【正文】 其更適合于實時控制的應(yīng)用?！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。低 16 位在 RR6 寄存器；高 16 位在 RR7 寄存器。（12）輸入寄存器 RR4/RR5RR4 和 RR5 為通用輸入寄存器。（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。（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。哪個狀態(tài)寄存器被讀取，決定于寫入 MCX314 的命令。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。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。（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。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。（4）模式寄存器 WR34 根軸都有各自的 WR3。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。（2）模式寄存器 WR14 軸都有各自的狀態(tài)寄存器。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。 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。（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。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。每個軸另有 8 個通用輸出點。（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。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。在插補運動過程中也可以產(chǎn)生中斷信號。（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(shè)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。這樣，通過使用這種模式，MCX314 可以實現(xiàn)各種形狀的曲線進行插補。這種插補的數(shù)據(jù)由上位機進行運算。插補頻率范圍為 1Hz～4MHz。其邊界坐標界于－8388608～＋8388607 之間，同時圓弧誤差為177。插補頻率范圍為 1Hz～4MHz。運動位置邊界的坐標界于－8388608～＋8388607 之間，同時線性誤差為177。這些寄存器也可被用來實現(xiàn)軟件限位。（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。（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。%。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。每根單獨的軸被獨立的預置為 S 曲線或梯形加 /減速。在插補驅(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。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。 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。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] 。 MCX314 芯片MCX314 是一個用于實現(xiàn) 4 軸運動控制的集成電路。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。該控制器包含CAN 總線和 RS232 串行接口來與其他設(shè)備通訊。(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。(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]。由 PC 機通過 PCI 總線接口直接對 MCX314 進行控制，但設(shè)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(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。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。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。 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。PC 機通過PCI 總線來訪問和控制 MCX314。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(shè)備通訊。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(gòu)成控制系統(tǒng)，這種方法的軟，硬件設(shè)計相對簡單?？蓮V泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制 [1] [13] [14]。 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。控制模式就是由控制方式信號來設(shè)置的。這樣為步進電機設(shè)計的運動控制器就可根據(jù)不同的需要與不同的驅(qū)動器連接使用。步進電機運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電機驅(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。由于輸出的功率極小，只有幾毫安電流，而步進電機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電機的轉(zhuǎn)矩大小)，所以脈沖分配器不能直接驅(qū)動步進電機工作，必須通過功率放大器進行放大，才能給步進電機各相繞組提供足夠的電流。 圖 22　步進電機控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 步進電機驅(qū)動器主要包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分。 步進電機運動控制系統(tǒng)不管是那一種類型的步進電機，其運動控制系統(tǒng)都是相似的。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。上位控制器通常是運動控制卡、具有運動控制功能的 PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機系統(tǒng)等。 圖 21　運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖上位控制器將分析、計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驅(qū)動器中，驅(qū)動器進行功率變換，并驅(qū)動伺服電機根據(jù)上位指令轉(zhuǎn)動。2 運動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 運動控制系統(tǒng)運動控制的實質(zhì)是根據(jù)預定的方案，將上位控制系統(tǒng)做出的決策命令變成某種期望的機械運動，以得到確定的位置、速度、加速度或特定的運動形式。（3）運動控制器的測試軟件設(shè)計，包括一些基本的功能函數(shù)和測試例程。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。 MCX314 由硬件來實現(xiàn)復雜的運動控制算法，使得編程方便，接口簡單，工作可靠，給運動控制帶來極大方便，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制。　論文主要工作目前，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 機的廣泛普及，采用運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)將成為新一代數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流，運動控制器將成為未來數(shù)控系統(tǒng)的核心。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?？刂葡到y(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將導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。與國際先進水平相比，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?！￠_放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀國際上與開放性數(shù)控的項目相關(guān)的項目比較多，早在 80 年代，為了擬訂并推進關(guān)于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細分析與規(guī)范，美國國防部就開始了名為“下一代控制器(NGC) ” 的計劃。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)展起一定的指導作用。（5）可互換性。（4）可擴展性。（3）可移植性。（2）可互操作性。開放式系統(tǒng)具有以下基本特征：（1）開放性。 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格的交互方式。在這種情況下，基于 PC(國外稱為 PCBASED)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)運而生 [7][9][16] [17]。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。這就要求 CNC 系統(tǒng)具有模塊化和重新配置的特點：從使用的角度看，新型 CNC 系統(tǒng)應(yīng)能運用于各種計算機軟硬件平臺上，并提供統(tǒng)一風格的用戶交互環(huán)境，以便于用戶的操作、維護和更新?lián)Q代。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。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、價格昂貴、應(yīng)用不便( 主要是編程困難)等關(guān)鍵問題。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)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，1970 年出現(xiàn)了通用小型計算機。這三代數(shù)控系統(tǒng)的所有功能均由硬件實現(xiàn)，所以稱為硬件數(shù)控系統(tǒng)。早期的數(shù)控系統(tǒng)采用數(shù)字邏輯電路構(gòu)成。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，特別是計算機技術(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用價值。在我國，先進制造技術(shù)的重要性業(yè)已引起各界的認識和重視，被列為“九五”計劃和 2022 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]。大力發(fā)展先進的制造技術(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。設(shè)計完成基于 AT91FR40162 和 MCX314 的控制器硬件電路設(shè)計；設(shè)計了 RS232 串行接口和 CAN 總線接口實現(xiàn)與其他設(shè)備通信；分析了軟件結(jié)構(gòu)特點并完成部分程序編寫，主要包含基本的測試操作函數(shù)和運動控制函數(shù)。MCX314 由硬件來實現(xiàn)復雜的運動控制算法，使得編程方便，接口簡單，工作可靠，給運動控制帶來極大方便，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制。目前，以 DSP 為代表的高速高性能專用微處理器構(gòu)成的運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)成為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，運動控制器將成為未來數(shù)控系統(tǒng)的核心。 摘 要數(shù)控機床在整個現(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，特別是計算機的發(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。在本設(shè)計中，我們選用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運動控制專用芯片 MCX314。在 MCX314 的基礎(chǔ)上，我們擬定了兩種運動控制器的實現(xiàn)方案，并選定基于 ARM 芯片為主控制器的實現(xiàn)方案，即采用 AT91FR40162 和 MCX314 作為主要芯片，實現(xiàn)復雜的運動控制功能。關(guān)鍵字： MCX314　　AT91FR40162 運動控制器　　Title Design of Motion Controller Based On MCX314 AbstractNumerical control machine is on the basic and kernel position in the modern manufacture. With the modern manufacture system integrated, colligated and intelligent, especial the puter 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 being to the numerical control