【文章內(nèi)容簡介】 沖模式，此時這兩路信號分別控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運動，這樣對于某些只需要一個方向運動的應(yīng)用場合，可以省去一路信號，簡化設(shè)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(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，給運動控制帶來極大方便?？蓮V泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域的運動控制 [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(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，這種方法的軟，硬件設(shè)計相對簡單。傳統(tǒng)的運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，計算速度慢，在進(jìn)行復(fù)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(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。整個板卡的結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 圖 23 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(yīng)的 PCI 驅(qū)動程序,運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(jié)構(gòu)，屬低端總線，方便與 ISA總線連接。而要實現(xiàn)與 PC 機(jī) PCI 總線的接口設(shè)計，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(fù)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(fù)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(qiáng)，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(shè)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(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重點部分：MCX314 芯片，CAN 總線，ARM 微處理器。 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(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 24。 圖 24　MCX314 結(jié)構(gòu)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(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)行改換時保持運動速度不變。在插補(bǔ)驅(qū)動中，MCX314 可以將 2 軸同步脈沖輸出設(shè)置為 倍脈沖周期，而將 3 軸同步脈沖輸出設(shè)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(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(jié)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(bǔ)運用 MCX314 的直線插補(bǔ)，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(biāo)界于－8388608～＋8388607 之間，同時線性誤差為177。 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 軸都能實現(xiàn)圓弧插補(bǔ)。其邊界坐標(biāo)界于－8388608～＋8388607 之間，同時圓弧誤差為177。 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(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(fù)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(jī)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(jī)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(shè)置，進(jìn)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。（1）命令寄存器 WR0MCX314 中的這個寄存器主要用來設(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 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(shè)定減速狀態(tài)和比較結(jié)果寄存器。（3）模式寄存器 WR2WR2 被用于設(shè)定外部限位開關(guān)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(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)。（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(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)的時候，WRWRWRWRWRWR7 、以及RRRRRRRRRRRR7 將作為專用于位模式插補(bǔ)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(jié)構(gòu)、高密度16 位指令集、低功耗以及實時性，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時控制的應(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(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(yīng)用領(lǐng)域提供了功能強(qiáng)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(jìn)行編程，從而使 AT91FR40162 適合于在系統(tǒng)可編程應(yīng)用 [21] [22]。　體系結(jié)構(gòu)AT91FR40162 是由 ATMEL 公司的 AT91R40008 ARM/Thumb 微控制器和 1 個AT49BV1604A/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(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、低價且易用