位信號、原位搜索信號等)及外部手動(dòng)控制信號要經(jīng)過(guò)光電隔離才能輸入MCX314As。

本系統采用MCX314As默認的16MHz頻率作為時(shí)鐘信號。該時(shí)鐘決定了每個(gè)軸的正／負方向的驅動(dòng)脈沖時(shí)間周期。圖2示出MCX314As的時(shí)鐘電路[4]。

4.2控制卡系統的軟件設計

控制卡系統的軟件設計主要是板卡驅動(dòng)程序設計、CPLD硬件語(yǔ)言描述程序和MCX314As功能驅動(dòng)函數設計。本系統的驅動(dòng)程序主要是圍繞(2H365來(lái)實(shí)現該板卡與PC的接口功能，選用DriverStudio 2.6開(kāi)發(fā)工具，快速有效地開(kāi)發(fā)了在Windows環(huán)境下用戶(hù)級的WDM設備驅動(dòng)程序，向該板卡的運用程序提供I／O基址、中斷號等。CPLD硬件語(yǔ)言描述程序是用VHDL編寫(xiě)的，主要實(shí)現M(2X314As的片選信號、4倍頻電路、電子齒輪電

路、速度倍率手輪譯碼等外圍電路功能。MCX314As的功能驅動(dòng)函數設計是用于MCX314As的初始化、速度和加速度設置、直線(xiàn)插補、圓弧插補、歸零搜索(1IOME)、硬件限位、位插

補、數字信號的輸入／輸出和中斷信號處理等功能函數設計。限于篇幅，這里只給出位插補的程序流程，如圖3所示。

5 結束語(yǔ)

使用高集成度的MCX314As型運動(dòng)控制器能實(shí)現4軸控制或3軸聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度控制，并能實(shí)現直線(xiàn)、圓弧、位3種模式的連續插補，具有接口簡(jiǎn)單、易于編程、工作可靠的特點(diǎn)。采用CH365作為PCI―ISA的橋接口，大大簡(jiǎn)化了PCI接口的設計。與其他以DSP或微控制器為控制核心的運動(dòng)控制器相比，本設計雖然在功能多樣性和靈活性上不如后者，但具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、適合列表曲線(xiàn)仿型加工時(shí)犬數據量快速連續加工的特點(diǎn)。