基于PCI 總線(xiàn)的四軸運動(dòng)控制卡的研制

1.引言

本項目是用于華南理工與廣東風(fēng)華集團合作的動(dòng)臂式貼片機（也稱(chēng)拱架型貼片機）的拾取/貼裝頭的四軸控制，X，Y軸為水平面方向運動(dòng)，Z軸為拾取/貼裝頭拾取、貼裝芯片方向運動(dòng)，U軸為調整芯片角度方向旋轉運動(dòng)[7]。

根據項目要求，采用MCX314as為運動(dòng)控制核心，上位機只需將運動(dòng)參數寫(xiě)入MCX314as的寄存器，各種復雜的運動(dòng)控制，插補計算均由 MCX314as完成，極大地提高了運算和控制速度，通過(guò)PCI9052為PCI橋接口與計算機通信，完成了4軸伺服/步進(jìn)電機控制，實(shí)現位置，速度，加速度控制和直線(xiàn)、圓弧插補的功能。

2.運動(dòng)控制卡的硬件結構

運動(dòng)控制卡的硬件結構主要是由PCI接口芯片PCI9052、運動(dòng)控制芯片MCX314as以及相應的光耦隔離、差動(dòng)傳輸等電路組成，如圖1。其中,DB代表數據總線(xiàn),AB代表地址總線(xiàn),CB代表控制總線(xiàn),軸輸出為四個(gè)軸的輸出脈沖，I/O為輸入輸出控制信號等。

2.1PCI總線(xiàn)接口

PCI局部總線(xiàn)是一種獨立于處理器的高性能、低成本、開(kāi)放型總線(xiàn)，它的這些優(yōu)點(diǎn)，使其得到迅速普及和發(fā)展，并成為事實(shí)上的微型機的總線(xiàn)標準，而且在嵌入式計算機和工業(yè)控制計算機方面得到廣泛的應用。它可分為32位數據/地址復用總線(xiàn)和64位數據/地址復用總線(xiàn)兩種，總線(xiàn)的速度分為最高達33MHz和 66MHz兩種。數據傳送速度最高可達528MB/s[2]。我們采用的是32位總線(xiàn)，33MHz的速度。

目前實(shí)現PCI接口的方案可分為使用CPLD和使用專(zhuān)用芯片兩種。使用CPLD實(shí)現PCI接口比較靈活，但實(shí)現起來(lái)復雜。采用專(zhuān)用芯片可以降低設計難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。因此，我們采用PLX公司的PCI9052專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現PCI總線(xiàn)接口?？偩€(xiàn)接口見(jiàn)文獻[1]（21頁(yè)）。


圖1：PCI卡總體設計

PCI9052是PLX公司為擴展適配板卡推出的一款高性能、低價(jià)位的PCI總線(xiàn)從模式接口芯片。芯片引腳可直接與適配板卡金手指相連，它的各個(gè)引腳的名稱(chēng)和功能可參考它的DATASHEET[1]。局部總線(xiàn)與MCX314as的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)等相連。

PCI9052芯片的主要特點(diǎn)如下：

（1）符合PCI2.1規范,支持簡(jiǎn)單的ISA到PCI的橋接轉換;

（2）支持局部總線(xiàn)到內存和I/O映射;

（3）PCI中斷信號由局部總線(xiàn)的兩個(gè)中斷信號LINTI1、LINTI2產(chǎn)生;

（4）局部總線(xiàn)與PCI總線(xiàn)的時(shí)鐘相互獨立運行,兼容高低速設備。局部總線(xiàn)的運行時(shí)鐘頻率范圍0～40MHz;PCI的運行時(shí)鐘頻率范圍0～33MHz。

（5）可通過(guò)EEPROM的配置改變局部總線(xiàn)的操作,支持多路復用作和非多路復用8位、16位和32位通用局部總線(xiàn);

（6）串行EEPROM接口,連接的串行EEPROM用于存放設備ID和局部總線(xiàn)配置等重要信息;[1]

2.2局部總線(xiàn)接口電路

PCI9052與MCX314as連接的電路如圖2所示：


圖2：PCI9052與MCX314as連接

MCX314as是一個(gè)用于實(shí)現4軸運動(dòng)控制的集成電路。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軸位置、速度和插補[3]。它的所有功能都是由特定的寄存器控制的。通過(guò)對寄存器的設置，可以實(shí)現運動(dòng)控制。它的電平與PCI9052相兼容，可以直接連接。

根據MCX314as本身的特性，PCI9052的局部總線(xiàn)采用非復用的16位數據總線(xiàn)的ISA模式，將PCI9052的MODE（68腳）接地，為非復用模式，ISA模式的寄存器配置在章節3中詳細說(shuō)明。PCI9052的ISA模式下，LRESET為正邏輯，而MCX314as的復位信號為反邏輯，所以?xún)烧咭ㄟ^(guò)反向器連接。BUSY#和INTN#應加電阻后拉高，以加快數據傳輸中的等待和中斷后的恢復。

2.3MCX314as的信號接口電路

MCX314as是運動(dòng)控制卡的核心，通過(guò)對它的八個(gè)控制寄存器和八個(gè)狀態(tài)寄存器的操作可實(shí)現四軸的速度、位置、插補控制。如圖3所示是單軸驅動(dòng)系統的連接圖。4軸系統于它相類(lèi)似，每個(gè)軸采用相同的設計既可。


圖3：MCX314as驅動(dòng)系統

MCX314as輸出驅動(dòng)脈沖有兩種形式：一種是正、負脈沖形式，以X軸為例，既XPP輸出脈沖時(shí)，X軸正向旋轉，XPM輸出脈沖時(shí)，X軸反向旋轉，四軸與此相同;另外一種是脈沖、方向形式，以X軸為例，XPP管腳在此復用為PLS，作為脈沖輸出管腳，XPM在此復用為DIR，作為方向信號輸出?？赏ㄟ^(guò)設置寄存器WR2的D6位來(lái)選擇輸出的形式，為了和我們的電機驅動(dòng)器相配套，我們選用的是正、負脈沖（CCW）形式，采用差動(dòng)輸出，提高傳輸距離。

反饋的編碼器信號經(jīng)差動(dòng)傳輸、高速光耦隔離后連接在各軸的編碼器輸入口。編碼器的輸入信號也可分為兩相脈沖輸入（nECA，nECB）和上下脈沖輸入（PPIN，PMIN），設置WR2的D9位可選擇與編碼器相兼容的脈沖計數方式。

MCX314as每個(gè)軸有8位的I/O信號，其中每個(gè)軸的輸出有4位（OUT4-7）可作為驅動(dòng)狀態(tài)的指示，也可作為通用輸出，寄存器WR3的D7用來(lái)設定它是否作為通用輸出。8位輸入中可作為正、負限位，到位、報警等輸入信號。I/O為電平信號，可通過(guò)光耦與電機驅動(dòng)器隔離輸入、輸出。

3.基于PCI9052的板卡的配置

通過(guò)對PCI9052的配置寄存器的設置，它可工作在多種模式之下，如C模式、J模式、ISA模式等，每一種模式主要是對應著(zhù)局部總線(xiàn)的不同工作方式和遵循的不同的總線(xiàn)規范。PCI9052的配置信息存放在所連接的EEPROM中,配置是否正確決定運動(dòng)控制卡能否正常工作，所以非常重要，對9052的配置也是本次設計的一個(gè)重點(diǎn)。