1、III 摘 要 數控機床在整個現代制造業中處于基礎性的、核心的地位。在現代制造系統朝 著集成化、綜合化和智能化發展的今天，特別是計算機的發展與普及化，深入研究 新一代數控技術具有重要的意義。目前，以 DSP 為代表的高速高性能專用微處理器 構成的運動控制器的數控系統成為數控技術的發展方向，運動控制器將成為未來數 控系統的核心。 在本設計中，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。MCX314 由硬件來實現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，可廣泛應用于數控機床、機器人等領域的運 動控制。在 MCX314 的基

2、礎上，我們擬定了兩種運動控制器的實現方案，并選定基 于ARM 芯片為主控制器的實現方案，即采用 AT91FR40162 和MCX314 作為主要芯 片，實現復雜的運動控制功能。設計完成基于 AT91FR40162 和 MCX314 的控制器 硬件電路設計；設計了 RS232 串行接口和 CAN 總線接口實現與其他設備通信；分 析了軟件結構特點并完成部分程序編寫，主要包含基本的測試操作函數和運動控制 函數。 關鍵字： MCX314AT91FR40162 運動控制器 IV TitleTitle Design of Motion Controller Based On MCX314 AbstrAbs

3、tractact Numerical control machine is on the basic and kernel position in the modern manufacture. With the modern manufacture system integrated, colligated and intelligent, especial the computer technology development and dissemination, studying the new generation numerical control and dynamics cont

4、rol technology is significant. At present, the numerical control system with motion controller is becoming to the numerical control technique development tide, motion controller will be to kernel of future numerical control system. We select DSP dynamics control special-purpose chip MCX314 made in N

5、OVA electron corporation in our design. MCX314 can realize the complex motion control allergic with hardware, so it has advantage of convenient programming, simple interface and reliable work. Its very convenient to motion control and can be applied to numerical control machine tool, robot, etc. Bas

6、ed on MCX314, we design two scheme of motion controller and select the scheme which base on ARM, AT91FR40162 and MCX314 are main chips, the complex motion control function can be realized. In our design, the hardware circuit of controller was completed, the RS232 interface and CAN bus interface were

7、 designed so that the controller can communicate with other device. The software structure feature is discussed and some program was finished, including basic test function and motion control function. keywokeywords:rds: MCX314, AT91FR40162, Dynamics Controller V 目目 次次 1 緒論.1 1.1 數控系統的發展.1 1.2 開放式數控

8、系統及其研究現狀.2 1.3論文主要工作.4 2 運動控制關鍵技術分析及方案制定.5 2.1 運動控制系統.5 2.2 步進電機運動控制系統.6 2.3 方案的制定.7 2.4 MCX314 芯片.9 2.5AT91FR40162 芯片介紹.13 2.6CAN 總線技術 .14 2.7本章小結.15 3 電路的運動控制器的硬件設計.16 3.1 硬件設計.16 3.2 電路的抗干擾設計.23 3.3 本章小結.24 4 軟件設計.25 4.1 系統工作流程.25 4.2 控制程序特點與編寫.26 4.3串口通信.28 4.4 本章小結.29 結 論.30 致 謝.31 參 考 文 獻.32 附

9、錄一：總體電路圖.34 附錄二：總體電路的PCB 圖.36 目目 次次 VI 1 緒論.1 1.1 數控系統的發展.1 1.2 開放式數控系統及其研究現狀.2 1.3論文主要工作.4 2 運動控制關鍵技術分析及方案制定.5 2.1 運動控制系統.5 2.2 步進電機運動控制系統.6 2.3 方案的制定.7 2.4 MCX314 芯片 .9 2.5AT91FR40162 芯片介紹 .13 2.6CAN 總線技術 .14 2.7本章小結.15 3 電路的運動控制器的硬件設計.16 3.1 硬件設計.16 3.2 電路的抗干擾設計.23 3.3 本章小結.24 4 軟件設計.25 4.1 系統工作流

10、程.25 4.2 控制程序特點與編寫.26 4.3串口通信.29 4.4 本章小結.29 結 論.31 致 謝.32 參 考 文 獻.33 附錄一: 電路原理圖.35 附錄二: 電路 PCB圖 .37 1 1 緒論緒論 制造業是國民經濟的基礎產業，制造業水平的高低是衡量一個國家工業發達程 度的重要標志。大力發展先進的制造技術已成為世界各國最重要的幾大技術戰略之 一，先進制造技術已經是國際競爭與產品革新的一種重要手段。近年來，世界范圍 內出現了研究應用先進制造技術的浪潮，以機械制造為代表的先進制造技術己成為 當代國際間科技競爭的重點，許多國家制定了相應的計劃，其中最具代表性的是美 國的先進制造技

11、術計劃(AMT)、韓國的高級先進技術國家計劃、日本的智能制造計 劃(IMS)和德國制造2000 計劃等。在我國，先進制造技術的重要性業已引起各界的 認識和重視，被列為“九五”計劃和 2010 年中長期科研發展規劃中的主要關鍵技術 和重要發展方向5 6 44。 數控機床在整個現代制造系統中處于基礎性的、核心的地位5。因此，在現代 制造系統朝著集成化、綜合化和智能化發展的今天，特別是計算機技術發展與普及 化，深入研究新一代數控技術具有重要的意義和實用價值。 1.1 數控系統的數控系統的發展發展 數控系統(Numerical Control System)是一種控制系統，它能自動完成信息的輸入、 譯

12、碼、運算，從而控制機床的運動和加工過程。 早期的數控系統采用數字邏輯電路構成。1952 年誕生的第一代為電子管式， 1959 年發展為第二代晶體管式，1965 年出現了第三代的小規模集成電路式數控系統。 這三代數控系統的所有功能均由硬件實現，所以稱為硬件數控系統。這種數控系統 沒有通用性和靈活性，所以其應用范圍受到很大限制，可靠性較低，造價較高。 隨著計算機技術的發展，1970 年出現了通用小型計算機。于是將它移植過來作 為數控系統的核心部件，出現了第四代數控系統，即計算機數控(CNC)系統。1974 年，微處理器被應用于數控系統后，發展為第五代數控系統，即現代 CNC 系統。 CNC 系統特

13、別是現代CNC 系統的主要功能，如插補運算、刀具補償、用戶數控程序 的預處理、刀具加工軌跡仿真等均由軟件實現，所以 CNC系統又稱為軟件數控系統。 自從出現了現代 CNC系統以后，才從根本上解決了數控系統可靠性低、價格昂 貴、應用不便(主要是編程困難)等關鍵問題。到 70 年代末 80 年代初，現代 CNC系 2 統進入成熟期，并在工業化國家形成產業化，數控系統及數控機床開始批量生產和 投放市場，數控技術在其它領域也得到了普及應用。 CNC 技術的應用為制造業帶來異常深刻的變革，但是，隨著現代制造技術的發 展，對 CNC 系統提出了越來越高的要求。從完成功能上看，一方面 CNC 系統必須 適應

14、 DNC、CAD/CAM 及 CIMS 的發展，能提供一個可以集成不同開發商提供的軟 件并適合聯網需要的平臺；另一方面，隨著數控系統在機械制造、冶金、紡織、印 刷、軍工等行業的應用日益增多，中小批量生產的趨勢日益增強，必須根據不同的 用戶需求，迅速、高效、低成本地構筑面向用戶的數控系統。這就要求 CNC 系統具 有模塊化和重新配置的特點：從使用的角度看，新型 CNC系統應能運用于各種計算 機軟硬件平臺上，并提供統一風格的用戶交互環境，以便于用戶的操作、維護和更 新換代。還應能在普及型個人計算機的操作系統上，簡便地應用系統所配置的軟件 模塊和硬件運動控制插件卡；機床制造商和用戶能夠方便的進行軟件

15、開發，追加功 能和實現功能的個性化，使 CNC 系統具有 PC的高速分析運算能力，大容量存儲功 能，各種軟件的支撐，圖文顯示的優勢以及聯網的靈活性。顯然，現代的封閉式結 構的 CNC 系統根本無法滿足這些要求。 數控系統生產廠商為了保持自己的市場競爭力，必須尋求更好的技術手段，使 他們的專用技術能夠隨著計算機技術的更新換代而順利的升級，不必為 CNC 產品換 代而自己開發所有的軟、硬件功能模塊。在這種情況下，基于 PC(國外稱為 PC- BASED)的第六代數控系統開放式結構數控系統便成應運而生7916 17。 1.2 開放式數控開放式數控系統及其研系統及其研究現狀究現狀 進入 90 年代以來

16、，為了適應時代的要求，世界上一些研究機構和生產廠商先后 開展了開放式數控系統的研究。 1.2.1 開放式數控系統的概念 根據 IEEE 關于開放式系統的定義：能夠在多種不同的平臺上運行，可以和其 他系統的應用互操作，并能給用戶提供一種一致風格的交互方式。開放式體系結構 普遍采用模塊化、層次化的結構，并通過各種形式向外提供統一的應用程序接口， 具有可移植性、可擴展性、互操作性和縮放性等特點，即系統組成的內部開放化和 系統組成各部件之間的開放化1517。開放式系統具有以下基本特征： （1）開放性。提供標準化環境的基礎平臺，允許不同功能和不同開發商的軟硬 3 件模塊介入。 （2）可互操作性。通過提供

17、標準化接口、通信和交互機制，使不同的功能模塊 能與標準的應用程序接口運行于系統平臺之上，并獲得平等的相互操作能力，協調 工作。 （3）可移植性。系統的功能軟件與設備無關，即應用統一的數據格式、交互模 型、控制機理，使構成系統的各個功能模塊可來源于不同的開發商提供的硬件平臺 之上。 （4）可擴展性。CNC 系統的功能、模塊可以靈活設置，方便修改，既可以增 加硬件或軟件構成功能更強的系統，也可以裁減其功能以適應低端應用。 （5）可互換性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模塊可以相互替代， 而不影響系統的協調運行。 具有上述基本特征的數控系統可以稱為開放式數控系統，這種開放式控制系統 體系結構并

18、不是現有控制系統體系結構的簡單集合，而是在博采眾長的基礎上，反 映控制系統體系結構未來發展的產物，它將引導開放式控制系統產品的發展，并對 技術的發展起一定的指導作用。在該體系結構中，提供的是概念性和功能性的結構， 而不是系統設施和標準細節的精確定義。 1.2.2開放式數控系統的研究現狀 國際上與開放性數控的項目相關的項目比較多，早在 80 年代，為了擬訂并推進 關于新一代開放式控制系統的詳細分析與規范，美國國防部就開始了名為“下一代 控制器(NGC)” 的計劃。目前最具影響力的是分別由歐洲各國、美國及日本進行的 OSACA、OMAC、OSE，因而這三個計劃的發展現狀基本上代表了開放性數控的發

19、展現狀。 與國際先進水平相比，我國國內的開放式數控系統的研究還處于初級階段，主 要采用在工業 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 的控制軟件來完成數控系統的基本功能。目前己有的開放性數控系統主要有四種： 華中 I 型、中華 I 型、航天 I 型和藍天 I 型。控制系統的開放式結構的出現將導致新 一代控制器的產生，并成為未來制造業的一大支柱。控制器結構的開放性為數控技 術能持續不斷地吸收日新月異的計算機硬軟件最新成果創造了條件，有利于數控產 品自身的更新換代，提高性能，增強競爭力，這正是開放式 NC 控制器之所以被各 發達國家視為重要的戰略技術、紛紛投入研

20、究的重要原因。制造業第三次革命的開 4 放式控制系統的研究，為我國數控產業的發展帶來了新的契機。我們應該抓住這一 大好時機，迅速開展并深化我國的開放性控制系統的研究，縮小我國制造業水平與 發達國家之間的差距18 19 36。 1.31.3論文主要工論文主要工作作 目前，由于以 DSP 為代表的高速高性能專用微處理器的出現和PC 機的廣泛普 及，采用運動控制器的數控系統將成為新一代數控技術發展潮流，運動控制器將成 為未來數控系統的核心。 在本設計中，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。MCX314 由硬件來實現復雜的運動控制算法，使得編程方便，接口簡

21、單， 工作可靠，給運動控制帶來極大方便，可廣泛應用于數控機床、機器人等領域的運 動控制。基于 MCX314 運動控制器具有處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準 確、通用性好的特點。 論文的內容包括： （1）數控技術的研究現狀與發展趨勢，確定課題方案。 （2）AT91FR40162+MCX314 運動控制器的硬件設計。 （3）運動控制器的測試軟件設計，包括一些基本的功能函數和測試例程。 （4）總結和后期展望。 5 2 2 運動控制關運動控制關鍵技術分析鍵技術分析及方案制定及方案制定 2.12.1 運動控制系運動控制系統統 運動控制的實質是根據預定的方案，將上位控制系統做出的決策命令變成某種 期

22、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。一個完整 的運動控制系統通常由上位控制器、驅動器、執行電機、機械傳動機構和位置檢測 元件等組成，其結構框圖如圖 2-1 所示26 35。 圖 2-1運動控制系統結構框圖 上位控制器將分析、計算所得出的決策命令以數字脈沖信號或模擬電壓信號的 形式送到電機驅動器中，驅動器進行功率變換，并驅動伺服電機根據上位指令轉動。 電機通過傳動機構帶動機械結構運動，便可以得到預期的運動參數和運動形式。上 位控制器通常是運動控制卡、具有運動控制功能的 PLC、數控系統(CNC)或單片機 系統等。 數字化執行電機的受控性能較好，已在運動控制系統中普遍應用

23、，如步進電機 或數字式交流伺服電機等。 位置檢測裝置有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺及激光干 涉儀等。 基于以上對運動控制系統的簡要分析，可對其作如下定義：運動控制系統是集 機械、電子、計算機技術于一體的軟硬件系統，它根據預定的方案，將上位控制系 統做出的命令變成某種期望的機械運動，使控制目標得到精確的位置、速度、加速 6 度，或具有特定規律的運動形式。 2.22.2 步進電機運步進電機運動控制系統動控制系統 不管是那一種類型的步進電機，其運動控制系統都是相似的。如圖 2-2 是典型 的步進電機開環控制系統結構框圖，主要由步進電機運動控制器、步進電機驅動器 和步進電機三部分組成

24、353940。 圖 2-2步進電機控制系統原理結構圖 步進電機驅動器主要包括環形分配器和功率放大器兩部分。其中環形分配器又 稱脈沖分配器，它根據運行指令按一定的邏輯關系分配脈沖，通過功率放大器加到 步進電機的各相繞組，使步進電機按一定的方式運行；并實現正、反轉控制和定位 控制。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矩大小)，所以脈沖分配器不能 直接驅動步進電機工作，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。此外，步進電機驅動器在相數、通電狀態、電壓、電流上要符合 所控制的步進電機的技術參數要求

25、。 步進電機運動控制器則是控制系統的核心部分，它根據控制要求提供給步進電 機驅動控制信號，該控制信號包括脈沖信號、脈沖方向信號、控制方式信號。運動 控制器提供給步進電機的驅動信號是標準的信號，不論哪種驅動器都接受這樣的標 準信號，從而為開放式的控制提供了標準接口。這樣為步進電機設計的運動控制器 就可根據不同的需要與不同的驅動器連接使用。 為了控制的方便，步進電機一般可以有兩種不同的控制模式可供選擇。控制模 式就是由控制方式信號來設置的。一種是方向/脈沖模式，在這種控制模式下，脈沖 7 信號控制的是步進電機的運動，脈沖方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

26、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。 2.32.3 方案的制定方案的制定 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 4 軸 3 聯動的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元 3 種模式的連續插補和位置 閉環控制，其性能優良、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

27、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，這種方法的軟，硬件設計相對簡單。傳統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 機內部。PC 機通過 PCI 總線來訪問和控制 MCX314。整個板卡的結構如圖 2-3 所示。 圖 2-

28、3 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 驅動程 8 序,運動控制卡便成為可以讓 PC 機操作系統識別的一部分。主體是 PC機通過 PCI 總 線實現對 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

29、，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，系統的可擴展性和 開放性受到限制，系統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212223： (1) 提高控制性能，采用成熟 32 位的 ARM 處理器來控制，可以提高系統可測 的反映類型和相應的項目。 (2) 提

30、高系統可靠性，AT91FR40162 是一款基于 ARM 內核的 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) 提高系統實時性。 (4) 降低軟件研發成本，軟件開發簡單，快捷，可以有更少的軟件研發人員花 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，能夠提高系統性能，得到更優秀的控 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

31、法，控制器具有 精度高，運行穩定，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，另可實現基 于操作系統的數控系統。加上嵌入式實時操作系統具有實時性、小型化、專用化和 高可靠性，從而克服了傳統的基于單片機控制系統功能不足。 本系統采用的是第一種方案，下面的章節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。 9 2.4 MCX314 芯片芯片 MCX314 是一個用于實現 4 軸運動控制的集成電路。通過這個集成電路可以控 制由步進電機驅動

32、器或由脈沖型伺服電機驅動的 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、數據寄存器、 狀態寄存器和配置寄存器等1 13 14 。結構圖見圖2-4。 圖 2-4MCX314 結構框圖 2.4.1MCX314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 軸聯動，對于恒速驅動、線形或 S 曲線驅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，也可以連續不斷地輸出脈沖。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。 10 （3）恒速控制 恒速控制功能允許

33、在不同的插補進行改換時保持運動速度不變。在插補驅動中， MCX314 可以將 2軸同步脈沖輸出設置為1.44 倍脈沖周期，而將 3 軸同步脈沖輸出 設置為 1.732 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 線命令時產生三角形曲線情況的發生。對于恒速驅動、梯形或 S 曲線加/減速驅動， 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

34、 16MHz 時）小于0.1%。驅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 位的邏輯位置計數器和 1個 32 位的實際位置計數器。邏輯位 置計數器記錄輸出的位置脈沖，而實際位置計數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 個為邏輯位置計數器，另外 1 個為實際位 置計數器。比較結果可從狀態寄存器讀出，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 軸都可以實現線性運動。運動 位置邊界的坐標

35、界于83886088388607 之間，同時線性誤差為0.5 最小插補 單位。插補頻率范圍為 1Hz4MHz。 （8）圓弧插補 任意選擇 2軸都能實現圓弧插補。其邊界坐標界于83886088388607 之間， 同時圓弧誤差為1.0 最小插補單位。插補頻率范圍為 1Hz4MHz。 （9）位模式插補 對任意選擇的 2 軸或 3軸，MCX314 可以實現位模式插補。這種插補的數據由 上位機進行運算。上位機將插補結果寫入MCX314，然后 MCX314 在預置的驅動速 度下連續輸出插補脈沖。這樣，通過使用這種模式，MCX314 可以實現各種形狀的 11 曲線進行插補。 （10）連續插補 MCX314

36、 允許不同的插補方式連續使用，例如直線插補圓弧插補直線插 補不間斷的連續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等等。在插補運動過程中也可以產生中斷信號。 （13）由外部信號驅動 每個軸的脈沖輸出也可以是外部信號驅動的。選擇定長脈沖驅動或是連續脈沖 驅動由外部管腳控制。這個功能可用于低速運行或是示教

37、，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）實時監控 在驅動操作的任何一個狀態，命令指定的位置、實際位置、驅動速度、加/減速 等狀態都可以被讀出。 （17）可用 8 位或16 位數據總線 MCX314 可以與 8位或 16 位CPU 相連。使用不同的設置，進行 8

38、位或16 位數 據操作。 2.4.2 MCX314 工作方式 與 MCX314 的數據交換，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，其中數字相同的寄存器有相同的映射地址。 12 （1）命令寄存器WR0 MCX314 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，它將立即執行。某些命令 在寫入 WR0之前，應先寫入 WR6 和 WR7。 （2）模式寄存器WR1 4 軸都有各自的狀態寄存器。哪個寄存器被寫，取決于由 NOP 指令的指定或寫 前的情況。WR1 可以控制輸入信號與中斷信號的使能，并用于設定減

39、速狀態和比較 結果寄存器。 （3）模式寄存器WR2 WR2 被用于設定外部限位開關輸入、反饋計數器脈沖類型以及伺服驅動的反饋 信號。 （4）模式寄存器WR3 4 根軸都有各自的 WR3。哪個狀態寄存器這會被讀，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）數據寄存器WR6/WR7 數據寄存器WR6/WR7 在操作與數據相關的命

40、令時使用。在將命令字寫入 WR0 之前，應先將數據寫入 WR6和 WR7：WR6 用來存放數據的低字，WR7 用來存放數 據的高字。 （8）主狀態寄存器 RR0 該寄存器用來顯示軸驅動與錯誤的狀態。此外，它還顯示了插補、連續插補的 就緒信號、圓弧插補的象限和 BP插補的堆棧計數器。 （9）狀態寄存器RR1 每個軸都有狀態寄存器RR1。哪個狀態寄存器被讀取，決定于寫入MCX314 的 命令。它主要顯示軸的運動狀態和限位信號狀態。 13 （10）狀態寄存器RR2 同 RR1，4 根軸中每根軸都有自己的狀態寄存器 2。它主要顯示出錯的原因。 （11）狀態寄存器RR3 同 RR1 和RR2，4 根軸中

41、的每根軸都有自己的狀態寄存器 3。它主要顯示中斷 的來源。 （12）輸入寄存器RR4/RR5 RR4 和 RR5 為通用輸入寄存器。 （13）數據寄存器RR6/RR7 RR6 和 RR7 是數據寄存器并對應于相應的數據讀取命令。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，WR2、WR3、WR4、WR5、WR6、WR7、以及 RR2、RR3、RR4、RR5、RR6、RR7 將作為專用于位模式插補數據寄存器，不再實 現原來的功能。 2.5AT91FR40162 芯片介紹芯片介紹 AT91FR40162 是美國 ATMEL 公司生產的 AT91 系列微控制

42、器中的一員，具有 ARM7TDMI核、大容量 Flash 存儲器以及片內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者使用的靈活性。除此以外，大量的內部分組寄存器加速 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 級基于向量的優先級 中斷控制器和外圍數據控制器 PDC 大大增強了實時器件的性能。此器件適用于開發 工業自動化系統、MP3、銷售終端、GPS 接收機以及無線網絡產品等對功耗敏感而 且要求具有實時性的產品。AT91FR40162 微控制器的特點是在一個 121-b

43、all BGA 封 裝中集成了 256 KB 的片內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 適合于在系統可編程 應用21 22。 2.5.1體系結構 AT91FR40162 是由 ATMEL 公司的 AT91R40008 ARM/Thumb微控制器和1 個 14 AT49BV1604A/1614A 16Mbi

44、t Flash存儲器集成的 121-ball BGA 封裝器件。除了 Flash 存儲器使能信號以外的所有地址、數據和控制信號都是內部互連的。 AT91R40008體系結構包括 2 條主要總線：先進的系統總線 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 32 位存儲器、外部總線接口 EBI 和AMBA 橋進行接口。AMBA 橋驅動 APB，APB 被設計用于訪問片內外圍并且進行了低功耗優化。AT91FR40162 將 ARM7TDMI處 理器的 ICE 端口接到一些專用的引腳上，從而為目標調試提供了完整、低價且易用 的調試解

45、決方案28。 （1）存儲器 AT91FR40162 嵌入了 256 KB 的內部SRAM。這個內部存儲器是單周期訪問的， 它直接與 32 位數據總線相連。這樣通過使用微控制器的 ARM 指令集在 66 MHz 下 可以提供 60 MIPS 的最高性能，同時降低了系統功耗。AT91FR40162 以擁有 1個外 部總線接口 EBI為特性，它用于連接外部存儲器和專用外圍設備。EBI 支持8 或 16 位器件并且可以使用 2 個8 位器件來仿真 1 個 16 位器件。EBI 執行早讀協議，與標 準的存儲器接口相比，能夠提供更快的存儲器訪問速度。AT91FR40162 嵌入了 1個 由 1024K 字

46、 16位字組成的Flash存儲器，通過 EBI可以訪問它。Flash的主要功能是 作為程序存儲器。1 條 16 位的 Thumb 指令可以在 1 個訪問周期從 Flash 存儲器被加 載。分離的 MCU 和 Flash 復位輸入（NRST 和NRSTF）是為了得到最大的系統靈活 性，方便用戶自由地根據應用選擇復位操作。AT91FR40162 集成了一個叫 AT91 Flash Up loader 的駐留引導軟件。AT91 Flash Up loader 軟件能夠向 Flash 存儲器加載 應用軟件。 （2）外 圍 AT91FR40162 集成了多個外圍，它們被分成2 類：系統外圍和用戶外圍。所

47、有 的片內外圍都可以通過 AMBA 橋接受 32 位的訪問。外圍寄存器由控制寄存器、模 式寄存器、數據寄存器、狀態寄存器和使能/禁止/狀態寄存器組成。外圍數據控制器 PDC在片內 USART 和片內或片外的存儲器之間傳輸數據，并且無需處理器的介入。 最重要的一點是，PDC 消除了數據傳輸中斷的額外開銷，從而在不需要重新編程起 始地址的情況下可以連續傳輸高達 64 KB 的數據。這樣不僅增加了微控制器的性能， 而且降低了功耗212223 27。 15 2.6CAN 總線總線技術技術 CAN 全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛 的現場總線之一；

48、它是一種多方式的串行通訊總線，基本設計規范要求有高的位速 率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測產生的任何錯誤；能有效支持分布式控制或實 時控制的串行通訊網絡。CAN 總線是一種多主機局域網，由于其卓越性能現已廣泛 應用于工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環境控制等眾 多部門。 CAN 總線的主要特性： (1)具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點； (2)采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作； (3)具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CAN-bus 上， 形成多主機局部網絡； (4)可根據報文的 ID 決定接收

49、或屏蔽該報文； (5)可靠的錯誤處理和檢錯機制； (6)發送的信息遭到破壞后，可自動重發； (7)節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能； (8)報文不包含源地址或目標地址，標志符來指示功能信息、優先級信息。 CAN 總線作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場與控制設備之間 及其與更高控制管理層次之間的聯系，使企業信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產 現場“采用現場總線來構建集成系統，其網絡拓撲結構具有比點-點型連線少，靈活 性高，故障率低；比局域網連接方式結構簡單，造價底” 。 2.7本章小結本章小結 本章介紹了運動控制相關的關鍵技術。以日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP

50、運動控制專用芯片 MCX314 為核心，討論了兩種方案，分析了各自特點，根據設計 要求選用 ARM7 芯片來控制 MCX314 構成外置式的運動控制器的方案。并對主要芯 片作了介紹。 16 3 電路的運動電路的運動控制器的硬控制器的硬件設計件設計 該方案選用ATMEL 公司的 AT91FR40162 作為主控制芯片，由它來控制運動控 制專用芯片 MCX314。再加上外圍電路，就構成了整個運動控制器系統。簡單的說， 整個系統的工作機制就是通過主 CPU 對 MCX314 的寄存器的寫和讀，來完成脈沖 輸出驅動步進電機以及查詢系統的工作狀態。整個系統的結構框圖如圖 3-1 所示： 圖 3-1系統整

51、體框圖 從圖中我們可以看出，該系統分為幾個模塊：電源模塊、復位模塊、時鐘模塊、 調試接口模塊、輸入輸出通道模塊、通信模塊等。 3.1 硬件設計硬件設計 3.1.1電源模塊設計 電源為整個系統提供能量，是整個系統工作的基礎，具有極其重要的地位，如 果電源系統處理得好，整個系統的故障往往能減少一半。在本系統中，MCX314 采 用 5V電源供電，必須將它的7 個 VDD引腳連接到5V 電源1。同時在 MCX314 的 VDD 和 GND 之間加放 12 個高頻特性好的 0.1uF 左右的電容。而 AT91FR40162 17 內核需要 1.8V 電壓，片內外圍要求 3.3V 的電壓。其余外圍器件用

52、 5V 電壓。綜上， 系統共需要三種電源：5V、3.3V、1.8V。為簡化設計，采用 5V 電源供電，然后采 用 LT1084CT-3.3 和 LM317 得到 3.3V 和 1.8V 的電壓。具體的電路圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 電源模塊框圖 3.1.2時鐘電路設計 MCX314 需要一個16.000MHz 的主時鐘信號來啟動芯片內部的同步電路，驅動 速度、加/減速度、加速度/減速度的變化率都根據此頻率。對于 AT91FR40162 來說， 如果 MCKI 引腳由 1個外部源提供，那么 AT91FR40162 則為一個完全靜態的設計， 并工作于主時鐘 MCK（66MHz）下。主時鐘還

53、在引腳 MCKO 上作為器件的輸出， 這個引腳與一個通用 I/O 線復用。當 NRST處于活動狀態并且發生復位后，MCKO 有效并輸出 MCK 信號的映像。必須編程 PIO 控制器來使用這個引腳作為標準 I/O 線1 21 22。我們分別選用了 16MHz 和 66MHz 的晶振來構建兩個主芯片的時鐘電路， 具體電路實現見圖 3-3。 18 圖 3-3 時鐘模塊框圖 3.1.3復位模塊電路設計 微控制器在上電時狀態并不確定，則造成微控制器不能正確的工作10。為解決 這個問題，所有的微控制器都需要有一個復位邏輯，它負責將控制器初始化為某個 確定的狀態，這個復位邏輯需要一個信號才能工作。微控制器自

54、己上電時會產生復 位信號，但是多數控制器需要外部輸入這個信號。由于這個信號會使微控制器初始 化為某種狀態，所以這個信號的穩定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響。 簡單的阻容復位電路成本比較低，但它不能保證任何情況產生穩定可靠的復位 信號，由于 ARM和 DSP 芯片的高速、低功耗、低電壓導致噪聲容限低，對電源的 紋波、瞬態相應性能、時鐘源的穩定性、電源監控可靠性等諸多方面也提出了更高 的要求。本系統復位電路使用了專用芯片 MAX706T，提高系統的可靠性。當按下 復位按鈕時，該芯片輸出的低電平同時對 MCX314 和 AT91FR40162進行復位操作。 具體的電路如圖 3-4 所示。

55、19 圖 3-4 復位模塊框圖 3.1.4調試接口設計 調試接口采用 ARM 公司 JTAG仿真調試接口2227。JTAG(Joint Test Action Group 聯合測試行動小組)是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對系 統進行仿真、調試。 JTAG 技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路 TAP（Test Access Port，測試訪問口） ，通過專用的JTAG 測試工具對內部節點進行 測試。目前大多數比較復雜的器件都支持JTAG 協議，如 ARM、DSP、FPGA 器件 等。標準的 JTAG 接口是4 線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試

56、模式選擇、測 試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。 JTAG 測試允許多個器件通過 JTAG 接口串聯在一起，形成一個 JTAG 鏈，能實 現對各個器件分別測試。JTAG 接口還常用于實現 ISP（In-System Programmable 在 系統編程）功能，如對 FLASH 器件進行編程等。通過 JTAG 接口，可對芯片內部的 所有部件進行訪問，因而是開發調試嵌入式系統的一種簡潔高效的手段。目前 JTAG 接口的連接有兩種標準，即 14 針接口和 20 針接口，本系統采用20 針接口。 如圖所示 3-5： 圖 3-5 JTAG 接口框圖 20 3.1.5 RS-232串行通信模塊設計 為

57、了實現控制器與上位計算機的通訊，以便充分利用計算機的強大數據處理功 能對控制器進行控制與管理，需要對控制器擴展串口通訊接口電路。AT91X40 系列 微控制器內部集成了兩個完全相同的全雙工通用同步/異步收發器（USART） USART0 和 USART1。USART接到 APB并與外圍數據控制器 PDC 連接。 由于 PC 機都帶有 RS-232C 標準的串口，為方便控制器與其進行數據交換，我 們使用了SP232ACN 進行RS-232 電平轉換，與 USART0 連接實現了 RS-232C 標準 串口通信。SP232ACN 系列是 RS232 收發器對便攜式或手持式應用如筆記本或掌上 型電腦

58、的一種解決方案。SP232ACN 芯片功耗低、集成度高，工作電壓為35.5 伏 供電，具有兩個接收和發送通道。具體的電路如圖 3-6 所示。 圖 3-6 RS-232 接口框圖 3.1.6 CAN總線接口設計 在 CAN 總線通信接口中，采用 FHILIPS 公司的 SJA1000 和82C250 芯片。 SJA1000 是獨立CAN 通信控制器，82C250 為高性能CAN 總線收發器。此器件對總 線提供差動發送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。硬件電路中使用 PCA82C250 還可以增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射 頻干擾，實現熱防護等。 SJA1000

59、在電路中是一個總線接口芯片，實現從上位機 PC-CAN 接口到現場微 處理器之間的數據通信。對于微處理器而言，SJA1000 是一個總線接口，SJA1000 21 片內的存儲單元相對 AT91FR40162 來說是片外的數據存儲器，因此，可以按照擴展 片外數據存儲器的形式來訪問 SJA1000 的寄存器地址。 AT91FR40162 通過片選信號選通 SJA1000，并由此決定CAN 控制器各寄存器的 地址，通過讀、寫外部數據存儲器的形式來訪問 SJA1000。在系統中我們將 SJA1000 的TX1 腳懸空，RX1 引腳接地，形成 CAN協議所要求的電平邏輯。該電路 的主要功能就是通過 CA

60、N總線接收來自上位機的數據進行分析組態，然后下傳給下 位機的控制電路實現控制功能。 在進行電路設計時應當注意：為進一步提高系統抗干擾能力，在 CAN 控制器 SJA1000 和CAN 控制器接口 82C250 之間加接 6N137 光電隔離芯片；通信信號傳輸 到導線的端點時會發生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端兩個 124W 的電阻對匹配總線阻抗起著相當重要的作用，忽略掉它們，會使數據通信的 抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信；82C250 第 8 腳與地之間的電阻 RS 稱 為斜率電阻，它的取值決定了系統處于高速工作方式還是斜率控制方式29 38。把該 引腳直接與地相連，