基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究

基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究1.研究目標(biāo)本課題提出一種基于PC104與運(yùn)動(dòng)控制芯片的開放式數(shù)控系統(tǒng)方案。闡述了該方案的硬件和軟件的設(shè)計(jì)原理，為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)方法?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1956年－1974年，專用硬件NC時(shí)代1975年－1989年，專用計(jì)算機(jī)數(shù)控時(shí)代1996年至今，開始全PC開放式智能化數(shù)控新階段基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究3.現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢加工控制的高速化、高精度化智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究4.存在的問題：

從數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢看，數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前制造技術(shù)正在向高速度、高精度、柔性化和智能化方向發(fā)展，而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)大多采取封閉式設(shè)計(jì)，故存在系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴(kuò)展、人機(jī)界面不靈活等問題，從而難以滿足用戶的需要。開放式數(shù)控系統(tǒng)解決了以上傳統(tǒng)封閉式數(shù)控存在的問題，正是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究5.解決問題的思路基于PC104和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314的數(shù)控系統(tǒng)該方案以PC104作為主CPU，采用了MCX314來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的功能，使軟硬件系統(tǒng)具備更強(qiáng)的模塊化，減少了軟硬件設(shè)計(jì)，提高可靠性和性能，并減少了開發(fā)周期。為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)提供了更新更優(yōu)的控制方案，解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴(kuò)展、人機(jī)界面不靈活等問題。這將為嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供有價(jià)值的參考，對開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究6.數(shù)控系統(tǒng)一般方案比較單片機(jī)系統(tǒng)ARM+FPGA系統(tǒng)PC機(jī)和專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究7.運(yùn)動(dòng)控制卡常見解決方案基于大規(guī)模集成電路，如8253,8254；基于單片機(jī)，如8031，8098；基于數(shù)字信號處理器(DSP)型；基于專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的運(yùn)動(dòng)控制器,如MCX314，PMAC.基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究8.MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片的功能運(yùn)動(dòng)控制器基于MCX314芯片，MCX314是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，性能優(yōu)良、接口簡單、編程方便、工作可靠，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(dòng)控制。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口相連，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等參數(shù)的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧和位元三種模式的軌跡插補(bǔ)，輸出脈沖頻率達(dá)4MHz。系統(tǒng)每軸都有伺服反饋輸入端、4個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，能獨(dú)立設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并具有2個(gè)32位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究9.MCX314專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的原因插補(bǔ)算法、運(yùn)動(dòng)控制和位置控制主要由硬件來實(shí)現(xiàn)，不需要PC機(jī)的干預(yù)就能自動(dòng)完成從起點(diǎn)到終點(diǎn)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制，減少了運(yùn)行過程中與主控制PC機(jī)頻繁的數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度；芯片上集成有專用于運(yùn)動(dòng)控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可簡化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；與主控制PC機(jī)之間的通訊簡單，易于協(xié)調(diào)，對主控制PC機(jī)來說，MCX314更像是一個(gè)外圍功能芯片，通過設(shè)置一定的地址和讀寫控制字就能實(shí)現(xiàn)對MCX314的控制?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究縮短開發(fā)周期。軟件開發(fā)簡單、快速，使用運(yùn)動(dòng)控制芯片使我們不再需要研發(fā)運(yùn)動(dòng)控制部分，可以由更少的軟件研發(fā)人員花更少的時(shí)間完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制編程，能夠大大縮短項(xiàng)目的研發(fā)時(shí)間和工作量。提高控制性能。用專業(yè)高性能運(yùn)動(dòng)控制芯片控制，可使電機(jī)運(yùn)動(dòng)更快、更平穩(wěn)、更安靜、更精確。提高系統(tǒng)可靠性。成熟的運(yùn)動(dòng)控制芯片中各項(xiàng)軟硬件功能均己相當(dāng)成熟，比用戶自己開發(fā)的更為可靠。同時(shí)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。10.選擇MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片的優(yōu)點(diǎn)基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究11.數(shù)控系統(tǒng)功能描述數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分采用了主從式雙結(jié)構(gòu)模式。主CPU為PC機(jī)，從CPU為運(yùn)動(dòng)控制芯片。采用PC104+運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計(jì)算機(jī)的資源。以通用微機(jī)為計(jì)算平臺，運(yùn)動(dòng)控制器的指令輸入、譯碼、運(yùn)動(dòng)指令、粗插補(bǔ)以及輸入輸出等都是由PC機(jī)產(chǎn)生。在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的過程中，通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的粗插補(bǔ)、實(shí)時(shí)控制和管理規(guī)劃，由MCX314實(shí)現(xiàn)簡單多軸硬件精插補(bǔ)、伺服控制和位置反饋等功能?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究12.PC104與運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314之間的通訊及接口數(shù)控系統(tǒng)硬件采用了主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間通過PC/104總線傳遞信息。主要有：數(shù)據(jù)總線：D15~D0;地址總線：A2~A1;控制總線：IOR、IOW和RST等?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究13.運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314與伺服驅(qū)動(dòng)的通訊及接口

MCX314輸出驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)后輸出給伺服驅(qū)動(dòng)；編碼器信號、手輪脈沖信號及外部反饋信號經(jīng)差分接收器輸入?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究MCX314與伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入與輸出信號基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究I/O輔助控制輸入與輸出信號基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究（1）輸出脈沖定義：來自MCX314芯片的輸出脈沖有兩種形式，一個(gè)是正/負(fù)脈沖形式，另一個(gè)是脈沖/方向形式。

基于PC104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究（2）編碼器信號接口：反饋的編碼器信號，將nECAP，nECAN，nECBP，nECBN，nINOP，nINON分別連接到編碼器的A，/A，B，/B，Z，/Z信號輸出。差動(dòng)脈沖反饋在設(shè)置輸入脈沖模式后有效?；赑C104與MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片數(shù)控系統(tǒng)研究本論文主要內(nèi)容：1.對上位機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制卡及其行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，資料搜集和深入研究。2.在對運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，比較幾種常用的運(yùn)動(dòng)控制方案，確定采用PC104總線和運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314的設(shè)計(jì)方案，并規(guī)劃系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

3.設(shè)計(jì)基于運(yùn)動(dòng)控制芯片MC