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

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

1 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢是開放式數(shù)控。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有即插即用、可移植性、可擴展性和可互操作性特點。PC—NC是目前比較實用的一種開放式數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)不變，插入的PC板主要承擔(dān)人一機界面、編程和通信等功能，用以提高系統(tǒng)開放性。此方案為目前主流數(shù)控系統(tǒng)廠商采用，可靠性較高但開放性有限。第二種方案的實時性對PC的CPU要求很高。第三種方案是在PC硬件平臺和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用自主開發(fā)或購買的運動控制卡來實現(xiàn)數(shù)控機床所需的全部功能。其中PC進行非實時處理，實時插補控制由運動控制卡來承擔(dān)，采用這種方案設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)開放性好，人一機界面靈活，非常適合非標準數(shù)控機床的開發(fā)。

文中給出了基于第三種方案的運動控制卡設(shè)計方案，采用CH365型PCI總線接口和MCX314As型運動控制器作為核心硬件，實現(xiàn)運動控制卡的4軸位置、速度、S曲線的加減速控制；直線、圓弧、位模式插補功能：自動原位搜尋功能以及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、自動原位搜尋功能及電子齒輪設(shè)計最有特色。

圖1

2 PCI總線接口電路

目前，計算機總線技術(shù)已由ISA總線發(fā)展到PCI總線，PCI的含義是周邊元件互連(peripheral component interconnect)。PCI局部總線是一種高性能的32位／64位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線，總線時鐘頻率高達33MHz／66MHz，同步控制，猝發(fā)傳送時數(shù)據(jù)傳遞速率高達132MB／s(32位)或264MB／s(64位)[1]。

實現(xiàn)PCI接口的方法有二種：使用復(fù)雜可編程邏輯器件或現(xiàn)場可編程門陣列(如CPLD／FPGA)和使用專用電路(如PCI9052和CH365等)。采用CPLD/FPGA實現(xiàn)PCI接口雖然靈活性高且性能較好，但其IP核的價格較高，而采用專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)廠商提供的配套工具，大大簡化設(shè)計和縮短開發(fā)周期，從而降低開發(fā)成本。

目前市場上有多種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(yīng)對象較廣，但價格較昂貴。南京沁恒公司推出一款CH365型PCI接口電路，該器件性能完全滿足PCI接口規(guī)范，雖然頻率較低(16MHz)，但可滿足設(shè)計需要且使用方便，價格低于國外產(chǎn)品，性價比高。經(jīng)比較，本設(shè)計采用CH365作PCI接口器件。

CH365具有以下滿足本運動控制卡設(shè)計的性能特點：

實現(xiàn)基于32位PCI總線的從設(shè)備接口：

轉(zhuǎn)換為主動并行接口，8位數(shù)據(jù)，16位地址，I／O讀寫,存儲器讀和寫：

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

支持以字節(jié)、字或雙字為單位對I／O端口或者存儲器進行讀寫：

非突發(fā)存取的實測速度高達7MB／s，讀寫脈沖寬度為30ns～240ns可選，滿足運動控制卡要求：

支持長度達240字節(jié)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(nèi)置4μs～1ms的硬件計時單元，用于軟件運行過程中的延時參考[2]。

3 運動控制器

目前傳統(tǒng)的運動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)來實現(xiàn)，系統(tǒng)集成度不夠高，電路復(fù)雜，且軟、硬件研制周期長，性能一致性較難保證。采用專用運動控制器可以提高系統(tǒng)集成度、插補速度及可靠性，同時簡化電路，縮短開發(fā)周期。

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

(1)以固定速度或加／減速度輸出指定數(shù)量的脈沖達到定量驅(qū)動；連續(xù)輸出驅(qū)動脈沖，直至高位的停止命令或外部的停止信號有效時停止實現(xiàn)連續(xù)驅(qū)動。用于快速歸零原點開關(guān)搜尋、掃描操作、控制馬達旋轉(zhuǎn)連續(xù)驅(qū)動速度等。

(2)設(shè)定各線段的加／減速曲線為定速、直線(梯形)加／減速或S曲線加／減速，使用S曲線加／減速可使運動更平滑，但降低了總速度。

(3)每個控制軸都有2個用于控制當(dāng)前位置的32位可逆計數(shù)器，一個是在器件內(nèi)部管理驅(qū)動脈沖輸出的邏輯位置計算器，另一個是管理來自外部編碼器脈沖的實際位置計數(shù)器；另外每個軸還有2個32位比較寄存器，用于比較邏輯位置計數(shù)器和實際位置計數(shù)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，進行直線插補、圓弧插補、位模式插補驅(qū)動。插補坐標范圍是從當(dāng)前位置到一8，388，608～+8，388，608之間，在整個指定的直線插補范圍內(nèi)的插補精度是+0.5LSB．插補速度范圍是1pps～4Mpps；位插補驅(qū)動可以產(chǎn)生任何插補曲線；同時可以進行直線插補→圓弧插補→直線插補的連續(xù)插補驅(qū)動，連續(xù)插補時最高達2Mpos。

(5)加／減速驅(qū)動的定速開始時、定速完畢時、驅(qū)動完畢時、位置計數(shù)器和比較器之間的大小關(guān)系變化時均會產(chǎn)生中斷。此外，連續(xù)插補、位模式插補發(fā)生下一個數(shù)據(jù)請求時位置限制也會產(chǎn)生中斷。

其他功能主要有外部信號控制的驅(qū)動操作、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個通用輸出信號和4個通用輸入信號、驅(qū)動狀態(tài)的輸出[3]。

4 控制卡系統(tǒng)設(shè)計

4.1控制卡硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制卡硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。PCI端的主要信號有地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的輸入／輸出信號(AD[3l-O])、總線命令和字節(jié)使能多路復(fù)用信號(CBE[3-O])、奇偶校驗信號(PAR)、幀周期信號(FRAME)、發(fā)起設(shè)備準備好信號(IRDY)、目標設(shè)備準備好信號(TRDY)、初始化設(shè)備選擇信號(IDSEL)、設(shè)備選擇信號(I)EVSEL)、時鐘輸入信號(CLK)、復(fù)位信號(RST)和中斷信號(INTA)。這些信號完全符合：PCI規(guī)范的要求。

控制卡本地端使用的信號主要有雙向數(shù)據(jù)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／寫控制信號(IOP_RD，IOP_WR)及中斷信號(INTA)。CH365在I／O讀寫控制時只用到8根地址線A[7—0]。在本系統(tǒng)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，執(zhí)行復(fù)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(shè)置電路處于8位數(shù)據(jù)總線訪問方式，這是因為CH365的數(shù)據(jù)傳輸是8位。也正因為這樣，本系統(tǒng)只用到MCX314As的16位數(shù)據(jù)總線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、寫信號線，當(dāng)它們?yōu)榈碗娖綍r，可以對MCX314As進行寄存器的讀寫操作。需要特別注意的是由于本系統(tǒng)采用8位數(shù)據(jù)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，讀寫操作必須訪問2次。A[3：0]用來選擇MCX314As的寄存器地址。BLTSYN連接MCX314As忙信號，處于低電平時不能執(zhí)行寫入命令。MCX-314As只有一個中斷INTN，所有中斷源都需進行“或運算”后輸出到中斷信號端口。與其他運動控制卡相比，本運動控制卡的最大特色是具有位插補功能、自動原位搜尋功能及電子齒輪設(shè)計。

與直線、圓弧插補相比，位插補不是由幾個參數(shù)和指令來產(chǎn)生任一特定的運動控制(如直線、圓弧等)，它需要由上位機提供所有的插補數(shù)據(jù)。而這種插補模式卻有很大的適應(yīng)性，它對插補數(shù)據(jù)沒有任何形式的限制，這無疑為實現(xiàn)樣條插補、特殊函數(shù)曲線插補提供了方便，使得本運動控制卡在加工復(fù)雜輪廓曲線的工件時有很大的優(yōu)越性，尤其適用于仿形機上的應(yīng)用。由于位插補需要大量的插補數(shù)據(jù)，因此如何生成和管理這些數(shù)據(jù)就成為位插補模式應(yīng)用的關(guān)鍵。一般來講，插補數(shù)據(jù)都是由上位機提前生成的，這樣，如何管理這些數(shù)據(jù)使其能及時寫入而讓插補連續(xù)進行就成為本設(shè)計系統(tǒng)的一個關(guān)鍵。針對這些數(shù)據(jù)“先進先出”的特點．本設(shè)計系統(tǒng)采用隊列管理機制，并結(jié)合MCX314As中的堆棧計數(shù)器(SC)，利用中斷不斷地將插補數(shù)據(jù)寫入MCX314As中的4個(正反向各2個)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而保證了位插補的連續(xù)性。位插補的終止有2種方式：向正反方向各2個緩沖區(qū)都寫入l；上位機停止寫入數(shù)據(jù)。

自動原位搜尋功能有助于機床快速歸零到機床參考點。在此功能下，設(shè)計系統(tǒng)按選定軸負方向高速驅(qū)動至原點附近，然后以低速驅(qū)動直到原點信號或編碼器Z信號激活而停止。再以設(shè)定的驅(qū)動速度往正方向快速歸零到機床參考點。與其他控制系統(tǒng)的通過程序?qū)崿F(xiàn)機制相比，該功能更為簡單方便。

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聯(lián)動插補。第三軸按設(shè)定的螺距跟隨極角坐標軸進給。在一般三軸加工中，上位機發(fā)送來的加工數(shù)據(jù)都為3維增量坐標，這里的第三軸增量坐標數(shù)據(jù)由設(shè)定的螺距決定，而M(2X314As的速度是按合成速度來控制的，這樣就會出現(xiàn)下述情況：當(dāng)粗加工螺距設(shè)定很大時。第三軸數(shù)據(jù)值就大，速度分量也很大，導(dǎo)致其它2軸速度分量大大降低，影響加工效率與質(zhì)量。考慮到這種情況，本系統(tǒng)基于電子隨動原理設(shè)計了電子齒輪，1軸可以按設(shè)定的比率從動于其他3軸中的任意l軸(類似機械齒輪傳動)，也可以解除這種從動關(guān)系的設(shè)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(shù)據(jù)，而第三軸按設(shè)定的傳動比率跟隨前者中的某一軸，從而理想地解決了這個難題。

    為了提高反饋脈沖的分辨率，本設(shè)計系統(tǒng)還采用了4倍頻電路設(shè)計，對電動機的編碼反饋脈沖進行4倍頻處理。

為了提高板卡的集成度，本系統(tǒng)使用VHDL硬件描述語言在(2PLD(MAX7000)中實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)對電機的控制脈沖由MCX314As產(chǎn)生，并根據(jù)需要選擇是否采用電子齒輪傳動方式，然后經(jīng)差分驅(qū)動輸出驅(qū)動器產(chǎn)生差分驅(qū)動輸出，既可以控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器，也可以控制步進電機驅(qū)動器。電機編碼器反饋信號(A、B、Z)經(jīng)過高速光電隔離后輸入CPLD，經(jīng)過4倍頻后傳輸給MCX314As的實際位置寄存器，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)及外部手動控制信號要經(jīng)過光電隔離才能輸入MCX314As。

本系統(tǒng)采用MCX314As默認的16MHz頻率作為時鐘信號。該時鐘決定了每個軸的正／負方向的驅(qū)動脈沖時間周期。圖2示出MCX314As的時鐘電路[4]。

4.2控制卡系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制卡系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是板卡驅(qū)動程序設(shè)計、CPLD硬件語言描述程序和MCX314As功能驅(qū)動函數(shù)設(shè)計。本系統(tǒng)的驅(qū)動程序主要是圍繞(2H365來實現(xiàn)該板卡與PC的接口功能，選用DriverStudio 2.6開發(fā)工具，快速有效地開發(fā)了在Windows環(huán)境下用戶級的WDM設(shè)備驅(qū)動程序，向該板卡的運用程序提供I／O基址、中斷號等。CPLD硬件語言描述程序是用VHDL編寫的，主要實現(xiàn)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(qū)動函數(shù)設(shè)計是用于MCX314As的初始化、速度和加速度設(shè)置、直線插補、圓弧插補、歸零搜索(1IOME)、硬件限位、位插

補、數(shù)字信號的輸入／輸出和中斷信號處理等功能函數(shù)設(shè)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(jié)束語

使用高集成度的MCX314As型運動控制器能實現(xiàn)4軸控制或3軸聯(lián)動的位置、速度、加速度控制，并能實現(xiàn)直線、圓弧、位3種模式的連續(xù)插補，具有接口簡單、易于編程、工作可靠的特點。采用CH365作為PCI—ISA的橋接口，大大簡化了PCI接口的設(shè)計。與其他以DSP或微控制器為控制核心的運動控制器相比，本設(shè)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、實時性好、適合列表曲線仿型加工時犬?dāng)?shù)據(jù)量快速連續(xù)加工的特點。