基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件

1、基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計 梁偉林基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計 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)試主要內(nèi)容：第一章緒論第一章緒論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

2、“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。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)性進步。進入20世紀90年代以后，受通用微機技術(shù)飛速發(fā)展的影響，數(shù)控技術(shù)正朝著以PC機為基礎(chǔ)，向著開放化、智能化、圖形化等方面進一步發(fā)展。第一章緒論1.1課題研究背景第一章緒論 PC-NC 架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)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驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)進行運動控制，以實現(xiàn)預(yù)定運動軌跡目標的裝置。 第一章緒論1.1.2 運動控制器及其研究現(xiàn)狀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

3、的重視和支持，國外影響較大的研究計劃有美國的NGC(The Next Generation Work-station /Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)計劃，歐洲的OSACA (Open System Architecture for Control within Automation System，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 (Open System Environment for Controller)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

4、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外發(fā)展現(xiàn)狀：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機的快速發(fā)展，可靠性大為提高，以工業(yè)PC機為核心的控制系統(tǒng)己經(jīng)被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機床控制領(lǐng)域，采用工業(yè)PC機，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機開發(fā)的運動控制器及其應(yīng)用也越來越多。國內(nèi)部分數(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)，如北京機床研究所的中華系列，沈陽計算所的“藍天”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在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)

5、狀：第一章緒論運動控制器常見的控制方案：1. 基于單片機系統(tǒng)的控制器主要以MCS-51, MCS-96等為代表的單片機為核心。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進行，并通過裝在PC擴展槽中的接口卡對伺服驅(qū)動進行控制。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中，而硬件部分僅是計算機與

6、伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標準化通用接口。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，強實時性要求嚴格的系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。第一章緒論運動控制器常見的控制方案：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.

7、 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電機和伺服電機而設(shè)計的專用處理器。運動控制芯片帶有插補算法，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3. 基于通用DSP或FPGA的控制器第一章緒論本課題研究的意義 ：大力發(fā)展先進的制造技術(shù)已經(jīng)成為世界各國最重要的技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進制造技術(shù)已經(jīng)是國際

8、競爭和產(chǎn)品革新的一種重要手段。 數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(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弱的顯著標志。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)該抓住這一機遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有

9、高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開放式運動控制器產(chǎn)品。第一章緒論本課題研究的意義 ：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)計總線接口的選擇： 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

10、公司專用運動控制芯片MCX314As 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 ：基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件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)標準總線結(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總線接口協(xié)議 ：基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件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 ：MCX3

11、14As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，輸出脈沖頻率可達4 MHz。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。 第三章運動控制器的硬件設(shè)計MCX314As運動控制芯片介紹基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)

12、計課件寫寄存器地址地址（A2 A1 A0）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)計寫寄存器地址地址（A2 A1 A0）寄存器符號寄存器名稱00讀寄存器地址地址（A2 A1 A0）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

13、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（A2 A1 A0）寄存器符號寄存器名稱00基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件硬件抗干擾技術(shù) ：（1）脈沖、方向信號采用差分輸出方式（2）采用高速光耦進行電氣隔離（3）硬件電路板布局布線（4）信號濾波和鉗位第三章運動控制器的硬件設(shè)計硬件抗干擾技術(shù) ：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)計軟件開發(fā)環(huán)境和編程工具介紹： Windows 98操作系統(tǒng) Visual C+ 6.0第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件開發(fā)環(huán)境和編程工具介紹：第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計MCX314As指令系統(tǒng) ：寫入數(shù)據(jù)命令

14、讀取數(shù)據(jù)命令驅(qū)動命令插補命令 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計MCX314As指令系統(tǒng) ：第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計VC+語言中的標準通信函數(shù)介紹 ：_outp（），_outpw（）和_outpd（）函數(shù)；功能分別是：寫一個字節(jié)、字和雙字到指定的輸出端口。 _inp（），_inpw（）和_inpd（）函數(shù)；功能分別是：從指定的輸入端口讀一個字節(jié)、字和雙精度字。 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計VC+語言中的標準通信函數(shù)第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計運動函數(shù)庫 ：讀/寫寄存器函數(shù)；軸設(shè)置函數(shù)：工作模式設(shè)定函數(shù)、運動參數(shù)設(shè)置函數(shù)、初始化函數(shù)；運動控制函數(shù)； I/O讀寫和驅(qū)動狀態(tài)查詢函數(shù)。第四章運動

15、控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計運動函數(shù)庫 ：基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用程序示例的設(shè)計 ：單軸運動的位置和速度控制直線、圓弧插補驅(qū)動外部I/O讀寫 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用程序示例的設(shè)計 ：第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計在插補之前，需要先指定哪個軸是基軸。MCX314As芯片的WR5的D0D5用來指定各個軸ax1、ax2、ax3和ax4。X、Y、Z和U軸可按一定順序定義成ax1、ax2、ax3和ax4。在插補的過程中，所有的計算都是基于基軸ax1的，所以在進行插補之前要對基軸設(shè)置所有的參數(shù)：初始速度、驅(qū)動速度和加速度等。當插補命

16、令執(zhí)行時，寄存器RR0的D8位（I-DRV）將變?yōu)?，在插補結(jié)束時變?yōu)?。于是在插補過程中應(yīng)該查詢I-DRV的狀態(tài)，只有當I-DRV為0時，才可以執(zhí)行下一個插補命令。同時，還必須調(diào)用各個狀態(tài)查詢函數(shù)，檢測是否有報警，急停，限位，中斷等狀況發(fā)生。 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計在插補之前，需要先指定哪基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計單軸常速運行時脈沖頻率的測試 ：1KHz脈沖輸出 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計單軸常速運行時脈沖頻率的測試第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計400KHz脈沖輸出 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計400KHz脈沖輸出

17、 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計4MHz脈沖輸出 第四章運動控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計4MHz脈沖輸出 基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件基于PC104總線與MCX314As芯片的運動控制器設(shè)計課件I/O信號的測試界面 I/O信號的測試界面 結(jié)論 （1）分析了數(shù)控技術(shù)和國內(nèi)外控制器發(fā)展現(xiàn)狀，并對當前運動控制器常見的解決方案進行了比較，結(jié)合本課題運動控制器的功能需求，給出了系統(tǒng)整體功能設(shè)計方案：選用

18、PC104總線接口作為運動控制器與上位PC機通信的橋梁，采用MCX314As運動控制芯片作為控制器核心處理器，并采取差分脈沖信號輸出和光耦隔離方式實現(xiàn)內(nèi)外部電源隔離，提高抗干擾能力；上位機軟件系統(tǒng)采取模塊化的原則，設(shè)計了人機控制界面、應(yīng)用示例程序和運動控制函數(shù)庫。用戶進行二次開發(fā)時可以不必關(guān)心底層的具體實現(xiàn)方式，直接調(diào)用控制函數(shù)庫方便快速地開發(fā)出應(yīng)用程序，達到了開放性的要求。（2）詳細介紹了PC104總線接口協(xié)議和MCX314As芯片的控制寄存器以及工作方式，完成了運動控制器的硬件設(shè)計。重點介紹PC104總線與MCX314As芯片的通訊連接電路的設(shè)計和運動控制器與外部的輸入和輸出接口電路設(shè)計，并且對硬件抗干擾和硬件調(diào)試進行經(jīng)驗總結(jié)。（3）簡單介紹軟件開發(fā)環(huán)境Windows 98系統(tǒng)和開發(fā)工具VC+語言，并對MCX314As芯片的指令系統(tǒng)進行了分析。在此基礎(chǔ)上，完成了運動控制函數(shù)庫的開發(fā)。（4）設(shè)計了系統(tǒng)的人機控制界面，實現(xiàn)各個軸運動參數(shù)的設(shè)置、運動類型的選擇、反饋狀態(tài)