【正文】 如果寄存器R6中有數(shù)值，此數(shù)值將作為自動計算的值作為降速點。當計數(shù)器減小到0時，停止發(fā)脈沖。另外信號和Z相信號的結(jié)合使用也可實現(xiàn)回零。當寄存器R12的D13置1時，在降速點時MCM輸出中斷信號。當D2置1時，MCM輸出頻率，從開始增加到以及在停止前頻率由減小到，即變速模式。除了命令緩沖器，MCM還提供了擴展模式寄存器R12和R13。每個命令不僅是個代碼而且還能通過位提供控制功能。 命令和狀態(tài)緩沖器命令和狀態(tài)緩沖器占用相同的地址，寫操作是將命令寫入命令緩沖器中，讀操作是從狀態(tài)緩沖器中讀出內(nèi)部的實時工作狀態(tài)。如果想在S曲線加速過程中得到中間直線加速，則用寄存器R14的低12位(D11～D00)在加速的起點和終點設(shè)置成S曲線段。7. 寄存器R11，當前脈沖頻率監(jiān)視器此只讀寄存器允許監(jiān)視MCM正在輸出的脈沖頻率的參數(shù)。如果自動降速點設(shè)置功能無效，則將減速所需的脈沖數(shù)寫入此寄存器中；反之，則寫入0或偏移量。注意，實際的輸出脈沖頻率等于寄存器RRR3與寄存器R7確定的倍率因子的乘積。1. 寄存器R0，預(yù)置輸出脈沖數(shù)將輸出位置的脈沖數(shù)寫入寄存器R0。當A4=‘1’時，具體是哪個參數(shù)寄存器再由A3～A0譯碼決定。 另外需要注意的一個信號是PAR， 它是奇偶校驗位，這個位在主設(shè)備從控制卡讀數(shù)據(jù)時候必須由控制卡驅(qū)動，任何從設(shè)備都必須實現(xiàn)這個信號，這個信號是針對CBE[3..0]和AD[31..0]求奇偶校驗！寫數(shù)據(jù)的時候4 基于FPGA的運動控制模塊（MCM） MCM總體結(jié)構(gòu)選擇器當前位置計數(shù)器（R10_PPC）編碼器選擇器EC_AEC_BPOUTPDIR R CP1_IO CP2_IO加減速控制電路（ADCC）變頻分配電路（VFDC）倍率因子分頻電路（MFFDC）脈沖輸出電路EC_ZORG_EC_Z用于精確回零EC_Z_C計數(shù)器RESETRDWRCSA3~A0D_IN(15~0)D_OUT(15~0)命令緩沖器狀態(tài)緩沖器R0R1R2R3R4R5R6R7R10R11R12R13R14R15R16R17與頂層設(shè)計接口和控制電路部分自動降速點計數(shù)器(R6_RDP)預(yù)置計數(shù)器(R0_PC)比較器LT MCM總體結(jié)構(gòu)本運動控制卡設(shè)計為四軸卡，每個軸的所有功能完全相同，即相當于四個完全獨立的專用運動控制模塊[34](Motion Control Module)，為了敘述方便，下面以所設(shè)計的運動控制模塊MCM來介紹一個軸的主要功能。這里，此寄存器被強制為018000H，即設(shè)備為大容量存儲控制器。 (5)基地址寄存器：該寄存器用來映射設(shè)備的存儲器地址空間，與設(shè)備地址空間大小相應(yīng)的低位被強制為0，因此在配置寫交易中，配置軟件通過對這個寄存器的所有位寫1，然后再讀出該寄存器的值來決定設(shè)備存儲器所占用的地址范圍。在本系統(tǒng)中，位1115被設(shè)計實現(xiàn)。位8在本設(shè)計中被實現(xiàn)。通過配置寄存器，配置軟件可了解目標設(shè)備的存在、功能及配置要求。該空間分為首部區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)兩部分，設(shè)備在每個區(qū)中只須實現(xiàn)必要的和與之相關(guān)的寄存器。PCI的讀寫時序可參照下圖： 關(guān)于讀寫狀態(tài)機：讀狀機態(tài)：cfg_rd_state is (idle1,dev_st1,cfg_rd_st1,cfg_rd_st2,cfg_rd_st3,stop_st1)。關(guān)于IO空間的分配見下表：地址分配說明備注0X00——0X3F一軸寄存器地址0X40——0X7F二軸寄存器地址0X80——0XBF三軸寄存器地址0XC0——0XFF四軸寄存器地址0X100——0X103輸入端口地址只讀0X104——0X107輸出端口地址可讀寫0X108——0X1FF未用可擴展5． 關(guān)于地址的分配用于軸時,關(guān)系如下：IO偏移地址+0x00(一軸) 、IO偏移地址+0x40(二軸)、IO偏移地址+0x80(三軸)、IO偏移地址+0xc0(四軸)下面是每軸寄存器地址說明：寄存器地址寄存器名稱寄存器說明基地址+0X00R0（32位讀寫）預(yù)置脈沖數(shù)寄存器基地址+0X04R1（13位讀寫）低速寄存器R1基地址+0X08R2（13位讀寫）高速寄存器R2基地址+0X0cR3（13位讀寫）變速寄存器R3基地址+0X10R4（15位讀寫）梯形升速加速度基地址+0X14R5（15位讀寫）梯形降速加速度基地址+0X18R6（32位讀寫）自動降速點基地址+0X1cR7（20位讀寫）倍率因子基地址+0X28R10（32位讀寫）坐標位置寄存器基地址+0X2cR11（13位只讀）當前脈沖速度基地址+0X30R12（32位讀寫）控制寄存器基地址+0X34R13（24位讀寫）控制寄存器基地址+0X38 Comm（32位讀寫）控制命令基地址+0X3c讀 Status（32位讀）狀態(tài)寄存器程序（或功能）模塊1（PCI模塊）功能說明 PCI接口模塊主要實現(xiàn)PCI從設(shè)備協(xié)議的接口，通過這個模塊可實現(xiàn)控制卡與PC機通過PCI橋進行數(shù)據(jù)交換。PCI接口模塊根據(jù)地址空間為其他模塊作地址分配， PCI總線定義了3種物理地址空間，分別是存儲器地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。當系統(tǒng)升級時，只需對可編程器件重新進行邏輯設(shè)計，而無需更新PCB版圖。運動控制卡 編碼器信號編碼器電源地編碼器電源+5V+運動控制卡 編碼器信號+ 編碼器反饋信號接線方法可編程器件的程序設(shè)計FPGA的程序設(shè)計主要包括兩個部分： PCI接口模塊 和 MCC運動控制模塊PCI接口開發(fā)現(xiàn)狀目前開發(fā)PCI接口大體有兩種方式，一是使用專用的PCI接口芯片，可以實現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的用戶接口。24DCV控制卡 外部開關(guān)量信號光隔電源地24DCV控制卡 外部開關(guān)量信號光隔電源地上拉電阻a．觸點型開關(guān) b．NPN輸出的接近開關(guān) 開關(guān)量輸入信號接線方法本控制卡的開關(guān)量輸入信號（限位、減速、原點和外部報警），可以是觸點型開關(guān)，也可以是NPN輸出的傳感器接近開關(guān)等。模塊1主芯片F(xiàn)PGA模塊：主要實現(xiàn)PCI橋和運動控制邏輯，GPIO邏輯模塊2電機控制接口模塊：，采用DB37接口，通過這個接口接出的端子可以實現(xiàn)四軸的電機控制：它主要包括每軸的方向信號DIR，脈沖信號PULSE，原點信號ORG，正限位信號EL_P,負限位信號EL_N.，降速信號SD，四軸共享一個報警信號ALM，同時還有8個IO輸出信號可實現(xiàn)開關(guān)控制GPIO接口模塊：共有16路IO輸出信號和16路IO輸入信號，可實現(xiàn)開關(guān)控制和信號輸入l LED顯示模塊：共有8個LED可實現(xiàn)控制卡各種指示l PCI接口模塊：主要實現(xiàn)控制卡與PC機的接口2134VCC 外圍電路設(shè)計 光電隔離原理光耦是通過發(fā)光二極管發(fā)光使半導(dǎo)體釋放電子，產(chǎn)生電流，從而使輸出過程中的信噪比大大提高[32]。而諸如CPLD器件采用金屬互連線連續(xù)式結(jié)構(gòu)，消除了分段式連線定時不準的缺點，并在單元之間提供快速的、具有固定延時的通路，信號延時可預(yù)測、可計算，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的成功率，深受EDA工程師的歡迎。FPGA采用了在線重配置（ICR）的方法為器件定義功能。采用系統(tǒng)內(nèi)可再編程的技術(shù)，使得系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以象軟件一樣被編程配置，從而可以實時地進行更改和開發(fā)。FPGA是一種將門陣列的通用結(jié)構(gòu)與PLD的現(xiàn)場可編程特性結(jié)合于一體的新型器件，可以實時地對外加或內(nèi)置的RAM或EPROM編程，實時地改變器件功能，實現(xiàn)現(xiàn)場可編程（基于EPROM）或在線重配置（基于RAM）是科學(xué)試驗、樣機研制、小批量生產(chǎn)的最佳選擇[26]。電子設(shè)計工程師利用它可以在辦公室或?qū)嶒炇依镌O(shè)計出所需要的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品上市時間，降低了開發(fā)成本。隨著芯片集成度的提高、功能的加強、價格的下降、PCB板制作工藝的改進、元器件封裝和安裝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模塊化設(shè)計，并逐漸成為嵌入式微機系統(tǒng)的設(shè)計趨勢。在模塊化設(shè)計出現(xiàn)以前，主要有兩種嵌入式微機系統(tǒng)的設(shè)計方法：基于芯片和基于模塊的設(shè)計方法。 嵌入式系統(tǒng)概念嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中，即系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)硬件一體化。 基于PCI的運動控制卡根據(jù)我國加工業(yè)快速發(fā)展的需要，發(fā)展符合中、低端數(shù)控設(shè)備需求的開放式數(shù)控系統(tǒng)，有其廣闊的市場前景。2. 伺服電機運動系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制采用伺服電機的閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件（如交直流伺服電機、液壓馬達等）、反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動線路和機械運動機構(gòu)五部分組成。步進電機運動系統(tǒng)主要是由步進控制器、功率放大器及步進電機組成。位置控制的職能是精確地控制機械運動部件的坐標位置，例如數(shù)控計算機將插補計算得出的各軸位移量送入位置控制單元，而對閉環(huán)位置控制系統(tǒng)（又稱為位置伺服系統(tǒng)）來說，位置控制單元根據(jù)位移量大小產(chǎn)生進給速度指令，并接收位置反饋修正速度指令值，實現(xiàn)快速而準確的跟追位置指令的運動。 位置控制技術(shù)位置控制是常被稱之為伺服控制系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)的基本功能，它要求體現(xiàn)調(diào)速范圍寬、負載特性硬、反應(yīng)速度快、多軸聯(lián)動響應(yīng)一致等多方面的性能指標，其中的重要指標是跟追誤差、定位精度及允許運動速度的高低等。其特點是插補運算分粗插補和精插補兩步完成?；鶞拭}沖插補又稱脈沖增量插補或行程標量插補，其特點是每插補運算一次，最多給每一運動坐標軸送出一個進給脈沖。插補是一個實時進行的數(shù)據(jù)密化的過程，不論是何種插補算法，運算原理基本相同，其作用都是根據(jù)給定的信息進行數(shù)值計算，不斷計算出參與運動的各坐標軸的進給指令，然后分別驅(qū)動各自相應(yīng)的執(zhí)行部件產(chǎn)生協(xié)調(diào)運動，以使被控部件按理想的路線與速度移動，由此，軌跡插補與坐標軸位置伺服控制是運動控制系統(tǒng)的兩個主要環(huán)節(jié)。在運動控制系統(tǒng)中，按執(zhí)行部件的類型分類可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。點位控制(Position Control)又稱為點到點控制(Point to Point Control)，是一種從某個位置向另一位置移動時，不管中間的移動軌跡如何，只要最后能到達目標位置的控制方式。5. 對整個嵌入式運動控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試。3. 基于總體結(jié)構(gòu)設(shè)計控制卡的硬件電路。 本課題的意義及論文的主要內(nèi)容本課題通過對開放式數(shù)控技術(shù)的全面調(diào)研和對運動控制技術(shù)的深入研究，并針對國內(nèi)運動控制技術(shù)研究起步較晚的現(xiàn)狀，結(jié)合電機控制應(yīng)用領(lǐng)域的具體需要，緊跟當前運動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，吸收了世界開放式數(shù)控技術(shù)和相關(guān)運動控制技術(shù)的最新成果，通過PCI總線并基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA(Field Programmable Gate Array)相結(jié)合的方案，研制了一款比較新穎的、功能強大的、具有很大柔性的四軸多功能運動控制卡。90年代以來，數(shù)字信號處理器（DSP）在運動控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用，這主要是因為它的高速運算使得很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，而且集成度高，可以實現(xiàn)高精度多軸伺服控制。/BB/AAINT1(IRQ11)INT0(IRQ10)ISA總線INT1INT0上位機數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)鎖存器地址譯碼器80C196KCCPU位置控制部分光 電編碼器差 分接收器光電隔離四倍頻電路8254計數(shù)器數(shù)據(jù)線PC總線接口地址譯碼步進電機控制器緩沖器光隔離輸出脈沖、方向信號輸出中斷選擇譯碼控制器光隔離輸入開關(guān)信號輸入I/O模塊TTL輸出TTL輸入地址線 步進電機控制卡硬件組成框圖3. 基于專用運動控制芯片。信號交換器電路控制總線、地址總線緩沖電路時鐘電路輸出鎖存電路卡地址譯碼選擇電路信號分頻電路輸出放大電路數(shù)據(jù)總線緩沖電路通道A輸出通道B輸出PC總線接口 基于8254的步進電機控制卡硬件組成框圖2. 基于單片機，如8038098，這種方案比第一種要靈活的多，可通過硬件實現(xiàn)許多功能。這樣微機可處理其它控制和檢測任務(wù)：檢測其它狀態(tài)、處理鍵盤和顯示消息、數(shù)據(jù)分析和計算等。3. PC機和I/O卡用I/O卡通過PC機也可以輸出脈沖和方向信號來控制步進或數(shù)字式伺服電機，但所發(fā)的脈沖只能由軟件編程來實現(xiàn)，所以在運動時發(fā)脈沖將占用PC機CPU大量的時間；另外，軟件發(fā)脈沖受到微機定時器的限制，最大脈沖頻率一般在100KHz左右，在控制伺服電機時會有速度和精度的矛盾問題；再者，在Windows環(huán)境下由于其多任務(wù)的機制，若沒有深入Windows內(nèi)核進行底層編程來發(fā)脈沖，幾乎不可能保證脈沖的均勻性。這種方案適應(yīng)于產(chǎn)品批量較大、控制系統(tǒng)功能簡單、有單