基于并口控制的数控机械运动研究

XX 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者: 学 号： 学 院:机械工程学院专 业:机械设计制造及其自动化题 目:基于并口控制的数控机械运动研究指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)年月毕业设计说明书（论文）中文摘要并口作为计算机的标准接口之一，已经广泛应用于各种设备，用户只需通过简单的插入操作，就可将几乎所有的外部设备连接到电脑上，并通过它来实现输入、输出或者是双向连接。并行接口的传输的位数，最常用的是8位，可通过接口一次传送8个数据位。在计算机领域最常用的并行接口是LTP接口。PC机上的标准并口一般都是一个25针的接口。本课题的原理是将预先设定好的G代码转化为EMC2软件能读懂的信号，然后EMC2软件通过计算机并口到驱动板将信号放大给驱动器脉冲信号，驱动器带动步进电机然后就是雕刻机正常运行。本课题的主要任务就是认真研究关于并口控制的相关知识，以及结合所学知识和现在先进的控制技术，将并口应用于三轴运动控制系统中，再把实验室中三维步进数控平台的固高运动控制器用并口替换。关键词 并口控制，三轴运动控制系统，替换，固高运动控制器毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Research On CNC Machinery MovementBased On The Parallel PortAbstractParallel portasoneofthestandard interfaceofthecomputer,has been widelyusedina variety ofequipment,justasimpleinsert operationcanalmost allexternal devices connected to thecomputer,and through ittothe input, output, orbidirectional connection. Parallel port of digits, the most common is eight, through the interface a transmission eight data bits. In the field of computer parallel port is the most commonly used LTP interface. PC standard parallel port is usually a 25 injection interface. This topic is principle will predetermined G code into EMC2 software can read of the signal, and then EMC2 software through the computer parallel to the driver board will amplification to drive the pulse signal, drive drive stepping motor and then is carving machine normal operation. The main taskofthis projectistocarefully studythe relevant knowledgeontheparallel port control,combinedwiththe knowledge andstate-of-the-artcontrol technology, the parallel portusedinthree-axismotion control system,thenGoogolmotion controllerisreplacedwiththe parallel port.Keywords Parallel port control, Axis motioncontrolsystem, Replace, Googolmotion controller目录1 引言11.1 课题简介11.2 并口的发展现状12 并口控制原理22.1 并口定义22.2 并口控制特点22.3 并口的分类32.3.1 存储器类32.3.2 打印机类32.3.3 加密锁类42.4 并口控制原理42.5 并口控制模式62.6 并口连接线72.7 并口连接器73 并口控制实现93.1 并口访问93.1.1 并口管脚及寄存器93.1.2 并口的系统资源153.1.3 并口的内部结构163.2 并口输出174 并口控制应用204.1 固高运动控制器204.2 端子板内部接线244.2.1 CN1引脚与并口引脚264.2.2 CN2引脚与并口引脚265 并口控制应用的试验验证286 并口控制应用的未来展望29结论30致谢31参考文献321 引言1.1 课题简介 本次毕业设计课题为“基于并口控制的数控机械运动研究”。其主要任务就是认真研究关于并口控制的相关知识，以及结合所学知识和现在先进的控制技术，将并口应用于三轴运动控制系统中，再把实验室中三维步进数控平台的固高运动控制器用并口替换。1.2 并口的发展现状并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。通常所说的并行接口一般称为Centronics接口，也称IEEE1284，最早由Centronics Data Computer Corporation公司在20世纪60年代中期制定。Centronics公司当初是为点阵行式打印机设计的并行接口。它每次单向并行传输1字节数据，速度高于当时的串行接口，获得广泛应用，成为打印机的接口标准。1991年以后，各大公司为扩大其应用范围而与其他接口竞争，改进了Centronics接口，使它实现更高速的双向通信，以便能连接磁盘机、磁带机、光盘机、网络设备等计算机外部设备（简称外设），最终形成了IEEE1284-1994标准，数据率从10KB/s提高到可达2MB/s。而现在，并口已经成为了计算机配置的标准接口之一，并口在很多领域广泛应用，成为了数据采集的通用接口。用户只需通过简单的插入操作，就可将几乎所有的外部设备连接到电脑上，并通过它来实现输入、输出或者是双向连接。打印机仍然是连接到并口上的最常见设备，但外部磁带机、磁盘驱动器、扫描仪等其他设备也得到了广泛的应用。便携式电脑可以使用基于并口的网络接口或者是游戏操纵杆，许多并口还被用于数据采集，测试和控制等特殊场合。另外，在很多需要计算机和外设之间进行通信的通用小型设备中，并口也是通信设备的首选。2 并口控制原理2.1 并口定义并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。并行接口的传输的位数，最常用的是8位，可通过接口一次传送8个数据位。在计算机领域最常用的并行接口是LTP接口。PC机上的标准并口一般都是一个25针的接口。2.2 并口控制特点并行接口最基本的特点是在多根数据线上以数据字节为单位与I/O设备或被控对象传送信息。如打印机接口，A/D，D/A转移器接口，IEEE-488接口，开关量接口，控制设备接口等。与此相应的有串行接口，它是在一根线上以数据位为单位与I/O设备或通信设备传送信息。如CRT，键盘及调制解调器接口等。因此，并行口的“并行”含义不是指接口与系统总线一侧的并行数据线而言，而是指接口与I/O设备或被控对象一侧的并行数据线。并行接口适用于近距离传送的场合。由于各种I/O设备和被控对象多为并行数据线连接，CPU用并行口来组成应用系统很方便，故使用十分普通。在并行接口中，除了少数场合之外，一般都要求在接口与外设之间设置并行数据线的同时，至少还要设置两根握手信号线，以便互锁异步握手方式的通信。握手信号线在有些接口芯片中是固定的。在并行接口中，8位或16位是一起行动的，因此，当采用并行接口与外设交换数据时，即使是只用到其中的一位，也是一次输入/输出8位或16位。并行传送的信息，不要求固定的格式，这与串行传送的信息有数据格式的要求不同。从并行接口的电路结构来看，并行口有硬件连接接口和可编程接口之分。硬件连接接口的工作方式及功能用硬件连接来设定，用软件编程的方法不能改变；如果接口的工作方式及功能可以用软件编程序的方法改变，就叫可编程接口。并口有如下优点：1. 协议简单：因为PC机和外设之间的多种状态和控制信号可以用硬件表达，因此可以简化通讯协议，即PC机与外设之间的通讯通过硬件握手来完成。2. 多种工作模式选择：一般的主板都支持SPP、EPP、ECP等。3. 性能高：为了克服串口速度慢，IBM等公司开发了并口，并口能同时通过8条数据线传输信息，速度明显高于串口，而且在ECP模式下可以通过DMA方式通讯。 有些目标系统为了追求低成本和高效率而灵活的时序，没有专门的CPU来控制系统的运行，而是由目标系统硬件本身来实现控制逻辑。这些系统往往需要使用硬件握手来完成数据的传输，并口相比较串口和USB而言，易于实现硬件握手。因此当通讯距离不长而且需要使用握手进行通讯时，并口不失为一种首选方案。2.3 并口的分类并口类设备可以分为三种类型：存储器类、打印机类、加密锁类。2.3.1 存储器类存储器类包括常见的ATA硬盘、软驱、光驱等，ATA其实是IDE设备的接口标准，大部分硬盘、光驱、软驱等等都使用的是ATA接口。譬如现在还有大部分使用者用的都是并行ATA接口的硬盘，应该对它许多针排线的接口是再熟悉不过了，平常我们说到硬盘接口，就不得不提到Ultra-ATA/100、Ultra-ATA/133，这表示该硬盘接口的最大传输速率为100MB/s和133MB/s，且硬盘是以并行的方式进行数据传输，所以我们也把这类硬盘称为并行ATA,它的最大优点在于把CPU从大量的数据传输中解放出来了，可以把数据从HDD直接传输到主存而不占用更多的CPU资源，从而在一定程度上提高了整个系统的性能。以平行数据线做为设备与计算机间的连接线，性能较高、不用安驱动、价值较低廉。在硬盘类产品中，由于硬盘类并口技术在处理码间干扰信号产生反射并叠加到时序靠后的信号中、信号发送端与接收端产生的时间偏移、串音干扰即限制了传输的距离、直流偏置要求的电路复杂程序高等方面有自身的限制而阻碍了向更高速率的发展，目前的此类并行接口硬盘逐渐由新型的串口硬盘所替代，但由于像软驱、光驱等产品的接口按现行的并口技术效率已经可长期满足应用，串口暂时存在着安装驱动的因素，以及早期由“串口技术”转为“并口技术”再又回到“新型串口技术”阶段还需要长期的论证与实际应用，因此做为存储类并口技术型设备还有其自身的价值。2.3.2 打印机类打印机(LPT)并行口一般有25个引脚，其中包括8位数据线,5位打印机状态线,4位控制线，目前主要有三种打印机类型的并口：“Normal”、“EPP”和“ECP”。其中 Normal 又分为 4bit、8bit、半8bit 等几类。Normal 是一种低速的并口模式，适合打印输出。EPP口(Enhanced Paralle Port)，即增强并行口，向下兼容所有在此之前存在的并行接口及外设,是由 Intel、Xircom、Zenith 等一些公司开发的，目的是在外部设备间进行双向通讯。ECP口(Extended Capabilities Port)即扩展并行口，由 Microsoft 和 HP 开发，它具有和 EPP 一样的速率和双向通讯能力，但在多任务环境下，它能使用 DMA(直接存储器访问) 方式，所需缓冲区也不大。现阶段的主板大都支持以上三种并口模式，为尽量增强并口的性能一般都将并口设定为 ECP+EPP，但如果当连接并口的外设出现兼容性错误时，应该将并口设置为 Normal 模式。打印机端口可供利用的资源比较丰富，可以用来实现较高速的双向数据通信，而代价又很低。2.3.3 加密锁类关于并口加密锁的应用领域较为特殊，常常为一些应用软件，做为软件的硬授权进行加密交换算法，达到保护知识产权的效果。这种并口加密锁的应用有特殊的并口通信协议，以脉冲形式的握手信号，可有效对抗各种跟踪调试工具及软件。更具有代码移植技术，按传统加密思想加密后的软件系统中，软件部分实际上仍然包含有原软件系统正常运行时所需要的所有信息（指令算法和数据）。在经过代码移植技术加密的软件系统，系统的软件部分已不完整，解密者即使历尽千辛万苦把软件分析透彻了，软件系统的正常运行还是离不开软件狗的支持。该技术将待加密软件与加密系统紧密配合，将需要保护的软件完全封装在黑盒中，通信过程中，将其中的若干根信号线作为数据传输线，若干根作为电源传输线；而且每根数据端口线的作用可以进行动态再分配。这种方法可以让端口分析仪几乎失去作用，抗分析性极强。软件部分目前只采用内含式加密法分为五个模块：底层I/O 操作模块、用户接口模块、反跟踪模块、异常处理模块和全自动操作模块。现今由于各类服务器及笔记本接口的发展，并口加密锁也逐渐由USB口所替代，出现了更多的USB口的打印设备、加密锁设备，但由于USB口的驱动程序对于系统往往存在着不稳定因素，因此两种接口技术的设备共同存在。2.4 并口控制原理在计算机领域中，接口是微处理器或CPU用来与其他组件之间进行数据交换的一组信号线。接口的典型应用是连接打印机、调制解调器、键盘、显示器等除系统存储器之外的几乎所有组件和设备。大多数计算机接口都是数字式的，也就是说，每个信号或者说位，要么是0，要么是1。并口即打印机接口，它和RS一232端口一起构成PC机通信的主要途径。在一些新型PC机中，可能还有SCSI、USB、lrDA等其他端口，但传统并口应用的广泛性和灵活性使其仍然是每台PC机中不可或缺的部分。并行接口中各位数据都是并行传送的，能一次同时输出或输入8个高低电平，代表8位二进制，如8条线的电压分别是：高、低、高、低、高、高、低、低，那就代表二进制：10101100.这些电压是可以自保持的，就是在你没有控制它变化时，它可以保持原来的电压，即所谓的寄存器锁存功能。电脑可以通过改变并口上各线上电压的高低，来达到控制外部设备的目的。如图2.1所示，图中的并行接口是一个双通道的接口，能完成数据的输入和输出。其中，数据的输入/输出是由输入/输出缓冲器来实现的，状态寄存器提供状态信息供CPU查询，控制寄存器接收来自CPU的各种控制命令。在数据输入过程中：输入设备将数据送给接口同时使“数据输入准备好”有效。接口把数据送给输入缓冲寄存器时，使“数据输入回答”信号有效，当外设收到应答信号后，就撤消“数据输入准备好”和数据信号。同时，状态寄存器中的相应位（“数据输入准备好”）有效，以供CPU查询。当然，也可采用中断方式，向CPU发出中断请求。CPU在读取数据后，接口会自动将状态寄存器中的“数据输入准备好”位复位。然后，CPU进入下一个输入过程。在数据输出过程中：当CPU输出的数据送到数据输出缓冲寄存器后，接口会自动清除状态寄存器中的“输出准备好”状态位，并且把数据送给输出设备，输出设备收到数据后，向接口发一个应答信号，告诉接口数据已收到，接口收到信号后，将状态寄存器中的“输出准备好”状态位置“1”。然后，CPU进入下一个输出过程。图2.1 并口控制原理图2.5 并口控制模式随着PC机设计的快速发展，生产厂商推出了几种改进型的并口。这些新型的并口与原始设计兼容，同时加入一些主要以提高速度为目的的新功能。PC机与外围设备的速度不断提高，它们所完成的工作越来越复杂，所要交换的信息日益增加，因此，并口的速度也就日益重要。传统并口的速度对于向点阵、菊花链式打印机传送代表ASCll字符的字节而言，已经绰绰有余。但是，现在的打印机要完成在一页中用不同颜色打印出不同字体、细致的图表之类的工作，就必须从PC机得到更多的信息，PC机向打印机传送这些信息的速度越快，打印机就能越迅速地开始处理和打印结果。更快的并口还可以使用户能用便携的、以外设形式出现的设备代替传统方式下只能内置于计算机的组件。如并口磁带机或磁盘驱动器可以方便地从一个系统移至另一个系统。1.SPP 即标准并口，数据是半双工单向传输的，传输速度只有150/S，主要功能：为并行端口提供了8个数据线以进行并行的字节传输，计算机能够通过数据线向打印机发送选能信号，以通知打印机准备好接收数据，打印机接收到数据后，向计算机发送一个回应信号（NACK）。2.PS/2型 即简单双向型，对并行接口的一种早期改进方案是由IBM的PS/2引入的双向数据端口，这种双向端口容许外设每次向PC机发送8位信息。现在，PS/2 型并口是指所有具有双向数据端口，但不是后面介绍的EPP或ECP模式的并行接口。8字节模式是PS/2型并口可以用来实现从外设到PC数据传输的一个8位数据传输协议。3.ECP 即扩充功能并口，它是由HP和microsoft首先推出的。ECP是双向接口，并能以ISA总线速度传送数据。ECP有缓冲区，支持直接存储器访问传输和数据压缩。ECP传输尤其适用打印机、扫描仪及其他需要进行大块数据传送的外设。4.EPP 即增强型并行接口，最早是由芯片厂商Intel，PC厂商Zenith及并行接口网络产品生产商Xircom研制的。它采用的是双向数据线。在ISA扩展总线的一个周期，也就是大约1ms的时间内，EPP可以完成包括握手联络在内的一字节的数据传送。而同样完成这一工作，SPP或PS/2接口则需要使用4个总线周期。EPP可以实现快速转向，因此它很适合用于磁盘、磁带驱动器等需要进行双向数据传输的设备。EPP同样是模拟SPP的，一部分EPP还可以模拟PS/2型并口工作。5.多模式接口，很多新型接口支持多种模式，可以工作在以上提到的部分或者全部模式下，用户可以使用配置选择，使用上述各种接口形式，或者使用其中一些而禁止其他。2.6 并口连接线 最早的Centronics并口电缆长度为2米，且只能支持10KB/s的数据率传输，对性能要求不高。为了把数据率提高到2MB/s以上，对IEEE1284电缆提出许多特殊要求：1）因为是并行数据，为避免传输时各BIT数据间的串扰，每条数据线都需要配合一条地线，形成双绞线结构；2） 每对信号和返回地线间的不平衡特性阻抗为62欧6欧（在频带4M-16MHz上）；3）线间串扰不超过10%； 4)电缆有屏蔽层，并与接头的屏蔽壳连接，使用360度包裹。2.7 并口连接器并行接口，通常主机上是25针D型接口，打印机上是36针弹簧式接口（Centronics接口）。IEEE1284标准规定了3种连接器，分别称为A、B、C型：A型：25PIN DB-25连接器，只用于主机端。DB-25孔型插座（也称FEMALE或母DB-25针形电缆插头（公头）头），用于PC机上，外形如附图：这种A型的DB-25针型插头（也称MALE或公头），因为尺寸较小，也有少数小型打印机（如POS机打印机等）使用（非标准使用），但电缆要短。 图2.2 A型B型：36PIN 0.085inch间距的Champ连接器，带卡紧装置，也称Centronics连接器，只用于外设。36PIN Centronics插座36PIN Centronics插座（SOCKET或FEMALE），用于打印机上。图2.3 B型C型：新增加的Mini-Centronics 36PIN连接器，也有称MDR36，36PIN 0.050inch间距，带夹紧装置，既可用于主机，也可用于外设，应用还不够普遍，因有竞争力的新的接口标准的不断出现，普及应用很难。图2.4 C型3 并口控制实现3.1 并口访问PC并口又称打印机接口，与其他通用I/O口性质完全一样，它由一个25芯的D型接口提供TTL输入和输出信号。一般它有12个输出口和5个输入口可供利用，能够满足雕刻机信号的要求，即利用程序通过输出多通道数字波形实现对混合式步进电机和电源的控制，以及通过键盘信号实现操作人员与控制系统的交互。通过windows以及其他软件等多种方式都可以对并口进行读写，其中最直接的方法就是对并口数据寄存器的读写。进行并口通讯，就是和I/O端口进行通讯，无论是windows还是linux，都是把I/O端口的地址映射到进程的内存空间，而且地址可以通过BOIS设置，在linus中可以通过Proc文件系统查看。访问并口，就是访问并口的各个寄存器，这样就有两种方法，一是在用户空间使用C函数库直接访问I/O端口，这是用户空间驱动；一是先写内核空间的驱动，再在用户空间通过内核空间驱动访问端口，这是内核空间驱动。写用户空间驱动还是内核空间驱动由几个因素决定。内核空间驱动由于它不可剥夺，因此速度更快；在用户空间只能按照内核规定的方式访问硬件，因此它更加安全；由于在内核中可以访问任意的地址空间，因此它可以更加灵活和方便的访问硬件。而用户空间驱动则更加容易实现，而且调试和运行更加方便，因为它一般不会导致系统的崩溃，并且不需要编译整个系统，但是往往需要特定的权限才可以访问硬件。总之，如果为了方便可以写用户空间驱动，为了效率和安全则应该写内核驱动空间。本课题的原理是将预先设定好的G代码转化为EMC2软件能读懂的信号，然后EMC2软件通过计算机并口到驱动板将信号放大给驱动器脉冲信号，驱动器带动步进电机然后就是雕刻机正常运行如下图所示。 G代码驱动板驱动器步进电机雕刻机EMC2输出脉冲与方向图3.1 整体原理图EMC（增强机器控制）是一款用来控制机床（铣床、车床等）的计算机软件系统，也是一款开源的自由软件。当前软件只许可GPL和LGPL的版本。软件具有以下几个特点：（1） 它提供了几种不同的用户界面可供使用，是一种G代码翻译器；（2） 是一种带预处理功能的实时运动规划系统；（3） 可直接操作底层的机床电器如传感器、电机驱动器等；（4） 它独有的“面包板层”可以使用户像使用“面包板”做电路实验一样很容易的创建适合自己机器的独有配置文件；（5） 是可用梯形图编程操作的PLC软件；（6） 以上所有这些都集成到一张Live-CD上面，易于安装。但是这个软件不提供CAD和CAM功能，不能画图，也不能从图直接导出G代码。它可以支持9轴联动并且还可以支持不同的接口。既能够实现开环和闭环的运动控制，又能控制模拟PWM接口的伺服电机。在运动控制方面还具有很多优点：刀具半径和长度补偿、路径偏差可限制在给定的误差范围内、车床车螺纹、多轴联动、自动适应进给速度、手动进给覆盖、恒速控制等。通过调整运动学模块的参数还可以支持非笛卡尔运动系统。下面是EMC的部分图。图3.2 EMC界面图图3.3 EMC界面图3.1.1 并口管脚及寄存器标准的PC并口使用3个8位的端口寄存器。这些端口寄存器与并口管脚存在对应关系，我们可以通过这3个端口寄存器去监控并口管脚，这三个端口寄存器依次是数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器。其中每个端口都有自己的端口号，相当于它们的地址。程序通过端口号来访问端口寄存器。PC并口1的数据端口号为3BCH，状态端口号为3BDH，控制端口号为3BEH；PC并口2的数据端口号为378H，状态端口号为379H，控制端口号为37AH；PC并口3的数据端口号为278H，状态端口号为279H，控制端口号为37AH；1.数据寄存器：数据寄存器或称数据端口保存了写入数据输出端口的字节信息。数据寄存器可以写入数据，也可以读出数据。写入的是我们希望从数据寄存器引脚输出的数据，读出的是我们上次写进去或原来保留的数据。对应引脚：2 3 4 5 6 7 8 9（位：D0-D7）信号源是PC。表3.1 数据寄存器2.状态寄存器：状态端口或称状态寄存器保存的是5个输入（位：S3-S7）的逻辑状态。S0-S2位不出现在并口连接器中。除了S0以外，状态寄存器是只读的，读出的数据信息是状态端口引脚上的逻辑状态。S0是支持EPP传输并口的超时标志信息。对应引脚：15 14 13 12 11 （S3-S7）信号源是外设。S7：打印机使用该信号表示打印机正处在忙状态，不能再接受数据。S6：当适配器发出选通信号时，打印机就会产生该信号作为响应。S5：当打印机缺纸时，他就会产生这样一个信号。S4：当打印机恢复正常操作时，他就会产生这样一个信号。S3：当打印机出现错误时。表3.2 状态寄存器3.控制寄存器：控制端口或称控制寄存器保存了C0-C3的4位控制信息。控制寄存器通常用来输出，但也可以作为输入。要从控制位上读取外部逻辑信号，首先将向相应的输出写入1，然后读取控制寄存器的值。对应引脚：C0-1 C1-14 C2-16 C3-17。表3.3 控制寄存器在接线时没有提及的针脚悬空不管。下图为各个管脚功能：表3.4 并口引脚定义PC并口控制采用并口输出的方法来实现与外部设备的接口。标准并口具有12个输出位（D0-D7、C0-C3），5个输入位（S3-S7）。由于每路步进电机驱动器需要2个数字位（脉冲、方向）控制，五轴系统共占用10个数字输出位。通过步进电机驱动器放大并口输出的脉冲和方向信号，使之驱动步进电机。并口的输入位用来检测回零开关信号、限位开关信号以及急停输入信号。但是由于输入资源有限，采用将各个轴电机的正负限位和回零信号分别并联的方法，每个并联位各占用一个并口输入位。具体结构如图3.4：图3.4 并口引脚EMC2的并口有17个引脚可用。对Stepconf Wizard来说，是12个输出引脚+5个输入引脚（当然还有其它的并口组合可用，不过不在Stepconf Wizard讨论范围之内）。在这个页面你能做的是为每个引脚选择功能（输出引脚有23种功能可选，输入引脚有 40种功能可选，具体选哪个要参考你要和并口连接的硬件了）。如果信号电平是反的（0V代表true/active，而5V代表false/inactive），那就要把该引脚的“invert”选项勾上。Output pinout presets ：Sherline机床和Xylotex驱动的并口顺序都是固定的，所以EMC2在这个页面为它们准备了两个快捷键，可以自动设置第 2-9 脚。Inputs and Outputs ：不用的输入引脚或输出引脚都要设成“Unused”。External E Stop ： 外部急停开关，要设在某一个输入引脚上。典型的急停开关回路应使用常闭触点实现。Homing & Limit Switches ：原点和限位开关，要设在某一个输入引脚上。Charge Pump ： 电荷泵，有的驱动板需要一个电荷泵信号输入。这时可以选一个输出引脚把它设成电荷泵功能，再把该引脚接到驱动板的电荷泵输入端就可以了。Stepconf会把电荷泵输出和base thread关联起来，电荷泵输出的频率将是“maximum step rate”的一半。3.1.2 并口的系统资源(l)寻址并口使用计算机的许多资源。每个接口都占用一个地址段，所不同的只是地址段的长度和位置。许多接口配置有IRQ(中断请求)等级，而ECP还可能分配有DMA通道。并口使用的系统资源不能与包括别的并口在内的其他系统组件所占用的资源相冲突。标准并行接口使用三个连续地址，通常是下面列出地址范围中的一个:3BCh，3BDh，3BEh378h，379h，37Ah278h，279h，27Ah其中的第一个地址是接口的基地址，也称为数据寄存器地址或简称接口地址。第二个地址为接口的状态寄存器地址，第三个则是控制寄存器地址。在早期的PC机中，并口基地址是3BCh，新型系统采用378h作为基地址。但是系统为并口保留了上述的三组地址，只要并口硬件兼容，还是可以将它配置到其中任何一个地址域。通常DOS和Windows系统将第一个接口称为LPTI，第二个、第三个接口依次称为LPTZ和LPT3。尽管第一个接口可以出现在任何一个地址域中，但通常它都放在378h处。(2)中断大多数并口都可以检测来自外设的中断信号。外设可以通过使用中断信号，通知PC机它已做好了接收或发送一个字节的准备。要使用中断，首先要为并口配置中断请求优先级(IRQ)。按照中断请求优先级惯例，LPTI使用IRQ7，LPTZ使用IRQS。但是很多声卡使用的也是IRQS，由于系统中的空闲IRQ可能很少，有时IRQ7也被占用。一些并口容许使用上述两个优先级之外的其他IRQ。(3)DMA通道ECP采用直接存储器访问(DMA，DirectMemoryAccess)方式进行并口的数据传输。在DMA传输过程中，CPU可以处理其他工作，从而提高总体效率。要使用DMA方式，必须为并口配置0一3个DMA通道。(4)寻找现存接口DOS和WindowS系统可以实现查询现存接口，检查其他系统资源的功能。使用Windowsgx时，在“控制面板”中依次点击“系统”、“设备管理器”、“端口”选项，接着点开一个端口，就可以找到它的地址分配情况，如果有的话，还将给出端口的IRQ优先级和DMA通道。在windows3.1和Dos系统中，可以使用MierosoftDia，ostie(msd.exe)定位端口，指定IRQ优先级和其他系统细节。3.1.3 并口的内部结构并口在硬件上包含数据端口、状态端口和控制端口，其对应的地址为378h，379h，37灿(通常在一个并口情况下)，其内部结构如图所示。图中描述了并口适配器的设计结构。在该适配器和微处理器之间使用PC总线接口进行连接。适配器的输出连接在一个25针D型连接器上。对于最近PC而言，许多适配器都集成在主板上了，并且还有一些PC使用插入式的适配器进行连接。带有区段标记的命令译码器专门用来对地址信息进行译码。该命令译码器使用10根地址线(AOAg)、IOR*、IOW*和CONTROL作为其输入信号，使用数据写、数据读、状态读、控制读、控制写作为其输出信号。数据位DO一D7与缓冲器1、缓冲器2、缓冲器3输出相连，同时这8个数据位也是锁存器1和锁存器2的输入驱动信号。只有当口百信号处于低电平时才可以使用这三个缓冲器，否则这三个缓冲器处于高阻状态。只有当输入端口已经准备好数据，并且输入时钟变为低电平时，锁存器才起作用，并在输入时钟的上升沿开始数据传输。除了来自适配器的输出信号外，状态端口的某数据位还可以在控制端口某一位的控制下产生中断请求。图3.5并口内部结构3.2 并口输出并口接受来自计算机的输出信号然后传输给控制器。通过并口可以进行数据输出, 也可以进行数据输入, 非常适合于一般的数字 I/O。由于步进电机有极高的转行精度, 多工作在开环控制状态, 因此, 可以利用并口的数据输出功能, 取代传统的步进电机控制电路中的脉冲信号发生器, 由程序控制并口产生一个数字脉冲序列, 送于步进电机的驱动电路, 作为电脉冲信号, 控制步进电机转动。并口的端口设置是由计算机系统设置程序自动配置的, 初始化过程把并行端口配置成 LPT1( 对配有一个并口的通用型微机而言), 分配了相应的中断资源和不同的数据地址, 状态地址和控制地址: IRQ7、 数据地址 0378H、 状态地址 0379H、 控制地址 037AH。我们采用PC并口开环控制混合式步进电机，由计算机的并口通过编制程序输出进给脉冲和方向脉冲给驱动器，从而控制混合式步进电机。因为这种方法主要具有以下几个特点:(1)PC并口可以在合适的程序控制下产生多通道数字波形，利用这一特性便可以同时控制多台混合式步进电机协调工作。(2)硬件电路设计简单易行。(3)在编制控制软件时，可以采用多中国编程方式，不仅具有友好的人机交互界面，且实时性高。(4)利用计算机处理器进行插补运算，速度快、精度高，满足激励变化的要求。步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行是要有一个电子装置进行驱动的，这种装置就是步进电机驱动器。它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲的频率成正比。因此，只要控制步进电机脉冲信号的频率就可以对电机精确调速，而控制步进电机脉冲的个数就可以对电机精确定位。步进电机驱动器还可以对电机的步距角进行细分。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机就转动1.8；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。要搞清楚步进电机的接线方式，首先我觉得应该先弄懂步进电机的工作原理。按照常理来说，步进电机接线要根据线的颜色来区分接线。但是不同公司生产的步进电机线的颜色是不一样的，特别是国外的步进电机。这样一来，步进电机的接线就应该用万用表打表。步进电机内部构造如下图：图3.6 步进电机内部结构通过上图可知，A，A-是连通的，B，B-是连通的。那么，A和A-是一组a，B和B-是一组b。因此要驱动步进电机无非是轮流给a组和b组线连续的脉冲，这样步进电机就能驱动了。不管是两相四线、四相五线还是四相六线步进电机，内部结构都是如此。至于究竟是四线、五线还是六线，就要看A和A-之间，B和B-之间有没有公共端com端。如果a组和b组各有一个com端，则该步进电机为六线。如果a组和b组的公共端连在一起则是五线的。所以，要弄清步进电机如何接线，只需把a和b组分开就可以了。分开的方法就是用万用表测两根线，如果相通便是一组。本课题用到的步进电机便是两相四线的，所以只要将这两相分别如下图所示接到驱动器对应的A+，A-和B+，B-上即可。驱动器细分的优点主要有：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。不仅如此，细分还可以提高电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了约30-40%。还能提高电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率也是不言而喻的。在接线驱动器时，应遵循功率线（电机相线，电源线）与弱电信号线分开的原则，以避免控制信号被干扰。在无法分别布线或有强干扰源（变频器，电磁阀等）存在的情况下，最好使用屏蔽电缆传送控制信号；采用较高电平的控制信号对抵抗干扰也有一定的意义。为了取得最满意的驱动效果，需要选取合理的供电电压和设定电流。供电电压的高低决定电机的高速性能，而电流设定值决定电机的输出力矩。供电电压的选定：一般来说，供电电压越高，电机高速时力矩越大，越能避免高速时掉步。但另一方面，电压太高可能损坏驱动器，而且在高电压下工作时，低速运动振动较大，所以要选用一个合适的电压值。输出电流的设定值：对于同一电机，电流设定值越大时，电机输出力矩越大，但电流大时电机和驱动器的发热也比较严重。所以一般情况是把电流设成供电机长期工作时出现温热但不过热时的数值。本课题用到的是四线电机，一般情况下，四线电机的高速度模式是输出电流设成等于或略小于电机额定电流值。这两个引脚分别是X轴的脉冲和方向信号这两个引脚分别是Z轴的脉冲和方向信号这两个引脚分别是Y轴的脉冲和方向信号这两个引脚是两个+5V的高电平图3.7 驱动板的实际接线图驱动板上的绿颜色的线接的是脉冲信号，与驱动器上的脉冲端相连。棕色的线接的方向信号，与驱动器上的方向端相连。至于橙色和蓝色的线是驱动板上的两个+5V的接线端，橙色线是与公共端相连的（公共端接线要求是TTL电平），而蓝色的线在SM-202A上是与ENA端相连的，在SH-20403上是与脱机端相连的。这两个端口的接线要求都是要悬空或者是接高电平（这里接的是高电平），否则驱动器就处于自由状态。 图3.8 整体接线图如上图所示，计算机与驱动板之间通过计算机并口连接，并由计算机控制板给驱动板提供一个5V的电源。然后驱动板通过四根信号线与步进电机驱动器连接在一起，一个24V的电源给驱动器提供电流。最后就是步进电机驱动器与雕刻机上的各个轴的步进电机相连以至驱动雕刻机。4 并口控制应用因为固高运动控制器成本较高等原因，结合并口控制的各种优点，现用并口控制替换运动控制器控制，且保证实验台原有的运动效率。4.1 固高运动控制器固高公司生产的GT运动控制器，可以同步控制四个运动轴，实现多轴协调运动。本次试验用到的运动控制器型号是GT400SV-ISA-G。其含义为：GT系列符号，GT系列。400可控轴数,200:2轴，300:3轴，400:4轴。SV输出类型，SV：模拟量或脉冲量；SP：脉冲量，有编码器读数功能；SG：高频脉冲输出(1MHz) ；SD：占空比可调脉冲输出；SE：低频脉冲输出（256KHz） PCIPCI总线。ISA总线类型，ISA：ISA总线；PCI：PCI总线。G接口板类型，G：标准型；A：A/D转换型；R：驱动继电器型；O：定制型。PCI系列运动控制器的外形结构如图4.1所示：图4.1 PCI系列运动控制器连接器示意图固高电机控制系统由运动控制器，具有PCI插槽的PC，具有增量式编码器的步进电机，驱动器，驱动器电源，+12V到+24V直流电源（用于接口板电源），原点开关、正负限位开关。联接电机和驱动器：在驱动器没有与控制卡联接之前，联接驱动器与电机。联接控制卡和端子板，关闭计算机电源，取出产品附带的两条屏蔽电缆。联接控制器的CN1与端子板的CN1，转接板的CN2与端子板的CN2，如图4.2所示：图4.2 运动控制卡和端子板连接示意图联接端子板电源，端子板的CN3接外部电源。板上标有+12V+24V的端子接+12V+24V，标有OGND的接外部电源地，至于使用的外部电源的具体的电压值，取决外部的传感器和执行机构的供电要求，使用时应根据实际要求选择电源。专用输入包括驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)、CN12与驱动器及外部开关相连。CN5的定义见表5，CN12的定义见表4.2，连接方法见图8。专用输出包括驱动允许，驱动报警复位。专用输出通过端子板CN5、CN6、CN7、CN8与驱动器联接。CN5对应1轴，CN6对应2轴，CN7对应3轴，CN8对应4轴。CN5CN8的引脚定义相同，见表4.1，连接方法见图4.3。表4.1 端子板CN5（CN6、CN7、CN8）定义表4.2 端子板CN12引脚定义表4.3 端子板CN9引脚定义表4.4 端子板CN10引脚定义图4.3 专用输入、输出信号连接图辅助编码器输入连接方法，两个辅助编码器输入接口为CN9、CN10。CN9、CN10引脚定义见表4.3、表4.4。4.2 端子板内部接线只有知道端子板上CN1、CN2对应引脚的功能，才能将并口对应引脚与其连接而控制系统。端子板内部接线图如附表一。下图为端子板实物图：图4.4 端子板实物图（背面）图4.5 端子板实物图（正面）4.2.1 CN1引脚与并口引脚由附表一分析得CN1引脚定义为：CN1的4号引脚CN5的9号引脚控制X轴步进方向的输出CN1的24号引脚CN5的23号引脚控制X轴步进脉冲的输出CN1的49号引脚CN6的9号引脚控制Y轴步进方向的输出CN1的7号引脚CN6的23号引脚控制Y轴步进脉冲的输出CN1的32号引脚CN7的9号引脚控制Z轴步进方向的输出CN1的52号引脚CN7的23号引脚控制Z轴步进脉冲的输出根据并口引脚功能，现规定：并口引脚2X轴步进方向的输出并口引脚3X轴步进脉冲的输出并口引脚4Y轴步进方向的输出并口引脚5Y轴步进脉冲的输出并口引脚6Z轴步进方向的输出并口引脚7Z轴步进脉冲的输出现知道了CN1引脚与并口引脚对应的相同的功能，则可将并口引脚与CN1引脚对应相接，从而取代其与运动控制器的连接而达到相同的功能。4.2.2 CN2引脚与并口引脚由附表一分析得CN2引脚定义为：CN2的5号引脚CN12的1号引脚X轴原点输入CN2的26号引脚CN12的2号引脚Y轴原点输入CN2的47号引脚CN12的3号引脚Z轴原点输入CN2的27号引脚CN12的5号引脚X轴正向限位CN2的48号引脚CN12的6号引脚X轴负向限位CN2的7号引脚CN12的7号引脚Y轴正向限位CN2的28号引脚CN12的8号引脚Y轴负向限位CN2的49号引脚CN12的9号引脚Z轴正向限位CN2的8号引脚CN12的10号引脚Z轴负向限位根据并口引脚功能，现规定：并口引脚13X轴正负双向限位并口引脚12Y轴正负双向限位并口引脚11Z轴正负双向限位现在并口引脚已经和端子板上的CN1、CN2引脚一一对应，则在理论上已经完成了用并口对试验系统的控制。连接图如附表二。5 并口控制应用的试验验证为了将并口控制应用于实际操作，现将25针并口与运动控制器端子板CN1、CN2按上述连接方式连接。其连接实物如图5.1所示。（图中USB插口为供电电源）。 图5.1 替换并口实物图将该并口