基于MCX314步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)(論文).doc

摘 要 數(shù)控機(jī)床在整個(gè)現(xiàn)代制造業(yè)中處于基礎(chǔ)性的 核心的地位 在現(xiàn)代制造系統(tǒng)朝 著集成化 綜合化和智能化發(fā)展的今天 特別是計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及化 深入研究 新一代數(shù)控技術(shù)具有重要的意義 目前 以 DSP 為代表的高速高性能專用微處理器 構(gòu)成的運(yùn)動控制器的數(shù)控系統(tǒng)成為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 運(yùn)動控制器將成為未來數(shù) 控系統(tǒng)的核心 在本設(shè)計(jì)中 我們選用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運(yùn)動控制專用芯 片 MCX314 MCX314 由硬件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制算法 使得編程方便 接口簡 單 工作可靠 給運(yùn)動控制帶來極大方便 可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床 機(jī)器人等領(lǐng)域 的運(yùn)動控制 在 MCX314 的基礎(chǔ)上 我們擬定了兩種運(yùn)動控制器的實(shí)現(xiàn)方案 并選 定基于 ARM 芯片為主控制器的實(shí)現(xiàn)方案 即采用 AT91FR40162 和 MCX314 作為主 要芯片 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制功能 設(shè)計(jì)完成基于 AT91FR40162 和 MCX314 的控 制器硬件電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)了 RS232 串行接口和 CAN 總線接口實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備通信 分析了軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并完成部分程序編寫 主要包含基本的測試操作函數(shù)和運(yùn)動控 制函數(shù) 關(guān)鍵字 MCX314 AT91FR40162 運(yùn)動控制器 TitleTitle Design of Motion Controller Based On MCX314 AbstractAbstract Numerical control machine is on the basic and kernel position in the modern manufacture With the modern manufacture system integrated colligated and intelligent especial the computer technology development and dissemination studying the new generation numerical control and dynamics control technology is significant At present the numerical control system with motion controller is becoming to the numerical control technique development tide motion controller will be to kernel of future numerical control system We select DSP dynamics control special purpose chip MCX314 made in NOVA electron corporation in our design MCX314 can realize the complex motion control allergic with hardware so it has advantage of convenient programming simple interface and reliable work It s very convenient to motion control and can be applied to numerical control machine tool robot etc Based on MCX314 we design two scheme of motion controller and select the scheme which base on ARM AT91FR40162 and MCX314 are main chips the complex motion control function can be realized In our design the hardware circuit of controller was completed the RS232 interface and CAN bus interface were designed so that the controller can communicate with other device The software structure feature is discussed and some program was finished including basic test function and motion control function keywords keywords MCX314 AT91FR40162 Dynamics Controller 目目 次次 1 緒論 1 1 1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 1 1 2 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 2 1 3 論文主要工作 4 2 運(yùn)動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 5 2 1 運(yùn)動控制系統(tǒng) 5 2 2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng) 6 2 3 方案的制定 7 2 4 MCX314 芯片 9 2 5 AT91FR40162 芯片介紹 13 2 6 CAN 總線技術(shù) 14 2 7 本章小結(jié) 15 3 電路的運(yùn)動控制器的硬件設(shè)計(jì) 16 3 1 硬件設(shè)計(jì) 16 3 2 電路的抗干擾設(shè)計(jì) 23 3 3 本章小結(jié) 24 4 軟件設(shè)計(jì) 25 4 1 系統(tǒng)工作流程 25 4 2 控制程序特點(diǎn)與編寫 26 4 3 串口通信 28 4 4 本章小結(jié) 29 結(jié) 論 30 致 謝 31 參 考 文 獻(xiàn) 32 附錄一 總體電路圖 34 附錄二 總體電路的 PCB 圖 36 目目 次次 1 緒論 1 1 1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 1 1 2 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 2 1 3 論文主要工作 4 2 運(yùn)動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 5 2 1 運(yùn)動控制系統(tǒng) 5 2 2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng) 6 2 3 方案的制定 7 2 4 MCX314 芯片 9 2 5 AT91FR40162 芯片介紹 13 2 6 CAN 總線技術(shù) 14 2 7 本章小結(jié) 15 3 電路的運(yùn)動控制器的硬件設(shè)計(jì) 16 3 1 硬件設(shè)計(jì) 16 3 2 電路的抗干擾設(shè)計(jì) 23 3 3 本章小結(jié) 24 4 軟件設(shè)計(jì) 25 4 1 系統(tǒng)工作流程 25 4 2 控制程序特點(diǎn)與編寫 26 4 3 串口通信 29 4 4 本章小結(jié) 29 結(jié) 論 31 致 謝 32 參 考 文 獻(xiàn) 33 附錄一 電路原理圖 35 附錄二 電路 PCB 圖 37 1 緒論緒論 制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) 制造業(yè)水平的高低是衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)達(dá)程 度的重要標(biāo)志 大力發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)已成為世界各國最重要的幾大技術(shù)戰(zhàn)略之 一 先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是國際競爭與產(chǎn)品革新的一種重要手段 近年來 世界范圍 內(nèi)出現(xiàn)了研究應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)的浪潮 以機(jī)械制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)己成為 當(dāng)代國際間科技競爭的重點(diǎn) 許多國家制定了相應(yīng)的計(jì)劃 其中最具代表性的是美 國的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃 AMT 韓國的高級先進(jìn)技術(shù)國家計(jì)劃 日本的智能制造計(jì) 劃 IMS 和德國制造 2000 計(jì)劃等 在我國 先進(jìn)制造技術(shù)的重要性業(yè)已引起各界的 認(rèn)識和重視 被列為 九五 計(jì)劃和 2010 年中長期科研發(fā)展規(guī)劃中的主要關(guān)鍵技術(shù) 和重要發(fā)展方向 5 6 44 數(shù)控機(jī)床在整個(gè)現(xiàn)代制造系統(tǒng)中處于基礎(chǔ)性的 核心的地位 5 因此 在現(xiàn)代 制造系統(tǒng)朝著集成化 綜合化和智能化發(fā)展的今天 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展與普及 化 深入研究新一代數(shù)控技術(shù)具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值 1 1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng) Numerical Control System 是一種控制系統(tǒng) 它能自動完成信息的輸入 譯碼 運(yùn)算 從而控制機(jī)床的運(yùn)動和加工過程 早期的數(shù)控系統(tǒng)采用數(shù)字邏輯電路構(gòu)成 1952 年誕生的第一代為電子管式 1959 年發(fā)展為第二代晶體管式 1965 年出現(xiàn)了第三代的小規(guī)模集成電路式數(shù)控系統(tǒng) 這三代數(shù)控系統(tǒng)的所有功能均由硬件實(shí)現(xiàn) 所以稱為硬件數(shù)控系統(tǒng) 這種數(shù)控系統(tǒng) 沒有通用性和靈活性 所以其應(yīng)用范圍受到很大限制 可靠性較低 造價(jià)較高 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 1970 年出現(xiàn)了通用小型計(jì)算機(jī) 于是將它移植過來作 為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件 出現(xiàn)了第四代數(shù)控系統(tǒng) 即計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 系統(tǒng) 1974 年 微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)后 發(fā)展為第五代數(shù)控系統(tǒng) 即現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng) CNC 系統(tǒng)特別是現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)的主要功能 如插補(bǔ)運(yùn)算 刀具補(bǔ)償 用戶數(shù)控程 序的預(yù)處理 刀具加工軌跡仿真等均由軟件實(shí)現(xiàn) 所以 CNC 系統(tǒng)又稱為軟件數(shù)控系 統(tǒng) 自從出現(xiàn)了現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)以后 才從根本上解決了數(shù)控系統(tǒng)可靠性低 價(jià)格昂 貴 應(yīng)用不便 主要是編程困難 等關(guān)鍵問題 到 70 年代末 80 年代初 現(xiàn)代 CNC 系 統(tǒng)進(jìn)入成熟期 并在工業(yè)化國家形成產(chǎn)業(yè)化 數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床開始批量生產(chǎn)和 投放市場 數(shù)控技術(shù)在其它領(lǐng)域也得到了普及應(yīng)用 CNC 技術(shù)的應(yīng)用為制造業(yè)帶來異常深刻的變革 但是 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā) 展 對 CNC 系統(tǒng)提出了越來越高的要求 從完成功能上看 一方面 CNC 系統(tǒng)必須 適應(yīng) DNC CAD CAM 及 CIMS 的發(fā)展 能提供一個(gè)可以集成不同開發(fā)商提供的軟 件并適合聯(lián)網(wǎng)需要的平臺 另一方面 隨著數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)械制造 冶金 紡織 印 刷 軍工等行業(yè)的應(yīng)用日益增多 中小批量生產(chǎn)的趨勢日益增強(qiáng) 必須根據(jù)不同的 用戶需求 迅速 高效 低成本地構(gòu)筑面向用戶的數(shù)控系統(tǒng) 這就要求 CNC 系統(tǒng)具 有模塊化和重新配置的特點(diǎn) 從使用的角度看 新型 CNC 系統(tǒng)應(yīng)能運(yùn)用于各種計(jì)算 機(jī)軟硬件平臺上 并提供統(tǒng)一風(fēng)格的用戶交互環(huán)境 以便于用戶的操作 維護(hù)和更 新?lián)Q代 還應(yīng)能在普及型個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)上 簡便地應(yīng)用系統(tǒng)所配置的軟件 模塊和硬件運(yùn)動控制插件卡 機(jī)床制造商和用戶能夠方便的進(jìn)行軟件開發(fā) 追加功 能和實(shí)現(xiàn)功能的個(gè)性化 使 CNC 系統(tǒng)具有 PC 的高速分析運(yùn)算能力 大容量存儲功 能 各種軟件的支撐 圖文顯示的優(yōu)勢以及聯(lián)網(wǎng)的靈活性 顯然 現(xiàn)代的封閉式結(jié) 構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)根本無法滿足這些要求 數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商為了保持自己的市場競爭力 必須尋求更好的技術(shù)手段 使 他們的專用技術(shù)能夠隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代而順利的升級 不必為 CNC 產(chǎn)品換 代而自己開發(fā)所有的軟 硬件功能模塊 在這種情況下 基于 PC 國外稱為 PC BASED 的第六代數(shù)控系統(tǒng) 開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)便成應(yīng)運(yùn)而生 7 9 16 17 1 2 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀 進(jìn)入 90 年代以來 為了適應(yīng)時(shí)代的要求 世界上一些研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商先后 開展了開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究 1 2 1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念 根據(jù) IEEE 關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義 能夠在多種不同的平臺上運(yùn)行 可以和其 他系統(tǒng)的應(yīng)用互操作 并能給用戶提供一種一致風(fēng)格的交互方式 開放式體系結(jié)構(gòu) 普遍采用模塊化 層次化的結(jié)構(gòu) 并通過各種形式向外提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口 具有可移植性 可擴(kuò)展性 互操作性和縮放性等特點(diǎn) 即系統(tǒng)組成的內(nèi)部開放化和 系統(tǒng)組成各部件之間的開放化 15 17 開放式系統(tǒng)具有以下基本特征 1 開放性 提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺 允許不同功能和不同開發(fā)商的軟硬 件模塊介入 2 可互操作性 通過提供標(biāo)準(zhǔn)化接口 通信和交互機(jī)制 使不同的功能模塊 能與標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺之上 并獲得平等的相互操作能力 協(xié)調(diào) 工作 3 可移植性 系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無關(guān) 即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式 交互模 型 控制機(jī)理 使構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊可來源于不同的開發(fā)商提供的硬件平臺 之上 4 可擴(kuò)展性 CNC 系統(tǒng)的功能 模塊可以靈活設(shè)置 方便修改 既可以增 加硬件或軟件構(gòu)成功能更強(qiáng)的系統(tǒng) 也可以裁減其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用 5 可互換性 不同性能 不同可靠性和不同能力的功能模塊可以相互替代 而不影響系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行 具有上述基本特征的數(shù)控系統(tǒng)可以稱為開放式數(shù)控系統(tǒng) 這種開放式控制系統(tǒng) 體系結(jié)構(gòu)并不是現(xiàn)有控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的簡單集合 而是在博采眾長的基礎(chǔ)上 反 映控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的產(chǎn)物 它將引導(dǎo)開放式控制系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展 并對 技術(shù)的發(fā)展起一定的指導(dǎo)作用 在該體系結(jié)構(gòu)中 提供的是概念性和功能性的結(jié)構(gòu) 而不是系統(tǒng)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)的精確定義 1 2 2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 國際上與開放性數(shù)控的項(xiàng)目相關(guān)的項(xiàng)目比較多 早在 80 年代 為了擬訂并推進(jìn) 關(guān)于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細(xì)分析與規(guī)范 美國國防部就開始了名為 下一代 控制器 NGC 的計(jì)劃 目前最具影響力的是分別由歐洲各國 美國及日本進(jìn)行的 OSACA OMAC OSE 因而這三個(gè)計(jì)劃的發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了開放性數(shù)控的發(fā) 展現(xiàn)狀 與國際先進(jìn)水平相比 我國國內(nèi)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于初級階段 主 要采用在工業(yè) PC 或普通 PC 的總線插槽上插入運(yùn)動控制卡和 I O 卡 配以自行開發(fā) 的控制軟件來完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能 目前己有的開放性數(shù)控系統(tǒng)主要有四種 華中 I 型 中華 I 型 航天 I 型和藍(lán)天 I 型 控制系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將導(dǎo)致新 一代控制器的產(chǎn)生 并成為未來制造業(yè)的一大支柱 控制器結(jié)構(gòu)的開放性為數(shù)控技 術(shù)能持續(xù)不斷地吸收日新月異的計(jì)算機(jī)硬軟件最新成果創(chuàng)造了條件 有利于數(shù)控產(chǎn) 品自身的更新?lián)Q代 提高性能 增強(qiáng)競爭力 這正是開放式 NC 控制器之所以被各 發(fā)達(dá)國家視為重要的戰(zhàn)略技術(shù) 紛紛投入研究的重要原因 制造業(yè)第三次革命的開 放式控制系統(tǒng)的研究 為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的契機(jī) 我們應(yīng)該抓住這一 大好時(shí)機(jī) 迅速開展并深化我國的開放性控制系統(tǒng)的研究 縮小我國制造業(yè)水平與 發(fā)達(dá)國家之間的差距 18 19 36 1 31 3 論文主要論文主要工作工作 目前 由于以 DSP 為代表的高速高性能專用微處理器的出現(xiàn)和 PC 機(jī)的廣泛普 及 采用運(yùn)動控制器的數(shù)控系統(tǒng)將成為新一代數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流 運(yùn)動控制器將成 為未來數(shù)控系統(tǒng)的核心 在本設(shè)計(jì)中 我們選用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運(yùn)動控制專用芯 片 MCX314 MCX314 由硬件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制算法 使得編程方便 接口簡 單 工作可靠 給運(yùn)動控制帶來極大方便 可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床 機(jī)器人等領(lǐng)域 的運(yùn)動控制 基于 MCX314 運(yùn)動控制器具有處理能力強(qiáng) 開放程度高 運(yùn)動軌跡控 制準(zhǔn)確 通用性好的特點(diǎn) 論文的內(nèi)容包括 1 數(shù)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 確定課題方案 2 AT91FR40162 MCX314 運(yùn)動控制器的硬件設(shè)計(jì) 3 運(yùn)動控制器的測試軟件設(shè)計(jì) 包括一些基本的功能函數(shù)和測試?yán)?4 總結(jié)和后期展望 2 2 運(yùn)動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定運(yùn)動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 2 12 1 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制的實(shí)質(zhì)是根據(jù)預(yù)定的方案 將上位控制系統(tǒng)做出的決策命令變成某種 期望的機(jī)械運(yùn)動 以得到確定的位置 速度 加速度或特定的運(yùn)動形式 一個(gè)完整 的運(yùn)動控制系統(tǒng)通常由上位控制器 驅(qū)動器 執(zhí)行電機(jī) 機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和位置檢測 元件等組成 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 1 所示 26 35 圖 2 1 運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 上位控制器將分析 計(jì)算所得出的決策命令以數(shù)字脈沖信號或模擬電壓信號的 形式送到電機(jī)驅(qū)動器中 驅(qū)動器進(jìn)行功率變換 并驅(qū)動伺服電機(jī)根據(jù)上位指令轉(zhuǎn)動 電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動 便可以得到預(yù)期的運(yùn)動參數(shù)和運(yùn)動形式 上 位控制器通常是運(yùn)動控制卡 具有運(yùn)動控制功能的 PLC 數(shù)控系統(tǒng) CNC 或單片機(jī) 系統(tǒng)等 數(shù)字化執(zhí)行電機(jī)的受控性能較好 已在運(yùn)動控制系統(tǒng)中普遍應(yīng)用 如步進(jìn)電機(jī) 或數(shù)字式交流伺服電機(jī)等 位置檢測裝置有脈沖編碼器 旋轉(zhuǎn)變壓器 感應(yīng)同步器 光柵 磁尺及激光干 涉儀等 基于以上對運(yùn)動控制系統(tǒng)的簡要分析 可對其作如下定義 運(yùn)動控制系統(tǒng)是集 機(jī)械 電子 計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的軟硬件系統(tǒng) 它根據(jù)預(yù)定的方案 將上位控制系 統(tǒng)做出的命令變成某種期望的機(jī)械運(yùn)動 使控制目標(biāo)得到精確的位置 速度 加速 度 或具有特定規(guī)律的運(yùn)動形式 2 22 2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng) 不管是那一種類型的步進(jìn)電機(jī) 其運(yùn)動控制系統(tǒng)都是相似的 如圖 2 2 是典型 的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主要由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 和步進(jìn)電機(jī)三部分組成 35 39 40 圖 2 2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器主要包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分 其中環(huán)形分配器又 稱脈沖分配器 它根據(jù)運(yùn)行指令按一定的邏輯關(guān)系分配脈沖 通過功率放大器加到 步進(jìn)電機(jī)的各相繞組 使步進(jìn)電機(jī)按一定的方式運(yùn)行 并實(shí)現(xiàn)正 反轉(zhuǎn)控制和定位 控制 由于輸出的功率極小 只有幾毫安電流 而步進(jìn)電機(jī)相繞組一般需要幾安至 十幾安的電流 脈沖電流幅值直接影響步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小 所以脈沖分配器不能 直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作 必須通過功率放大器進(jìn)行放大 才能給步進(jìn)電機(jī)各相繞組 提供足夠的電流 此外 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器在相數(shù) 通電狀態(tài) 電壓 電流上要符合 所控制的步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)要求 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制器則是控制系統(tǒng)的核心部分 它根據(jù)控制要求提供給步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動控制信號 該控制信號包括脈沖信號 脈沖方向信號 控制方式信號 運(yùn)動 控制器提供給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號是標(biāo)準(zhǔn)的信號 不論哪種驅(qū)動器都接受這樣的標(biāo) 準(zhǔn)信號 從而為開放式的控制提供了標(biāo)準(zhǔn)接口 這樣為步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)動控制器 就可根據(jù)不同的需要與不同的驅(qū)動器連接使用 為了控制的方便 步進(jìn)電機(jī)一般可以有兩種不同的控制模式可供選擇 控制模 式就是由控制方式信號來設(shè)置的 一種是方向 脈沖模式 在這種控制模式下 脈沖 信號控制的是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動 脈沖方向信號控制的是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動方向 即正 反轉(zhuǎn) 另一種是脈沖模式 此時(shí)這兩路信號分別控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)動 這樣對于某些只需要一個(gè)方向運(yùn)動的應(yīng)用場合 可以省去一路信號 簡化設(shè)計(jì) 2 32 3 方案的方案的制定制定 在本課題的總體方案中 我們首先選定的是日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運(yùn)動控制專用芯片 MCX314 高集成度 MCX314 運(yùn)動控制專用芯片能實(shí)現(xiàn) 4 軸 3 聯(lián)動的位置 速度 加速度控制和直線 圓弧 位元 3 種模式的連續(xù)插補(bǔ)和位 置閉環(huán)控制 其性能優(yōu)良 接口簡單 編程方便 工作可靠 給運(yùn)動控制帶來極大 方便 可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床 機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動控制 1 13 14 然后 在 MCX314 的基礎(chǔ)上 我們做了兩種方式的運(yùn)動控制器的研究和探討 具體來說 第一種方式是做成外置式的獨(dú)立運(yùn)動控制器 通常采用微處理器或單片 機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng) 這種方法的軟 硬件設(shè)計(jì)相對簡單 傳統(tǒng)的運(yùn)動控制裝置采用單 片機(jī)為控制器 由于單片機(jī)處理速度較低 計(jì)算速度慢 在進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動控制中 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和可靠性受到制約 控制精度不理想 本方案擬采用 ARM7 芯片作 為核心處理器來控制 MCX314 ARM 實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)的通信 控制器還包含 CAN 總 線接口來與其他設(shè)備通訊 第二種方式是做成 PCI 總線的控制卡 可以直接嵌入到 PC 機(jī)內(nèi)部 PC 機(jī)通過 PCI 總線來訪問和控制 MCX314 整個(gè)板卡的結(jié)構(gòu)如圖 2 3 所示 圖 2 3 板卡結(jié)構(gòu)圖 該方案是采用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運(yùn)動控制專用芯片 MCX314 基于 MCX314 做成 PCI 總線接口的運(yùn)動控制卡 有了相應(yīng)的 PCI 驅(qū)動程 序 運(yùn)動控制卡便成為可以讓 PC 機(jī)操作系統(tǒng)識別的一部分 主體是 PC 機(jī)通過 PCI 總線實(shí)現(xiàn)對 MCX314 的控制 中間是一個(gè) PCI 橋芯片 PCI9052 還有輸入輸出電路 和 MCX314 的基本外圍電路 在第二種方案中 由于 MCX314 是 8 16 位總線結(jié)構(gòu) 屬低端總線 方便與 ISA 總線連接 而要實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī) PCI 總線的接口設(shè)計(jì) 就必須有接口芯片作 PCI 總線 到 ISA 總線的轉(zhuǎn)換 相當(dāng)于在 PCI 總線和 ISA 總線之間架設(shè)了一座橋梁 可以選用 PCI9052 芯片實(shí)現(xiàn) PCI 總線與 MCX314 芯片的接口 由 PC 機(jī)通過 PCI 總線接口直 接對 MCX314 進(jìn)行控制 但設(shè)計(jì)的硬件和軟件的復(fù)雜性加大 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和開 放性受到限制 系統(tǒng)的響應(yīng)速度在很大程度上依賴于 CPU 受處理器的影響比較大 成本也較高 系統(tǒng)升級較為困難 所以綜合考慮本設(shè)計(jì)選用第一種方案 采用 ARM7 系列中的 AT91FR40162 具有以下的好處 21 22 23 1 提高控制性能 采用成熟 32 位的 ARM 處理器來控制 可以提高系統(tǒng)可測 的反映類型和相應(yīng)的項(xiàng)目 2 提高系統(tǒng)可靠性 AT91FR40162 是一款基于 ARM 內(nèi)核的 32 位 RISC 構(gòu)架 的處理器 其體積小 低功耗 低成本 性能高 支持 Thumb 16 位 ARM 32 位 雙指令集 能很好的兼容 8 位 16 位器件 采用此芯片后 控制器的硬件器件大 為減少 軟件程序大為縮短 均有助提高可靠性 21 3 提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性 4 降低軟件研發(fā)成本 軟件開發(fā)簡單 快捷 可以有更少的軟件研發(fā)人員花 更少的時(shí)間完成復(fù)雜的運(yùn)動控制編程 因此采用 AT91FR40162 作為中央處理器 能夠提高系統(tǒng)性能 得到更優(yōu)秀的控 制特性 采用運(yùn)動控制芯片 MCX314 由其來完成復(fù)雜的運(yùn)動控制算法 控制器具有 精度高 運(yùn)行穩(wěn)定 實(shí)時(shí)性好 抗干擾能力強(qiáng) 性價(jià)比高的特點(diǎn) 該控制器包含 CAN 總線和 RS232 串行接口來與其他設(shè)備通訊 功能更專 成本更低 另可實(shí)現(xiàn)基 于操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng) 加上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性 小型化 專用化和 高可靠性 從而克服了傳統(tǒng)的基于單片機(jī)控制系統(tǒng)功能不足 本系統(tǒng)采用的是第一種方案 下面的章節(jié)對其作了詳細(xì)地介紹 這里我們先分 別談一下課題總體方案中的幾個(gè)重點(diǎn)部分 MCX314 芯片 CAN 總線 ARM 微處 理器 2 4 MCX314 芯片芯片 MCX314 是一個(gè)用于實(shí)現(xiàn) 4 軸運(yùn)動控制的集成電路 通過這個(gè)集成電路可以控 制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動的 4 軸的位置 速度 和插補(bǔ) MCX314 的所有功能都是由特定的寄存器控制的 例如命令寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài)寄存器和配置寄存器等 1 13 14 結(jié)構(gòu)圖見圖 2 4 圖 2 4 MCX314 結(jié)構(gòu)框圖 2 4 1 MCX314功能分析 1 4 軸控制 4 軸都有著相同的功能能力 并且允許至多 3 軸聯(lián)動 對于恒速驅(qū)動 線形或 S 曲線驅(qū)動都有著相同的操作方法 2 脈沖輸出 MCX314 不僅可以輸出固定的脈沖數(shù) 也可以連續(xù)不斷地輸出脈沖 輸出脈沖 的模式有兩種 一種是脈沖 方向電平模式 另一種是正向脈沖 負(fù)向脈沖模式 3 恒速控制 恒速控制功能允許在不同的插補(bǔ)進(jìn)行改換時(shí)保持運(yùn)動速度不變 在插補(bǔ)驅(qū)動中 MCX314 可以將 2 軸同步脈沖輸出設(shè)置為 1 44 倍脈沖周期 而將 3 軸同步脈沖輸出 設(shè)置為 1 732 倍脈沖周期 4 速度控制 MCX314 可以以較小的誤差合成在其頻率范圍內(nèi)的任何頻率 每根單獨(dú)的軸被 獨(dú)立的預(yù)置為 S 曲線或梯形加 減速 使用 S 曲線加 減速命令可以使輸出脈沖按拋 物線規(guī)律進(jìn)行加 減速 除此之外 MCX314 還有一套特殊的方法來防止當(dāng)使用 S 曲 線命令時(shí)產(chǎn)生三角形曲線情況的發(fā)生 對于恒速驅(qū)動 梯形或 S 曲線加 減速驅(qū)動 輸出脈沖的頻率范圍從 1Hz 到 4MHz 而輸出脈沖頻率的精度 在時(shí)鐘頻率為 16MHz 時(shí) 小于 0 1 驅(qū)動脈沖輸出的速度可以在不運(yùn)行的時(shí)候自由改變 5 位置控制 每個(gè)軸都有 1 個(gè) 32 位的邏輯位置計(jì)數(shù)器和 1 個(gè) 32 位的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器 邏輯 位置計(jì)數(shù)器記錄輸出的位置脈沖 而實(shí)際位置計(jì)數(shù)器則記錄從外部編碼器或者線性 比例尺中輸入的反饋脈沖 6 比較寄存器和軟件限位 每個(gè)軸都有 2 個(gè) 32 位比較寄存器 1 個(gè)為邏輯位置計(jì)數(shù)器 另外 1 個(gè)為實(shí)際位 置計(jì)數(shù)器 比較結(jié)果可從狀態(tài)寄存器讀出 也可通過中斷報(bào)出 這些寄存器也可被 用來實(shí)現(xiàn)軟件限位 7 直線插補(bǔ) 運(yùn)用 MCX314 的直線插補(bǔ) 任意選擇的 2 軸或 3 軸都可以實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動 運(yùn)動 位置邊界的坐標(biāo)界于 8388608 8388607 之間 同時(shí)線性誤差為 0 5 最小插補(bǔ) 單位 插補(bǔ)頻率范圍為 1Hz 4MHz 8 圓弧插補(bǔ) 任意選擇 2 軸都能實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ) 其邊界坐標(biāo)界于 8388608 8388607 之間 同時(shí)圓弧誤差為 1 0 最小插補(bǔ)單位 插補(bǔ)頻率范圍為 1Hz 4MHz 9 位模式插補(bǔ) 對任意選擇的 2 軸或 3 軸 MCX314 可以實(shí)現(xiàn)位模式插補(bǔ) 這種插補(bǔ)的數(shù)據(jù)由 上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算 上位機(jī)將插補(bǔ)結(jié)果寫入 MCX314 然后 MCX314 在預(yù)置的驅(qū)動速 度下連續(xù)輸出插補(bǔ)脈沖 這樣 通過使用這種模式 MCX314 可以實(shí)現(xiàn)各種形狀的 曲線進(jìn)行插補(bǔ) 10 連續(xù)插補(bǔ) MCX314 允許不同的插補(bǔ)方式連續(xù)使用 例如直線插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ) 直線插 補(bǔ) 不間斷的連續(xù)插補(bǔ)時(shí)允許的最大速度為 2MPPS 11 單步插補(bǔ) MCX314 還可以在單步插補(bǔ)情況下輸出脈沖 即當(dāng)所有參數(shù)設(shè)定完成之后 一 旦上位機(jī)寫入 1 次單步指令 或者外部輸入 1 個(gè)下降沿信號 MCX314 將輸出 1 個(gè) 脈沖 12 中斷信號 中斷信號可以由幾種不同的情況產(chǎn)生 例如 恒速的開始 結(jié)束 移動的結(jié)束 以及由比較寄存器觸發(fā)等等 在插補(bǔ)運(yùn)動過程中也可以產(chǎn)生中斷信號 13 由外部信號驅(qū)動 每個(gè)軸的脈沖輸出也可以是外部信號驅(qū)動的 選擇定長脈沖驅(qū)動或是連續(xù)脈沖 驅(qū)動由外部管腳控制 這個(gè)功能可用于低速運(yùn)行或是示教 以減輕 CPU 的負(fù)載 14 輸入 輸出信號 除急停信號 硬件限位信號以外 每個(gè)軸都有 4 個(gè)輸入信號來實(shí)現(xiàn)減速和制動 這些輸入信號可以在機(jī)械原點(diǎn)附近以及在回零過程中對編碼器零信號執(zhí)行高速查詢 每個(gè)軸另有 8 個(gè)通用輸出點(diǎn) 15 伺服電機(jī)反饋信號 每一個(gè)軸都包括輸入連接管腳 這些管腳用來接收在閉環(huán)位置控制中所需要的 兩相編碼信號 伺服報(bào)警信號以及到位信號 16 實(shí)時(shí)監(jiān)控 在驅(qū)動操作的任何一個(gè)狀態(tài) 命令指定的位置 實(shí)際位置 驅(qū)動速度 加 減速 等狀態(tài)都可以被讀出 17 可用 8 位或 16 位數(shù)據(jù)總線 MCX314 可以與 8 位或 16 位 CPU 相連 使用不同的設(shè)置 進(jìn)行 8 位或 16 位數(shù) 據(jù)操作 2 4 2 MCX314 工作方式 與 MCX314 的數(shù)據(jù)交換 主要通過以 WR 開頭的 8 個(gè)寫寄存器和以 RR 開頭的 8 個(gè)讀寄存器 其中數(shù)字相同的寄存器有相同的映射地址 1 命令寄存器 WR0 MCX314 中的這個(gè)寄存器主要用來設(shè)定命令 包括用于軸設(shè)定 命令字以及復(fù) 位命令的各位 在向此寄存器寫入軸設(shè)定字和命令字后 它將立即執(zhí)行 某些命令 在寫入 WR0 之前 應(yīng)先寫入 WR6 和 WR7 2 模式寄存器 WR1 4 軸都有各自的狀態(tài)寄存器 哪個(gè)寄存器被寫 取決于由 NOP 指令的指定或?qū)?前的情況 WR1 可以控制輸入信號與中斷信號的使能 并用于設(shè)定減速狀態(tài)和比較 結(jié)果寄存器 3 模式寄存器 WR2 WR2 被用于設(shè)定外部限位開關(guān)輸入 反饋計(jì)數(shù)器脈沖類型以及伺服驅(qū)動的反饋 信號 4 模式寄存器 WR3 4 根軸都有各自的 WR3 哪個(gè)狀態(tài)寄存器這會被讀 同樣取決于已被指定的軸 或用 NOP 指令指定的軸 WR3 可用于操作手動減速 單獨(dú)減速 S 曲線加 減速 外部操作模式設(shè)定和通用輸出的設(shè)定 5 輸出寄存器 WR4 該寄存器用于設(shè)定軸的通用輸出信號 6 插補(bǔ)模式寄存器 WR5 該寄存器被用于指定插補(bǔ)軸 包括直線定速模式 單步插補(bǔ)輸出模式和中斷請 求 7 數(shù)據(jù)寄存器 WR6 WR7 數(shù)據(jù)寄存器 WR6 WR7 在操作與數(shù)據(jù)相關(guān)的命令時(shí)使用 在將命令字寫入 WR0 之前 應(yīng)先將數(shù)據(jù)寫入 WR6 和 WR7 WR6 用來存放數(shù)據(jù)的低字 WR7 用來存放 數(shù)據(jù)的高字 8 主狀態(tài)寄存器 RR0 該寄存器用來顯示軸驅(qū)動與錯(cuò)誤的狀態(tài) 此外 它還顯示了插補(bǔ) 連續(xù)插補(bǔ)的 就緒信號 圓弧插補(bǔ)的象限和 BP 插補(bǔ)的堆棧計(jì)數(shù)器 9 狀態(tài)寄存器 RR1 每個(gè)軸都有狀態(tài)寄存器 RR1 哪個(gè)狀態(tài)寄存器被讀取 決定于寫入 MCX314 的 命令 它主要顯示軸的運(yùn)動狀態(tài)和限位信號狀態(tài) 10 狀態(tài)寄存器 RR2 同 RR1 4 根軸中每根軸都有自己的狀態(tài)寄存器 2 它主要顯示出錯(cuò)的原因 11 狀態(tài)寄存器 RR3 同 RR1 和 RR2 4 根軸中的每根軸都有自己的狀態(tài)寄存器 3 它主要顯示中斷 的來源 12 輸入寄存器 RR4 RR5 RR4 和 RR5 為通用輸入寄存器 13 數(shù)據(jù)寄存器 RR6 RR7 RR6 和 RR7 是數(shù)據(jù)寄存器并對應(yīng)于相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取命令 低 16 位在 RR6 寄存 器 高 16 位在 RR7 寄存器 在進(jìn)行位模式插補(bǔ)的時(shí)候 WR2 WR3 WR4 WR5 WR6 WR7 以及 RR2 RR3 RR4 RR5 RR6 RR7 將作為專用于位模式插補(bǔ)數(shù)據(jù)寄存器 不再實(shí) 現(xiàn)原來的功能 2 5 AT91FR40162 芯片介紹芯片介紹 AT91FR40162 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT91 系列微控制器中的一員 具有 ARM7TDMI 核 大容量 Flash 存儲器以及片內(nèi) SRAM 和外圍 這種微控制器的特點(diǎn) 是高性能 32 位 RISC 體系結(jié)構(gòu) 高密度 16 位指令集 低功耗以及實(shí)時(shí)性 擴(kuò)充的 Flash 存儲器還增加了開發(fā)者使用的靈活性 除此以外 大量的內(nèi)部分組寄存器加速 了對異常的處理過程 從而使其更適合于實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用 8 級基于向量的優(yōu)先級 中斷控制器和外圍數(shù)據(jù)控制器 PDC 大大增強(qiáng)了實(shí)時(shí)器件的性能 此器件適用于開發(fā) 工業(yè)自動化系統(tǒng) MP3 銷售終端 GPS 接收機(jī)以及無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等對功耗敏感而 且要求具有實(shí)時(shí)性的產(chǎn)品 AT91FR40162 微控制器的特點(diǎn)是在一個(gè) 121 ball BGA 封 裝中集成了 256 KB 的片內(nèi) SRAM 和 16Mbit 的 Flash 存儲器 它為許多計(jì)算密集的 嵌入式控制應(yīng)用領(lǐng)域提供了功能強(qiáng)大 使用靈活而且性價(jià)比高的解決方案 同時(shí)還 可以幫助用戶減小 PCB 尺寸和系統(tǒng)成本 Flash 存儲器可以通過 JTAG ICE 接口或 者廠家編寫的 Flash Up loader 軟件進(jìn)行編程 從而使 AT91FR40162 適合于在系統(tǒng)可 編程應(yīng)用 21 22 2 5 1 體系結(jié)構(gòu) AT91FR40162 是由 ATMEL 公司的 AT91R40008 ARM Thumb 微控制器和 1 個(gè) AT49BV1604A 1614A 16Mbit Flash 存儲器集成的 121 ball BGA 封裝器件 除了 Flash 存儲器使能信號以外的所有地址 數(shù)據(jù)和控制信號都是內(nèi)部互連的 AT91R40008 體系結(jié)構(gòu)包括 2 條主要總線 先進(jìn)的系統(tǒng)總線 ASB 和先進(jìn)的外圍總線 APB ASB 被設(shè)計(jì)為最佳性能 由存儲控制器控制 ARM7TDMI 通過 ASB 與片內(nèi) 32 位存儲器 外部總線接口 EBI 和 AMBA 橋進(jìn)行接口 AMBA 橋驅(qū)動 APB APB 被設(shè)計(jì)用于訪問片內(nèi)外圍并且進(jìn)行了低功耗優(yōu)化 AT91FR40162 將 ARM7TDMI 處 理器的 ICE 端口接到一些專用的引腳上 從而為目標(biāo)調(diào)試提供了完整 低價(jià)且易用 的調(diào)試解決方案 28 1 存儲器 AT91FR40162 嵌入了 256 KB 的內(nèi)部 SRAM 這個(gè)內(nèi)部存儲器是單周期訪問的 它直接與 32 位數(shù)據(jù)總線相連 這樣通過使用微控制器的 ARM 指令集在 66 MHz 下 可以提供 60 MIPS 的最高性能 同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗 AT91FR40162 以擁有 1 個(gè)外 部總線接口 EBI 為特性 它用于連接外部存儲器和專用外圍設(shè)備 EBI 支持 8 或 16 位器件并且可以使用 2 個(gè) 8 位器件來仿真 1 個(gè) 16 位器件 EBI 執(zhí)行早讀協(xié)議 與標(biāo) 準(zhǔn)的存儲器接口相比 能夠提供更快的存儲器訪問速度 AT91FR40162 嵌入了 1 個(gè) 由 1024K 字 16 位字組成的 Flash 存儲器 通過 EBI 可以訪問它 Flash 的主要功能 是作為程序存儲器 1 條 16 位的 Thumb 指令可以在 1 個(gè)訪問周期從 Flash 存儲器被 加載 分離的 MCU 和 Flash 復(fù)位輸入 NRST 和 NRSTF 是為了得到最大的系統(tǒng) 靈活性 方便用戶自由地根據(jù)應(yīng)用選擇復(fù)位操作 AT91FR40162 集成了一個(gè)叫 AT91 Flash Up loader 的駐留引導(dǎo)軟件 AT91 Flash Up loader 軟件能夠向 Flash 存儲 器加載應(yīng)用軟件 2 外 圍 AT91FR40162 集成了多個(gè)外圍 它們被分成 2 類 系統(tǒng)外圍和用戶外圍 所有 的片內(nèi)外圍都可以通過 AMBA 橋接受 32 位的訪問 外圍寄存器由控制寄存器 模 式寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài)寄存器和使能 禁止 狀態(tài)寄存器組成 外圍數(shù)據(jù)控制器 PDC 在片內(nèi) USART 和片內(nèi)或片外的存儲器之間傳輸數(shù)據(jù) 并且無需處理器的介入 最重要的一點(diǎn)是 PDC 消除了數(shù)據(jù)傳輸中斷的額外開銷 從而在不需要重新編程起 始地址的情況下可以連續(xù)傳輸高達(dá) 64 KB 的數(shù)據(jù) 這樣不僅增加了微控制器的性能 而且降低了功耗 21 22 23 27 2 6 CAN 總線技術(shù)總線技術(shù) CAN 全稱為 Controller Area Network 即控制器局域網(wǎng) 是國際上應(yīng)用最廣泛 的現(xiàn)場總線之一 它是一種多方式的串行通訊總線 基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速 率 高抗電磁干擾性 而且能夠檢測產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤 能有效支持分布式控制或?qū)?時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò) CAN 總線是一種多主機(jī)局域網(wǎng) 由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛 應(yīng)用于工業(yè)自動化 多種控制設(shè)備 交通工具 醫(yī)療儀器以及建筑 環(huán)境控制等眾 多部門 CAN 總線的主要特性 1 具有實(shí)時(shí)性強(qiáng) 傳輸距離較遠(yuǎn) 抗電磁干擾能力強(qiáng) 成本低等優(yōu)點(diǎn) 2 采用雙線串行通信方式 檢錯(cuò)能力強(qiáng) 可在高噪聲干擾環(huán)境中工作 3 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能 多個(gè)控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CAN bus 上 形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò) 4 可根據(jù)報(bào)文的 ID 決定接收或屏蔽該報(bào)文 5 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制 6 發(fā)送的信息遭到破壞后 可自動重發(fā) 7 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能 8 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址 標(biāo)志符來指示功能信息 優(yōu)先級信息 CAN 總線作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ) 溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場與控制設(shè)備之間 及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系 使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn) 現(xiàn)場 采用現(xiàn)場總線來構(gòu)建集成系統(tǒng) 其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有比點(diǎn) 點(diǎn)型連線少 靈活 性高 故障率低 比局域網(wǎng)連接方式結(jié)構(gòu)簡單 造價(jià)底 2 7 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章介紹了運(yùn)動控制相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù) 以日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運(yùn)動控制專用芯片 MCX314 為核心 討論了兩種方案 分析了各自特點(diǎn) 根據(jù)設(shè)計(jì) 要求選用 ARM7 芯片來控制 MCX314 構(gòu)成外置式的運(yùn)動控制器的方案 并對主要芯 片作了介紹 3 電路的運(yùn)動控制器的硬件設(shè)計(jì)電路的運(yùn)動控制器的硬件設(shè)計(jì) 該方案選用 ATMEL 公司的 AT91FR40162 作為主控制芯片 由它來控制運(yùn)動 控制專用芯片 MCX314 再加上外圍電路 就構(gòu)成了整個(gè)運(yùn)動控制器系統(tǒng) 簡單的 說 整個(gè)系統(tǒng)的工作機(jī)制就是通過主 CPU 對 MCX314 的寄存器的寫和讀 來完成 脈沖輸出驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)以及查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài) 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 1 所 示 圖 3 1 系統(tǒng)整體框圖 從圖中我們可以看出 該系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊 電源模塊 復(fù)位模塊 時(shí)鐘模塊 調(diào)試接口模塊 輸入輸出通道模塊 通信模塊等 3 1 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 3 1 1 電源模塊設(shè)計(jì) 電源為整個(gè)系統(tǒng)提供能量 是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ) 具有極其重要的地位 如 果電源系統(tǒng)處理得好 整個(gè)系統(tǒng)的故障往往能減少一半 在本系統(tǒng)中 MCX314 采 用 5V 電源供電 必須將它的 7 個(gè) VDD 引腳連接到 5V 電源 1 同時(shí)在 MCX314 的 VDD 和 GND 之間加放 1 2 個(gè)高頻特性好的 0 1uF 左右的電容 而 AT91FR40162 內(nèi)核需要 1 8V 電壓 片內(nèi)外圍要求 3 3V 的電壓 其余外圍器件用 5V 電壓 綜上 系統(tǒng)共需要三種電源 5V 3 3V 1 8V 為簡化設(shè)計(jì) 采用 5V 電源供電 然后采 用 LT1084CT 3 3 和 LM317 得到 3 3V 和 1 8V 的電壓 具體的電路圖如圖 3 2 所示 圖 3 2 電源模塊框圖 3 1 2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) MCX314 需要一個(gè) 16 000MHz 的主時(shí)鐘信號來啟動芯片內(nèi)部的同步電路 驅(qū)動 速度 加 減速度 加速度 減速度的變化率都根據(jù)此頻率 對于 AT91FR40162 來說 如果 MCKI 引腳由 1 個(gè)外部源提供 那么 AT91FR40162 則為一個(gè)完全靜態(tài)的設(shè)計(jì) 并工作于主時(shí)鐘 MCK 66MHz 下 主時(shí)鐘還在引腳 MCKO 上作為器件的輸出 這個(gè)引腳與一個(gè)通用 I O 線復(fù)用 當(dāng) NRST 處于活動狀態(tài)并且發(fā)生復(fù)位后 MCKO 有效并輸出 MCK 信號的映像 必須編程 PIO 控制器來使用這個(gè)引腳作為標(biāo)準(zhǔn) I O 線 1 21 22 我們分別選用了 16MHz 和 66MHz 的晶振來構(gòu)建兩個(gè)主芯片的時(shí)鐘電路 具體電路實(shí)現(xiàn)見圖 3 3 圖 3 3 時(shí)鐘模塊框圖 3 1 3 復(fù)位模塊電路設(shè)計(jì) 微控制器在上電時(shí)狀態(tài)并不確定 則造成微控制器不能正確的工作 10 為解決 這個(gè)問題 所有的微控制器都需要有一個(gè)復(fù)位邏輯 它負(fù)責(zé)將控制器初始化為某個(gè) 確定的狀態(tài) 這個(gè)復(fù)位邏輯需要一個(gè)信號才能工作 微控制器自己上電時(shí)會產(chǎn)生復(fù) 位信號 但是多數(shù)控制器需要外部輸入這個(gè)信號 由于這個(gè)信號會使微控制器初始 化為某種狀態(tài) 所以這個(gè)信號的穩(wěn)定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響 簡單的阻容復(fù)位電路成本比較低 但它不能保證任何情況產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位 信號 由于 ARM 和 DSP 芯片的高速 低功耗 低電壓導(dǎo)致噪聲容限低 對電源的 紋波 瞬態(tài)相應(yīng)性能 時(shí)鐘源的穩(wěn)定性 電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高 的要求 本系統(tǒng)復(fù)位電路使用了專用芯片 MAX706T 提高系統(tǒng)的可靠性 當(dāng)按下 復(fù)位按鈕時(shí) 該芯片輸出的低電平同時(shí)對 MCX314 和 AT91FR40162 進(jìn)行復(fù)位操作 具體的電路如圖 3 4 所示 圖 3 4 復(fù)位模塊框圖 3 1 4 調(diào)試接口設(shè)計(jì) 調(diào)試接口采用 ARM 公司 JTAG 仿真調(diào)試接口 22 27 JTAG Joint Test Action Group 聯(lián)合測試行動小組 是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議 主要用于芯片內(nèi)部測試及對系 統(tǒng)進(jìn)行仿真 調(diào)試 JTAG 技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù) 它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路 TAP Test Access Port 測試訪問口 通過專用的 JTAG 測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 測試 目前大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持 JTAG 協(xié)議 如 ARM DSP FPGA 器件 等 標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線 TMS TCK TDI TDO 分別為測試模式選擇 測試時(shí)鐘 測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出 JTAG 測試允許多個(gè)器件通過 JTAG 接口串聯(lián)在一起 形成一個(gè) JTAG 鏈 能實(shí) 現(xiàn)對各個(gè)器件分別測試 JTAG 接口還常用于實(shí)現(xiàn) ISP In System Programmable 在 系統(tǒng)編程 功能 如對 FLASH 器件進(jìn)行編程等 通過 JTAG 接口 可對芯片內(nèi)部的 所有部件進(jìn)行訪問 因而是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段 目前 JTAG 接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn) 即 14 針接口和 20 針接口 本系統(tǒng)采用 20 針接口 如圖所示 3 5 圖 3 5 JTAG 接口框圖 3 1 5 RS 232串行通信模塊設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)控制器與上位計(jì)算機(jī)的通訊 以便充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功 能對控制器進(jìn)行控制與管理 需要對控制器擴(kuò)展串口通訊接口電路 AT91X40 系列 微控制器內(nèi)部集成了兩個(gè)完全相同的全雙工通用同步 異步收發(fā)器 USART USART0 和 USART1 USART 接到 APB 并與外圍數(shù)據(jù)控制器 PDC 連接 由于 PC 機(jī)都帶有 RS 232C 標(biāo)準(zhǔn)的串口 為方便控制器與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 我 們使用了 SP232ACN 進(jìn)行 RS 232 電平轉(zhuǎn)換 與 USART0 連接實(shí)現(xiàn)了 RS 232C 標(biāo)準(zhǔn) 串口通信 SP232ACN 系列是 RS232 收發(fā)器對便攜式或手持式應(yīng)用如筆記本或掌上 型電腦的一種解決方案 SP232ACN 芯片功耗低 集成度高 工作電壓為 3 5 5 伏 供電 具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道 具體的電路如圖 3 6 所示 圖 3 6 RS 232 接口框圖 3 1 6 CAN總線接口設(shè)計(jì) 在 CAN 總線通信接口中 采用 FHILIPS 公司的 SJA1000 和 82C250 芯片 SJA1000 是獨(dú)立 CAN 通信控制器 82C250 為高性能 CAN 總線收發(fā)器 此器件對總 線提供差動發(fā)送能力 對 CAN 控制器提供差動接收能力 硬件電路中使用 PCA82C250 還可以增大通信距離 提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力 保護(hù)總線 降低射 頻干擾 實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等 SJA1000 在電路中是一個(gè)總線接口芯片 實(shí)現(xiàn)從上位機(jī) PC CAN 接口到現(xiàn)場微 處理器之間的數(shù)據(jù)通信 對于微處理器而言 SJA1000 是一個(gè)總線接口 SJA1000 片內(nèi)的存儲單元相對 AT91FR40162 來說是片外的數(shù)據(jù)存儲器 因此 可以按照擴(kuò)展 片外數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問 SJA1000 的寄存器地址 AT91FR40162 通過片選信號選通 SJA1000 并由此決定 CAN 控制器各寄存器 的地址 通過讀 寫外部數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問 SJA1000 在系統(tǒng)中我們將 SJA1000 的 TX1 腳懸空 RX1 引腳接地 形成 CAN 協(xié)議所要求的電平邏輯 該電 路的主要功能就是通過 CAN 總線接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài) 然后下傳給 下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能 在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力 在 CAN 控制器 SJA1000 和 CAN 控制器接口 82C250 之間加接 6N137 光電隔離芯片 通信信號傳輸 到導(dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會發(fā)生反射 反射信號會干擾正常信號的傳輸 因而總線兩端兩個(gè) 124W 的電阻對匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用 忽略掉它們 會使數(shù)據(jù)通信的 抗干擾性和可靠性大大降低 甚至無法通信 82C250 第 8 腳與地之間的電阻 RS 稱 為斜率電阻 它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式 29 38 把該 引腳直接與地相連 系統(tǒng)將處于高速工作方式 在這種方式下 為避免射頻干擾 建議使用屏蔽電纜作總線 而在波特率較低 總線較短時(shí) 一般采用斜率控制方式 上升和下降的斜率取決于 RS 的阻值 通常情況下 15KW 200KW 為 RS 較理想的 取值范圍 在這種方式下 可