【文章內(nèi)容簡介】 向信號控制的是步進電機的運動方向(即正、反轉)；另一種是脈沖模式，此時這兩路信號分別控制步進電機的正轉和反轉運動，這樣對于某些只需要一個方向運動的應用場合，可以省去一路信號，簡化設計。 方案的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 運動控制專用芯片 MCX314。高集成度 MCX314 運動控制專用芯片能實現(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，給運動控制帶來極大方便。可廣泛應用于數(shù)控機床、機器人等領域的運動控制 [1] [13] [14]。然后，在 MCX314 的基礎上，我們做了兩種方式的運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立運動控制器，通常采用微處理器或單片機構成控制系統(tǒng)，這種方法的軟，硬件設計相對簡單。傳統(tǒng)的運動控制裝置采用單片機為控制器，由于單片機處理速度較低，計算速度慢，在進行復雜運動控制中，系統(tǒng)的實時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 實現(xiàn)與 PC 機的通信，控制器還包含 CAN 總線接口來與其他設備通訊。第二種方式是做成 PCI 總線的控制卡，可以直接嵌入到 PC 機內(nèi)部。PC 機通過PCI 總線來訪問和控制 MCX314。整個板卡的結構如圖 23 所示。 圖 23 板卡結構圖該方案是采用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運動控制專用芯片MCX314，基于 MCX314 做成 PCI 總線接口的運動控制卡。有了相應的 PCI 驅(qū)動程7序,運動控制卡便成為可以讓 PC 機操作系統(tǒng)識別的一部分。主體是 PC 機通過 PCI總線實現(xiàn)對MCX314 的控制，中間是一個 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 位總線結構，屬低端總線，方便與 ISA總線連接。而要實現(xiàn)與 PC 機 PCI 總線的接口設計，就必須有接口芯片作 PCI 總線到 ISA 總線的轉換，相當于在 PCI 總線和 ISA 總線之間架設了一座橋梁，可以選用PCI9052 芯片實現(xiàn) PCI 總線與 MCX314 芯片的接口。由 PC 機通過 PCI 總線接口直接對 MCX314 進行控制，但設計的硬件和軟件的復雜性加大，系統(tǒng)的可擴展性和開放性受到限制，系統(tǒng)的響應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，所以綜合考慮本設計選用第一種方案。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的項目。(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)實時性。(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)人員花更少的時間完成復雜的運動控制編程。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，采用運動控制芯片 MCX314,由其來完成復雜的運動控制算法，控制器具有精度高，運行穩(wěn)定，實時性好，抗干擾能力強，性價比高的特點。該控制器包含CAN 總線和 RS232 串行接口來與其他設備通訊。功能更專、成本更低，另可實現(xiàn)基于操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)。加上嵌入式實時操作系統(tǒng)具有實時性、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)對其作了詳細地介紹，這里我們先分別談一下課題總體方案中的幾個重點部分：MCX314 芯片，CAN 總線，ARM 微處理器。 8 MCX314 芯片MCX314 是一個用于實現(xiàn) 4 軸運動控制的集成電路。通過這個集成電路可以控制由步進電機驅(qū)動器或由脈沖型伺服電機驅(qū)動的 4 軸的位置、速度、和插補。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] 。結構圖見圖 24。 圖 24　MCX314 結構框圖　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 /負向脈沖模式。9（3）恒速控制恒速控制功能允許在不同的插補進行改換時保持運動速度不變。在插補驅(qū)動中，MCX314 可以將 2 軸同步脈沖輸出設置為 倍脈沖周期，而將 3 軸同步脈沖輸出設置為 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。每根單獨的軸被獨立的預置為 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)律進行加/減速。除此之外，MCX314 還有一套特殊的方法來防止當使用 S 曲線命令時產(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（在時鐘頻率為16MHz 時）小于 177。%。驅(qū)動脈沖輸出的速度可以在不運行的時候自由改變。（5）位置控制每個軸都有 1 個 32 位的邏輯位置計數(shù)器和 1 個 32 位的實際位置計數(shù)器。邏輯位置計數(shù)器記錄輸出的位置脈沖，而實際位置計數(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軸都有 2 個 32 位比較寄存器，1 個為邏輯位置計數(shù)器，另外 1 個為實際位置計數(shù)器。比較結果可從狀態(tài)寄存器讀出，也可通過中斷報出。這些寄存器也可被用來實現(xiàn)軟件限位。（7）直線插補運用 MCX314 的直線插補，任意選擇的 2 軸或 3 軸都可以實現(xiàn)線性運動。運動位置邊界的坐標界于－8388608～＋8388607 之間，同時線性誤差為177。 最小插補單位。插補頻率范圍為 1Hz～4MHz。（8）圓弧插補任意選擇 2 軸都能實現(xiàn)圓弧插補。其邊界坐標界于－8388608～＋8388607 之間，同時圓弧誤差為177。 最小插補單位。插補頻率范圍為 1Hz～4MHz。（9）位模式插補對任意選擇的 2 軸或 3 軸，MCX314 可以實現(xiàn)位模式插補。這種插補的數(shù)據(jù)由上位機進行運算。上位機將插補結果寫入 MCX314，然后 MCX314 在預置的驅(qū)動速度下連續(xù)輸出插補脈沖。這樣，通過使用這種模式，MCX314 可以實現(xiàn)各種形狀的10曲線進行插補。（10）連續(xù)插補MCX314 允許不同的插補方式連續(xù)使用，例如直線插補→圓弧插補→直線插補……不間斷的連續(xù)插補時允許的最大速度為 2MPPS。（11）單步插補MCX314 還可以在單步插補情況下輸出脈沖，即當所有參數(shù)設定完成之后，一旦上位機寫入 1 次單步指令，或者外部輸入 1 個下降沿信號，MCX314 將輸出 1 個脈沖。（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 /結束、移動的結束以及由比較寄存器觸發(fā)等等。在插補運動過程中也可以產(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。這個功能可用于低速運行或是示教，以減輕 CPU 的負載。（14）輸入/輸出信號除急停信號、硬件限位信號以外，每個軸都有 4 個輸入信號來實現(xiàn)減速和制動。這些輸入信號可以在機械原點附近以及在回零過程中對編碼器零信號執(zhí)行高速查詢。每個軸另有 8 個通用輸出點。（15）伺服電機反饋信號每一個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、伺服報警信號以及到位信號。（16）實時監(jiān)控在驅(qū)動操作的任何一個狀態(tài)，命令指定的位置、實際位置、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。使用不同的設置，進行 8 位或 16 位數(shù)據(jù)操作。 MCX314 工作方式與 MCX314 的數(shù)據(jù)交換，主要通過以 WR 開頭的 8 個寫寄存器和以 RR 開頭的8 個讀寄存器，其中數(shù)字相同的寄存器有相同的映射地址。11（1）命令寄存器 WR0MCX314 中的這個寄存器主要用來設定命令，包括用于軸設定、命令字以及復位命令的各位。在向此寄存器寫入軸設定字和命令字后，它將立即執(zhí)行。某些命令在寫入 WR0 之前，應先寫入 WR6 和 WR7。（2）模式寄存器 WR14 軸都有各自的狀態(tài)寄存器。哪個寄存器被寫，取決于由 NOP 指令的指定或?qū)懬暗那闆r。WR1 可以控制輸入信號與中斷信號的使能，并用于設定減速狀態(tài)和比較結果寄存器。（3）模式寄存器 WR2WR2 被用于設定外部限位開關輸入、反饋計數(shù)器脈沖類型以及伺服驅(qū)動的反饋信號。（4）模式寄存器 WR34 根軸都有各自的 WR3。哪個狀態(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、單獨減速、S 曲線加/ 減速、外部操作模式設定和通用輸出的設定。（5）輸出寄存器 WR4該寄存器用于設定軸的通用輸出信號。（6）插補模式寄存器 WR5該寄存器被用于指定插補軸，包括直線定速模式、單步插補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)相關的命令時使用。在將命令字寫入 WR0之前，應先將數(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)動與錯誤的狀態(tài)。此外，它還顯示了插補、連續(xù)插補的就緒信號、圓弧插補的象限和 BP 插補的堆棧計數(shù)器。（9）狀態(tài)寄存器 RR1每個軸都有狀態(tài)寄存器 RR1。哪個狀態(tài)寄存器被讀取，決定于寫入 MCX314 的命令。它主要顯示軸的運動狀態(tài)和限位信號狀態(tài)。12（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/RR5RR4 和 RR5 為通用輸入寄存器。（13）數(shù)據(jù)寄存器 RR6/RR7RR6 和 RR7 是數(shù)據(jù)寄存器并對應于相應的數(shù)據(jù)讀取命令。低 16 位在 RR6 寄存器；高 16 位在 RR7 寄存器。在進行位模式插補的時候，WRWRWRWRWRWR7 、以及RRRRRRRRRRRR7 將作為專用于位模式插補數(shù)據(jù)寄存器，不再實現(xiàn)原來的功能?！T91FR40162 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是高性能32 位 RISC 體系結構、高密度16 位指令集、低功耗以及實時性，擴充的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時控制的應用。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 大大增強了實時器件的性能。此器件適用于開發(fā)工業(yè)自動化系統(tǒng)、MP銷售終端、GPS 接收機以及無線網(wǎng)絡產(chǎn)品等對功耗敏感而且要求具有實時性的產(chǎn)品。AT91FR40162 微控制器的特點是在一個 121ball BGA 封裝中集成了 256 KB 的片內(nèi) SRAM 和 16Mbit 的 Flash 存儲器。它為許多計算密集的嵌入式控制應用領域提供了功能強大、使用靈活而且性價比高的解決方案，同時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 軟件進行編程，從而使 AT91FR40162 適合于在系統(tǒng)可編程應用 [21] [22]。　體系結構AT91FR40162 是由 ATMEL 公司的 AT91R40008 ARM/Thumb 微控制器和 1 個13AT49BV1604A/1614A 16Mbit Flash 存儲器集成的 121ball 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 體系結構包括 2 條主要總線：先進的系統(tǒng)總線 ASB 和先進的外圍總線APB。ASB 被設計為最佳性能，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 橋進行接口。AMBA 橋驅(qū)動 APB，APB被設計用于訪問片內(nèi)外圍并且進行了低功耗優(yōu)化。AT91FR40162