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運(yùn)動(dòng)控制芯片 PCI總線是一種先進(jìn)的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可以同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。實(shí)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(jì)PCI接口，這種方法比較靈活，但是其難度較大，設(shè)計(jì)周期也較長(zhǎng)。二是采用專用的PCI接口芯片，可以大大減少設(shè)計(jì)者的工作量，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本運(yùn)動(dòng)控制卡采用PLX公司的PCI9052接口芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片符合PCI2.1規(guī)范。 與ISA總線相比，PCI總線支持三個(gè)物理空間：存儲(chǔ)器地址空間、I/O地址空間和配置空間。配置空間是PCI特有的一個(gè)空間，所有的PCI設(shè)備都必須提供配置空間。PCI9052包含一個(gè)用于加載配置信息的串行EEPROM接口，用于裝載一個(gè)特定適配設(shè)備信息。串行EEPROM中存儲(chǔ)了PCI9052的重要的配置信息，如設(shè)備號(hào)、制造商號(hào)、設(shè)備類型號(hào)、局部空間基地址以及局部空間描述符等信息。PCI9052對(duì)EEPROM型號(hào)的要求是比較嚴(yán)格的，可以使用的包括HolTek的HT93LC46,MicroChip的93LC46B等。 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(gè)板卡能否正常工作，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。 運(yùn)動(dòng)控制芯片 傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器多采用嵌入式高性能單片機(jī)或DSP來實(shí)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(zhǎng)。采用專用運(yùn)動(dòng)控制器可以提高系統(tǒng)集成度、插補(bǔ)速度及可靠性，同時(shí)簡(jiǎn)化電路，縮短開發(fā)周期。 目前市場(chǎng)上有多種運(yùn)動(dòng)控制器，如美國(guó)的PMD公司以及日本的NOVA、KYOPAL、SEEK公司的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)采用NOVA公司的MCX312，它能同時(shí)控制獨(dú)立兩個(gè)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制芯片。以脈沖串的形式輸出，能對(duì)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)、速度控制等。 ● 獨(dú)立二軸驅(qū)動(dòng) 一個(gè)芯片可分別控制2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)軸都可以進(jìn)行定速驅(qū)動(dòng)，直線加/減速驅(qū)動(dòng)，S曲線驅(qū)動(dòng)等，2軸的性質(zhì)相同；輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的范圍為1PPS～4MPPS，使用16MHz時(shí)鐘時(shí)，輸出脈沖頻率精度小于±0.1%。 ● 定量驅(qū)動(dòng)和連續(xù)驅(qū)動(dòng) 定量驅(qū)動(dòng)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(dòng)到確定位置或進(jìn)行確定的動(dòng)作，連續(xù)驅(qū)動(dòng)連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖直至高位的停止命令或外部的停止信號(hào)有效，用以原點(diǎn)搜尋、掃描操作、及電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度控制。 ● 插補(bǔ)驅(qū)動(dòng) 可進(jìn)行相對(duì)于當(dāng)前位置范圍-8 388 607～+8 388 607內(nèi)的2軸直線插補(bǔ)及圓弧插補(bǔ)，插補(bǔ)精度為±0.5LSB，速度范圍為1PPS～4MPPS，并可以連續(xù)地運(yùn)用2軸直線及圓弧插補(bǔ)在每個(gè)插補(bǔ)節(jié)點(diǎn)不停的驅(qū)動(dòng)，其最大速度可達(dá)2MHz。 ● 位置控制 每軸都有兩個(gè)32位位置計(jì)數(shù)器，一個(gè)是芯片內(nèi)部管理驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的邏輯位置計(jì)數(shù)器，另一個(gè)是管理從外部編碼器來的脈沖的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，并可通過內(nèi)部寄存器的設(shè)定，使得當(dāng)位置計(jì)數(shù)器同比較寄存器的大小關(guān)系有變化時(shí)，產(chǎn)生中斷。 ● 實(shí)時(shí)監(jiān)控 在驅(qū)動(dòng)過程中，可以通過實(shí)時(shí)讀取片內(nèi)部寄存器得到邏輯位置、實(shí)際位置、驅(qū)動(dòng)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(hào)控制進(jìn)行定量驅(qū)動(dòng)、連續(xù)驅(qū)動(dòng)；硬件限制；緊急停止；驅(qū)動(dòng)狀態(tài)輸出；脈沖輸出方式選擇；輸入信號(hào)濾波等。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在硬件系統(tǒng)中，PCI9052作為連接CPU與運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸運(yùn)動(dòng)的控制。 該設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的信號(hào)，EESK、EEDO、EEDI、DDCS與串行EEPROM相連；CPU以16位數(shù)據(jù)對(duì)MCX312進(jìn)行控制，使其向外發(fā)出X及Y方向脈沖信號(hào)，以控制兩個(gè)方向軸上的運(yùn)動(dòng)。 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(jìn)而實(shí)現(xiàn)左右方向限位，伺服到位及報(bào)警等功能。編碼器輸入信號(hào)引起MCX312的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器的變化，可以得到兩軸相對(duì)于原點(diǎn)的實(shí)際移動(dòng)位置。通用輸入輸出擴(kuò)展了系統(tǒng)功能，在應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況用作不同的用途。 圖 PCI總線運(yùn)動(dòng)控制卡硬件結(jié)構(gòu)圖 在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一下幾點(diǎn)： (1)根據(jù)PCI協(xié)議規(guī)定，PCI總線的CLK信號(hào)線的長(zhǎng)度為2500mil，其他信號(hào)線的長(zhǎng)度以1500mil以內(nèi)為宜； (2)因系統(tǒng)中多為開關(guān)量輸入輸出，在實(shí)際工作中，應(yīng)盡量避免外界信號(hào)的干擾，為達(dá)到這個(gè)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(huì)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(hào)電平轉(zhuǎn)換過程中會(huì)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； (4)總線信號(hào)PRSNT1#的PRSNT2#中必須有一個(gè)接地，它們表明板卡的存在并提供該板對(duì)電源要求的有關(guān)信息。 函數(shù)庫(kù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制卡給用戶提供了一個(gè)軟硬件的使用平臺(tái)，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(duì)于功能實(shí)現(xiàn)，函數(shù)庫(kù)的編制是必須的。函數(shù)庫(kù)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，編程人員可以使用高級(jí)語(yǔ)言，通過對(duì)庫(kù)函數(shù)的調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)的庫(kù)函數(shù)包括5類。 (1)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(hào)濾波功能設(shè)置等； (2)運(yùn)動(dòng)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(dòng)速度的設(shè)定與讀取、初始速度的設(shè)定與讀取、邏輯/實(shí)際位置計(jì)數(shù)器的設(shè)定與讀取、COMP+/COMP-寄存器的設(shè)定等； (3)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)檢查，包括獲取各軸的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)及插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)； (4)脈沖驅(qū)動(dòng)輸出及設(shè)定，包括兩軸直線插補(bǔ)、順時(shí)針/逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)、定量驅(qū)動(dòng)、連續(xù)驅(qū)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)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(gè)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(hù)系統(tǒng)對(duì)用戶的訪問權(quán)限進(jìn)行了劃分，用戶所處的級(jí)別由系統(tǒng)對(duì)硬件資源進(jìn)行了屏蔽，用戶不能直接訪問硬件資源。為了達(dá)到與硬件通信的目的，必須編寫驅(qū)動(dòng)程序。 用于Windows驅(qū)動(dòng)開發(fā)的工具包括Windriver，DriverStudio以及DDK(Driver Develop Kit)。Windriver使用簡(jiǎn)單，不需要專門的關(guān)于系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的知識(shí)，開發(fā)時(shí)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(zhǎng)；DriverStudio包括DriverWorks，SoftICE，DirverAgent等工具，具有開發(fā)調(diào)試的強(qiáng)大功能，把DDK用類的形式進(jìn)行了封裝，使用簡(jiǎn)單。本文就是利用DriveStudio進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā)的。 DriverWorks提供了DriverWizard向?qū)В盟梢陨沈?qū)動(dòng)程序的框架，其中最為關(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(yùn)動(dòng)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(kuò)展等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、基于PC的數(shù)控系統(tǒng)中。 |
