（农业电气化与自动化专业论文）基于USB接口的运动轨迹控制系统的研制.pdf

青岛农业大学硕士学位论文摘要 基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的研制 摘要 u s b 是一种计算机与外设的接口标准，由于u s b 具有速度较快、功耗低、支持即 插即用，使用方便等优点，广泛应用于各种计算机外设目前，如何将u s b 应用到运 动轨迹控制系统中，在国内还未得到深入研究本论文研究了基于u s b 接口的运动轨 迹控制系统，主要内容如下： ( 1 ) 分析了运动轨迹控制系统的整体性能要求，并在比较各种运动控制系统设计 方案的基础上，选择了基于专用运动控制芯片的设计方案，同时选用了n o v a 公司的专 用运动控制芯片m c x 3 1 2 ，利用此芯片的直线插补、圆弧插补和连续插补功能来实现运 动轨迹控制。 ( 2 ) 比较、分析了i s a 总线、p c i 总线和u s b 总线的特点，在此基础上，选用了 u s b 总线作为运动控制卡与p c 机的接口总线，并且选用了c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 a 作为u s b 接口芯片 ( 3 ) 从应用的角度进行运动轨迹控制系统的硬件设计和软件设计。硬件设计包括： u s b 接i ：模块设计，运动轨迹控制模块设计，其他外围电路设计三大部分，并且进行了 电路的抗干扰研究和设计系统的软件设计包括：固件程序的设计，设备驱动程序的设 计和动态链接库的设计 ( 4 ) 对设计的运动轨迹控制系统进行功能测试。测试结果表明，该运动轨迹控制 系统能够满足实际要求，并且在运行的过程中性能稳定，达到了预期的设计目标 关键词：u s b ；运动轨迹；m c x 3 1 2 ；c y 7 c 6 8 0 1 3 a 青岛农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to ft r a je c t o r yc o n t r o ls y s t e m b a s e do nu s 。b a b s t r a c t u s bi sas t a n d a r do fi n t e r f a c eb e t w e e nc o m p u t e ra n dp e r i p h e r a le q u i p m e n t s b e c a u s eu s bh a st h e a d v a n t a g e so ff a s t e rv e l o c i t y , l o w e rp o w e r , s u p p o r t i n gp l u g - a n d - p l a ya n de a s yt ou s e ，i th a sb e e nw i d e l y u s e di nv a r i o u sc o m p u t e rp e r i p h e r a l s 。a tp r e s e n t , h o wt om u s bt om o t i o nt r a j e c t o r yc o n f f o ls y s t e mh a s n o tb e e nd e e p l ys t u d i e di no u rc o u n t r y t h i sp a p e rs t u d i e dam o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do ut h e u s bi n t e r f a c e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e q u i r e m e n t so f o v e r a l lp e r f o r m a n c eo f t h em o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r o ls y s t e mw e r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r , a n db a s e do nt h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n tc o n t r o ls y s t e md e s i g n sw ec h o s et h ed e s i g nb a s e do n t h es p e c i a lm o t i o nc o n t r o lc h i p s a n dw ec h o s et h es p e c i a lm o t i o nc o n t r o lc h i p so f m c x 3 1 2f r o mn o v a u s i n gt h i sc h i p sl i n e a ri n t e r p o l a t i o n , a r ci n t e r p o l a t i o na n dc o n t i n u o u si n t e r p o l a t i o nf u n c t i o n s ，w e a c h i e v e dm o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r 0 1 2 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h r e em o s tp o p u l a ru s e db u s e sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r ：t h e i s ab u s ，p c ib u sa n du s bb u s b a s e do nt h ec o m p a r i s o n , w ec h o s et h eu s bb u sa st h ei n t e r f a c eb u s b e t w e e nt h em o t i o nc o n t r o lc a r da n dt h ep c ，a n dc h o s et h ec y 7 c 6 8 0 1 3 ao f c y p r e s sa st h eu s bi n t e r f a c e s c h i p 3 t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ef o rt h em o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r o ls y s t e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f a p p l i c a t i o n h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e s ：u s bi n t e r f a c em o d u l ed e s i g n ，m o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r o lm o d u l e d e s i g n 。o t h e re x t e r n a lc i r c u i td e s i g n ，a n dr e s e a r c h d e s i g no f t h ec i r c u i ti n t e r f e r e n c e t h es o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e st h r e em a i np a r t s ：t h ef i r m w a r ed e s i g n ，t h ed e v i c ed r i v e rd e s i g na n dd l ld e s i g n 4 t h ef u n c t i o n so f t h ed e s i g n e dm o t i o nt r a j e c t o r yc o n t r o ls y s t e mw e r et e s t e di nt h i sp a p e r t e s tr e s u l t s s h o w e dt h a tt h et r a j e c t o r yc o n t r o ls y s t e mc a l lm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，c a nk e e ps t a b l ed u r i n gt h e r u n n i n gp r o c e s s ，a n da c h i e v et h ed e s i r e do b j e c t i v e s k e yw o r d s ：u s b ；m o t i o nt r a j e c t o r y ；m c x 3 1 2 ；c y 7 c 6 8 0 1 3 a i l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名：一王j 匕签字目期：刃年f 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 施 签字日期：力7 年6 月刃伯 导师签字：文l 智年 签字日期：0 0 7 年f 月。8 日 青岛农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 绪论 1 1 引言 信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机 械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构发生了质的跃变，微电子 技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械 工业开始了一场大规模的机电一体化技术革新。在机电一体化技术迅速发展的同时，运 动控制技术作为其核心部分，也得到前所未有的发展【i i 所谓运动控制，是对机械运动 部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数 进行运动。 运动控制技术是- - f 7 综合性、多学科交叉的学科，是推动新产业革命的关键技术。 近年来，运动控制的新技术、新产品不断涌现，其中具有代表性的是开放式运动控制器。 开放式运动控制器的出现一方面满足新型数控系统标准化、柔性化和开放性等要求；另 一方面使运动控制技术由面向传统的数控加工发展为具有开放结构，能快速重组，更快 更好地适应其他行业的应用需求的- - 1 7 技术。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 国内外发展及研究现状 早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展 而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，并不需要另外的 处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、人机交互功能和工艺技术要求的 其他功能，这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数 控机械和其他自动化设备而设计，并且在使用之前已经根据应用行业的工艺要求设计了 相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用r s 2 3 2 或者d n c 方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。 2 0 世纪9 0 年代，运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在发达国家进入 快速发展的阶段，由于有强劲市场需求的推动，运动控制技术发展迅速，应用广泛。近 年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控 制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。 根据a r c 近期的一份研究，世界运动控制产品市场已超过4 0 亿美元，并且有望在未来 5 年内综合增长率达到6 3 。 目前，运动控制器从结构上主要分为如下三大类【4 l ： 青岛农业大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器。该运动控制器是把具有开放体系结构， 独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。该类运动控制器大部分采用d s p 或 微机芯片作为c p u ，可完成运动规划、高速实时插补、外部i o 之间的标准化通用接口 功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平台下自行 开发应用软件，组成各种控制系统。如美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器和 固高科技( 深圳) 有限公司的g t 系列运动控制器等。目前这种运动控制器是市场上的 主流产品。 ( 2 ) s o f t 型开放式运动控制器。该类运动控制器提供给用户很大的灵活性，运动 控制软件全部装在计算机中，硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化 通用接口。用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控 制内核，开发所需要的控制功能，进而构成各种类型的高性能运动控制系统。基于s o f t 型开放式运动控制器开发的典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p a ( p o w e r a u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 、美国s o f ts e r v o 公司的基于网络的运动控制器和固 高科技( 深圳) 有限公司的g o 系列运动控制器等。s o f t 型开放式运动控制器的特点是 开发、制造成本相对较低，能给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 ( 3 ) 嵌入式结构的运动控制器。该类运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中 的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信是靠计算机总线，实质 上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采 用了更加可靠的总线连接方式，更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、 r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入 式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e m e t 进行远程诊断。例 如美国a d e p t 公司的s m a r t c o n t r o l l e r ，我国固高科技公司的g u 嵌入式运动控制平台 系列产品等。 从我国经济发展的情况来看，运动控制器的应用和市场刚刚起步，与美国和欧洲发 达国家相比，我国在运动控制器技术开发上政府的投入很少，在该领域没有形成统一的 产品标准。高等院校的教育还没有跟上，没有培养出一大批能够开发和应用运动控制器 的人才。所以我国在运动控制器产品开发方面相对落后。1 9 9 9 年固高科技( 深圳) 有 限公司在深圳成立，是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。后来 国内又有其他几家公司进入该领域，但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制 器产品，真正进行自主开发的公司较少。“八五”期间，我国广大科研工作者成功开发 了两种数控平台和华中i 型、蓝天i 型、航天i 型、中华i 型等4 种基本系统，这些 系统采用模块化，嵌入式的软、硬件结构。其中以华中i 型比较具有代表性，它采用工 2 青岛农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 业p c 机上插接口卡的结构，运行在d o s 平台上，具有较好的模块化、层次化特征， 具有一定的扩展性和伸缩性。但这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器产 品。目前，我国是世界上经济发展最快的国家，市场上新设备的控制需求、传统设备技 术升级、换代对运动控制器的市场需求越来越大。另外由于市场竞争的压力，系统集成 商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。同时，经济型数控市场占有率正 在逐渐减小。在这样的形势下，我国可以抓住这一机遇，研制出具有自主知识产权，具 有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器产品【5 1 。 1 2 2 国内外产品差距的分析 国内运动控制器和进口运动控制器相比，差距主要体现在两个方面： ( 1 ) 运动控制器的技术分为三个层面：应用软件层面、硬件层面和底层软件层面。 其中，控制器的硬件和底层软件由控制器的开发商为客户提供。国内运动控制器所采 用的硬件平台和国外产品相比基本没有差距，有的甚至更加先进。但在对底层软件核心 算法的研究方面，许多国外运动控制器制造商历尽多年的积累，提供了许多先进的算法， 如样条插补、p v t 算法、速度前瞻和轨迹拟合，以及电子齿轮、电予凸轮、虚拟轴控 制、高速色标采集、位置比较输出等控制算法。国内控制器在这些方面和国外产品相比 还存在一些差距，有的甚至还处于起步阶段。 ( 2 ) 国外运动控制器都提供方便易用的二次开发平台。国外运动控制器提供了丰 富的功能模块，将复杂的算法“打包”后提供给客户，降低对应用软件开发人员的要求； 另外，国外运动控制器提供易学易用的“代码编辑和生成系统”，提供简单明了的指令 集，让使用者可以“望文生意”，在短时间内可以掌握开发调试的方法。而国内大多数 运动控制器，提供的开发工具都是一系列“动态链接库”形式的运动函数，也缺乏专门 的程序编译调试环境，这就需要开发人员在v b 、v c 等高级语言中调用这些函数库， 针对具体的应用要求进行二次开发，所以开发人员首先要掌握这些编程工具，而且还需 要具备一些w i n d o w s 下的编程技巧，从而在一定程度上限制了产品的推广1 6 j 。 1 2 3 国内外有关产品介绍 ( 1 ) 美国p m a c 运动控制卡2 a p c 1 0 4 h 1 该运动控制卡可作为运动控制器单独工作，亦可通过r s 一2 3 2 串口，p c 1 0 4 总线与 上位机相连并由其控制。可提供4 轴或8 轴的信号。 其特点： 轴数：每个卡可控制3 2 个伺服轴； 总线：i s a 、v m e 、p c i 0 4 、p c i ； 电机类型：交流伺服、直流电机交流异步电机步进电机； 青岛农业大学硕士学位论文 第l 章绪论 直线和圆弧插补； s 曲线加速和减速。 ( 2 ) 中国g e 系列连续轨迹运动控制器 8 】 g e 系列连续轨迹运动控制器是固高科技有限公司针对需要高速高精度连续轨迹运 动场合自主开发的一类经济型运动控制器，它拥有g e - 4 0 0 一s v 、g e - 3 0 0 一s v 、g e - 2 0 0 一s v 、 g e 4 0 0 s g 、g e - 3 0 0 s g 、g e 一2 0 0 s g 等产品，应用在大量有精度和速度要求的轮廓控 制设备上，如雕刻机、雕铣机、切割机、裁剪机、点胶机、数控机床等。 其特点： 采用高性能d s p 和f p g a 技术，可控制2 4 个伺服步进轴，实现2 4 轴联动 的连续轨迹插补运动； 伺服采样周期为2 0 0 微秒，用于管理速度规划，不影响插补精度； 运动方式：直线插补、圆弧插补、手脉输入跟随； 插补速度可稳定工作在2 5 6 k h z ： 圆弧插补的径向误差在o 5 p u l s e 之内； 用户可编程坐标偏移，便于缓冲区运动方式下坐标的重新建立。 1 2 ，4 课题的研究意义 现在国内外流行的运动控制器和p c 机的连接大部分采用i s a 、p c i 或r s 2 3 2 总线 接口方式，很少有利用u s b 作为总线接口的产品，所以作者想研制一种“基于u s b 接 口的运动轨迹控制系统”。 u s b 总线主要具有以下优点： ( 1 ) 支持热插拔； ( 2 ) 携带方便； ( 3 ) 标准统一； ( 4 ) 可扩充至1 2 7 个外部设备。 这些特点都是i s a 或者p c i 总线所不及或者很难实现的，并且由于u s b 规范的进 一步完善和升级，其总线传送速度也将大幅度提高，现在的u s b 2 0 的传送速度己达到 4 8 0 m b s ，能够更好地支持大数据量的即时传输，因此在将来会比i s a 总线或p c i 总线 具有更强的竞争能力f 9 2 】。 1 3 本文研究的主要内容 本课题结合莱阳农学院校级课题基于u s b 接口的运动控制系统的研制进行 研究的主要内容有： 4 青岛农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 1 ) 基于u s b 总线的接口技术研究； 针对u s b 总线的特点、协议等给以探讨及介绍，结合实际情况提出一种可行的u s b 总线接口实现方案，完成u s b 接口芯片的选择。 ( 2 ) 对运动轨迹控制系统核心处理器的研究； 对核心处理器在运动控制中的应用进行了介绍，分析了专业运动控制芯片m c x 3 1 2 作为运动轨迹控制系统核心处理器的必要性和优越性。对m c x 3 1 2 的功能特点、寄存 器、指令系统等相关内容进行必要的阐述。 ( 3 ) 基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的硬件设计： 应用c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片进行u s b 总线接口电路的设计，围绕运动控制芯片m c x 3 1 2 给出系统外围电路。 ( 4 ) 基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的软件设计。 青岛农业大学硕士学位论文 第2 章系统主要性能和总体方案的设计 2 系统主要性能要求和总体方案的设计 2 1 系统的主要性能要求 结合对市场的调研，本课题所设计的基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的主要功 能和设计技术指标如下： ( 1 ) 性能参数 可独立分别控制2 轴步进电机，并且能够实现2 轴的连续直线插补和圆弧插补； 两种脉冲模式：脉冲方向电平模式( c p d i r 模式) 、正负向脉冲模式( c w c c w 模 式) ： 脉冲光电隔离输出：频率1 h z 2 m h z 。 ( 2 ) 电气特性 工作温度：0 + 8 5 。c 电源电压：2 4 v 直流电压( 外接) ，+ 5 v 直流电压( p c 提供) 时钟：1 6 0 0 0 m h z 2 2 系统的方案设计 运动轨迹控制系统的方案可以分为三大模块来设计： ( 1 ) u s b 接口模块方案的设计 ( 2 ) 运动轨迹控制模块方案的设计 ( 3 ) 外围电路模块的设计 2 2 1u s b 接口模块方案的设计 为了更好的满足本课题的需要，同时兼顾目前p c 机市场的供应现状，本课题选择 u s b 总线。虽然标准串行口或并行口应用开发比较简单，但是数据传输速率比较低；p c i 总线尽管数据传输速率可以达到i g b p s ，但是硬件设计和驱动开发难度较大，p c i 卡的 尺寸面积限制了i o 接口的扩展，不能在便携式p c 上安装，而且驱动程序安装使用不 方便。目前流行的u s b 2 0 传输协议的传输速率为4 8 0 m b p s ，是u s b l 1 传输速率的4 0 倍，接近p c i 传输速率的一半，而其接口简单，便携的优点又是p c i 无法比拟的【1 3 1 5 1 。 由于运动轨迹控制卡与p c 机的通讯在系统中起着重要的作用，所以应选择适用 u s b 协议的合适芯片，芯片的选择可参阅文献【1 6 】。本文作者选用c y p r e s s 公司的1 2 8 引脚的c y 7 c 6 8 0 1 3 a 进行设计。 该芯片在所有的u s b 2 0 的芯片中适应性最佳，并且该芯片可代替开发者完成u s b 协议中规定的8 0 9 0 的通信工作，使得开发者不需要非常深入地了解u s b 底层协 6 青岛农业大学硕士学位论文第2 章系统主要性能和总体方案的设计 议，即可顺利地开发所需的u s b 外部设备。 2 2 2 运动轨迹控制模块方案的设计 目前市场上的运动控制板卡种类繁多，但按核心处理器来划分，大致可以分为三种 方案：基于单片机型、基于数字信号处理器( d s p ) 型、基于专用运动控制芯片型。 ( 1 ) 基于微控制器型的运动控制卡 此类控制卡一般以8 位( 如8 0 3 1 8 0 5 1 ) 、1 6 位( 如8 0 9 6 1 9 6 ) 和3 2 位( 如摩托罗 拉m c 6 8 3 3 1 ) 微控制器( 国内称单片机) 作为控制核心，加上存储器、编码器信号处 理电路、d a 转换电路、通信接口电路等构成插卡，直接插入p c 机的总线扩展槽中。 单片机通过i s a 总线或p c i 总线与p c 机的c p u 通讯，接收p c 机的控制指令，进行脉 冲发送和接收现场开关量信号( 如：正负方向超限程开关信号、减速停止立即停止开关 信号等各种相关开关信号) ，并向p c 机报告相应的信号工作状态，以实现运动控制的 功能。 这种方案的优点是成本相对较低，可以较为经济的实现数控功能要求，目前国内外 部分运动控制卡为这种形式i i ”。 微控制器与d s p 的最大区别是运算速度较慢，所以一些复杂的，能大大提高性能 的高级控制算法因无法满足实时性要求而无法采用。 ( 2 ) 基于数字信号处理器型的运动控制卡 上世纪9 0 年代以来，数字信号处理器( d s p ) 在运动控制卡中得到越来越广泛的 应用，主要是因为它的高速运算能力使得许多复杂的控制算法和功能能够实现，而且集 成度高，可以实现高精度多轴伺服控制。目前比较有代表性的d s p 产品有t i 公司的 t m s 3 2 0 系列、a t & t 公司的d s p 3 2 、i n m o s 公司的a 1 1 0 、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列。许多公司开发基于d s p 的伺服控制卡，这些卡以p c 机中的d o s 、w i n d o w s 或l i n u x 作为软件操作平台，并提供了专用的各软件平台的函数库，所以使用方便。 这种类型的控制卡以美国d e l t a t a u 公司推出的p m a c 系列伺服控制卡i ls 】为代表。 这类运动控制卡功能很强，能适应多轴联动机械加工、机械手、自动生产线、示教 再现机器人、电子凸轮、飞剪等复杂应用场合，但价格较昂贵，在某些高速大数据量加 工场合效果不太理想。此外，用数字信号处理器开发运动控制卡也存在开发难度较大， 周期较长，工作量大，费用较高等问题，而且产品一致性较难保证。 ( 3 ) 基于专用运动控制芯片型的运动控制卡 8 0 年代后，国外半导体厂商推出了直接面对伺服控制任务的专用运动控制芯片，比 较著名的有美国p m d 公司的步进、伺服电机控制芯片：n a v i g a t o r 系列、p i l o t 系列等； 日本n o v a 步进伺服运动控制芯片：m c x 系列；k y o p a l 单轴运动控制芯片：x 3 2 青岛农业大学硕士学位论文 第2 章系统主要性能和总体方案的设计 系列。 专用运动控制芯片中封装了一般常用的功能函数，可以从硬件一级直接完成对伺服 电机位置和速度控制，控制精度高，性能可靠，并且它不需要扩展复杂的外围电路。p c 机和运动控制芯片间的通讯只是数据读写，不需要对运动控制芯片编程，只需要编写 p c 机的底层软件。控制软件可以用c 等高级语言编写，调试方便。虽然这类运动控制 卡的功能和适应面不如d s p 为核心的卡，但开发周期短，价格性能比高，并且产品的 一致性和可靠性是最好的【1 9 】。 针对目前市场上对运动控制卡的特点和需求，对以上三种方案分析如下： 第一种方案显然不能满足这种较高的运动轨迹控制要求。 第二种方案虽然可以借助于d s p 的高速运算能力来实现复杂的运动轨迹控制功能， 但成本较高昂，开发周期和难度较大。 第三种方案可以借用专用运动控制芯片上封装的功能( 如m c x 31 2 具有直接把p c 机发来的数据由硬件转换成正负序列高速脉冲的功能) ，加上p c 机的强大处理能力来实 现本课题的要求，开发成本适中，开发周期和难度较小。 综合以上分析，本课题拟选用第三种方案。 本系统采用n o v a 公司的专用运动控制芯片m c x 3 1 2 ，该芯片具有直线插补、圆弧 插补和连续插补的功能，为实现本课题提供了方便。 2 2 3 外围电路模块设计 外围电路模块设计主要是u s b 芯片和运动控制芯片的外围电路设计，主要包括以 下两个部分： ( 1 ) 电源转换部分的设计 ( 2 ) c y 7 c 6 8 0 1 3 a 程序存储器的扩展 2 3 本章小节 本章介绍了基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的主要性能，通过分析制定了设计 的总体方案，并且对主要芯片选出了具体型号。 8 青岛农业大学硕士学位论文第3 章系统的硬件设计 3 系统的硬件设计 本章结合具体的芯片，介绍基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的硬件设计。本设 计选用e z u s bf x 2 l p 系列芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 作为u s b 接口芯片。采用n o v a 公司 的m c x 3 1 2 作为运动轨迹控制芯片，以下内容将对电路的主要芯片和核心电路进行逐 一介绍。 3 1 系统的总体硬件结构图 基于u s b 接口的运动轨迹控制系统的结构图如图3 。l 所示。 p c 机 d + 岳2 p r o m ( 2 4 l c 6 4 ) 磊r 百产百翮地址及数据犀焉再再百瑟i _ 学 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 a ) 卜卜_ 叫( m c x 3 1 2 ) i ： l + 33 v 平寸熏习i + 5 v ii 口s 7 3 3 3j 图3 - 1 基于u s b 接口的运动轨迹控制系统结构图 f i 9 3 1s t r u c t u r ec h a r to f t h es y s t e m 3 。2u s b 接口模块设计 3 2 1c y 7 c 6 8 0 13 a 芯片介绍 ( 1 ) c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的特点 该芯片针对u s b 2 。0 ，而且和u s b l 1 兼容。它支持两手申传输速率：全速1 2 m b p s 和 高速4 8 0 m b p s p o 2 1 l 。 该芯片包括带1 6 k b 片上r a m 的高速8 0 5 1 单片机、4 k bf i f o 存储器、通用可编 程接口( g p i f ) 、串行接口引擎( s i e ) 和u s b 2 0 收发器。无需外加芯片即可完成高速 u s b 传输，性价比较高口2 1 。 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 提供了设备的“软”解决方案，使得设备可以无限制的配置和升级。 开发包提供的硬件和软件已经为开发者做了大量开发工作，开发者只需在特定的地方加 入自己的相关功能的代码即可，开发极为方便。 9 青岛农业大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 ( 2 ) 芯片的结构 该芯片的内部结构如图3 2 所示。 图3 2c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的内部结构图 f j 9 3 2b l o c kd i a g r a m c y 7 c 6 8 0 1 3 a 内部集成了一个增强的8 0 5 1 内核，它既与标准的8 0 5 1 兼容，又有诸 多的改进：最高工作频率4 8 m h z ，一个指令周期只需4 个时钟周期，比标准的8 0 5 1 平 均提高了2 5 倍；2 个u a r t s 端口；3 个定时计数器；扩展的中断系统及其更多i o1 2 1 等。c y 7 c 6 8 0 1 3 a 内部集成的u s b 2 0 的s i e 能完成大部分u s b 2 0 协议的处理工作， 减少了用户对繁杂的u s b 协议的处理1 2 ”。 ( 3 ) c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的端点缓冲 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 定义了7 个端点，在高速模式下的端点缓存结构如图3 3 所示。 e p o i n o u t 、e p i i n 、e p l o u t 是6 4 b y t e 的端点缓存。e p 0 是默认的控制传输端点，既 是i n 端点也是o u t 端点。e p i l n 、e p l o u t 支持块、中断和同步传输。e p 0 、e p i l n 和e p i o u t 只能由c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的c p u 访问；而e p 2 、4 、6 和8 可采用长传输方式， 无需c p u 干预就能实现片外设备与主机之间数据的高速传输1 2 引。 l o 青岛农业大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 印。i n o u t 田 e p io u t 田 e p l i n 田 图3 3 端点自e 置 f i 9 3 3e n d p o i n tc o n f i g u r a t i o n c y 7 c 6 8 0 1 3 a 端点配置方式非常灵活。e p 2 、4 、6 和8 可根据带宽的需要，配置成 双重、三重和四重缓存。双缓存是指u s b 可以读或写1 个数据包，而另一个数据包( 同 一个端点内另一个缓冲存储器中的) 可供外部接口操作；三重缓存加了第3 个数据包存 储器，可供u s b 和外部接口的任何一方使用；四重缓存增加了第4 个数据包存储器。 多缓存的结构可以在读写双方速度相似时有效地改善带宽，平滑带宽抖动，减少双方的 互相等待时间。 ( 4 ) c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的接口模式 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 提供了三种接口模式：端口方式、可编程的g p i f 方式和s l a v e f i f o s 方式。 在端1 3 方式下，i 0 引脚可作为8 0 5 1 的通用i o 口。 可编程的g p i f 方式使用了p o r t b 和p o r t d ，用这两个p o r t 构成通向 田田田田田田田田田田田田田团团 青岛农业大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的四个端点f i f o ( e p 2 、e p 4 、e p 6 和e p 8 ) 的1 6 位数据接口。g p i f 作 为内部可编程的控制信号与外部接口进行通信。r d y 引脚可作为外部f i f o 或者其他逻 辑器件的信号输入。g p i f 既可使用内部也可使用外部的时钟驱动，传输速率可达 9 6 m b s ( 4 8 m h z ) 。由于g p i f 接口的配置灵活，使得c y 7 c 6 8 0 1 3 a 几乎可以对任何 8 1 6 b i t 接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，非常灵活。 在s l a v e f i f o s 方式( 从机方式) 下，外部控制器可像普通f i f o 一样对c y t c 6 8 0 1 3 a 的多层缓冲f i f o 进行读写。f x 2 l p 的s l a v ef i f o s 工作方式可设为同步或异步，工作 时钟可选为内部产生或外部输入，其他控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。 3 2 2u s b 接口设计 运动轨迹控制卡采用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 a 作为u s b 控制芯片实现运动轨 迹控制卡与p c 机的连接。按照c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的说明对其进行外围设备的连接后通 过u s b 线即能实现运动轨迹控制卡与p c 机的连接。 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 利用端口方式与运动控制芯片相连接。具体连接方法请见下一节。 3 3 运动轨迹控制模块设计 3 3 1m c x 3 1 2 芯片介绍 3 3 1 1m c x 3 1 2 芯片的主要功能 m c x 3 1 2 是日本n o v a 电子有限公司研制的运动控制专用芯片，能够同时控制2 个脉冲式伺服电机或步进电机，它以脉冲串形式输出，能对伺服电机或步进电机进行位 置控制、插补驱动、速度控制等【2 5 i 。 由于性能优良、接口简单、编程方便、工作可靠，广泛应用于以下领域的运动控制： 医用设备、工业机器入、自动仓库、雕刻机、数控机床、绘图仪、i c 电路控制制造设 备等。 主要功能： ( 1 ) 独立2 轴驱动。一个芯片可以分别控制2 个电机驱动轴的运动。每个轴都可 以进行定速驱动，直线d n 减速驱动，s 曲线d n 减速驱动等。2 轴的性能相同。 ( 2 ) 速度控制。输出的驱动速度范围是从1 p p s 到4 m p p s 。可以运行固定速度驱动， 直线加减速驱动，s 曲线i j r i 减速驱动。 ( 3 ) 2 轴直线插补驱动。插补坐标范围是从当前位置到一8 3 8 8 6 0 7 + 8 3 8 8 6 0 7 ( 输出 脉冲数) 之间。 ( 4 ) 圆弧插补驱动。插补坐标范围是从当前位置到- 8 3 8 8 6 0 8 + 8 3 8 8 6 0 7 ( 输出脉 冲数) 之间。 1 2 青岛农业大学硕士学位论文第3 章系统的硬件设计 ( 5 ) 连续插补。直线插补圆弧插补直线插补p 这样可以不停地运 行每个插补节点的插补驱动，连续插补的最大驱动速度是2 m h z 。 ( 6 ) 固定线速度控制。这是一种在插补驱动中保持插补轴合成速度的功能。2 轴同 时输出脉冲时，第2 轴可以设定为1 4 1 4 倍脉冲周期。 ( 7 ) 输入信号滤波器。m c x 3 1 2 内部的每一个输入信号的输入端都装备积分型的滤 波器。 ( 8 ) 实时监控功能。在驱动中，可以实时读出逻辑位置、实际位置、驱动速度、 加速度、j l 减速状态。 ( 9 ) 8 1 6 位数据总线。8 位、1 6 位的数据总线都可以和c p u 连接。 3 3 1 2m c x 3 1 2 控制寄存器 对m c x 3 1 2 的控制主要通过命令、数据和状态等寄存器实现2 轴的的运动控制和实时 监控。 ( 1 ) w r 0 命令寄存器。用于各轴设定和命令寄存。 ( 2 ) w r l w r 3 模式寄存器。2 根轴都有各自的w r l w r 3 。w r l 有两种设定的 位，一种是在驱动中设定减速停止立即停止的输入信号的有效无效和逻辑电平的位， 另一种是对每一个中断源设定允许，禁止的位：w r 2 执行限定输入信号的模式设定、驱 动脉冲的模式信号、编码器输入信号的模式设定及伺服电机信号的逻辑电平和有效无效 的设定；w r 3 执行手动减速、独立减速度、s 曲线减速模式、外部操作模式的设定及通 用输出的设定； ( 3 ) w r 4 输出寄存器。用于设定2 个轴的输出信号，也可用作1 6 位通用i o 输出。 ( 4 ) w r 5 插补模式寄存器。设定运行插补驱动的轴指定、固定线速度模式插补、 步进插补模式和插补中断。 ( 5 ) w r 6 w r 7 数据寄存器。在将命令字写入w r 0 之前，应先将数据写入w r 6 和 w r 7 。w r 6 w r 7 分别存放数据的低位和高位。 ( 6 ) r r 0 主状态寄存器。用于显示各轴驱动和错误的状态以及插补、连续插补的 就绪信号、圆弧插补的象限和位模式插补的堆栈计数。 ( 7 ) r r l r r 3 状态寄存器。每个轴都有各自的状态寄存器r r l r r 3 。r r l 表示逻 辑实位计数器和比较寄存器的大小比较、运动状态和限位状态信号；r r 2 显示出错信息； 砌u 显示中断来源。 ( 8 ) r r 4 r r 5 输入寄存器。1 6 位通用i o 输入寄存器。 ( 9 ) r r 6 r r 7 数据寄存器。由数据读出命令将内部寄存器的数据设定在这些寄存 器。低1 6 位在r r 6 寄存器，高1 6 位在r r 7 寄存器。 青岛农业大学硕士学位论文第3 章系统的硬件设计 3 3 1 3m c x 3 1 2 读写数据命令 读数据命令是把每个轴的寄存器内容读出至读数寄存器的命令。在w r 0 寄存器写入 轴指定及读数据命令编码后，指令的数据就设定在r r 6 、r r 7 寄存器，c p u 读r r 6 、r r 7 寄存器就可以得到指定的数据，读出的数据都是二进制格式，负数值以补码表示。具体 定义见表3 1 。 表3 - i 数据读出命令表 t a b l e3 - 1l i s to f c o m m a n d sf o rr e a d i n gd a t a 数据写入命令是带有写入数据的命令，用于设定驱动参数，例如加速度、驱动速度、 输出脉冲数等。如果指定2 个轴，可以同时把同样的数据设定在2 个轴。指定的数据长度 是2 字节时，数据写入命令在w r 6 寄存器设定数据。指定的数据长度是4 字节时，数据写 入命令在w r 6 、w r 7 寄存器设定数据。此后在w r 0 寄存器写入轴指定和命令编码就执 行此命令。设定在w r 6 、w r 7 写数据寄存器的数值都是二进制，负数为补码，每一个数 据必须是设定数据范围内的数值，设定范围以外的数值，不能进行正确的驱动，数据写 入命令见表3 2 。 表3 2 数据写入命令表 t a b l e3 2l i s to f c o m m a n d sf o rd a t aw r i t i n g 编码命令参数符号 数据范围数据长度 o o h 范围设定 o l h j j n 减速度的变化率设定 0 2 h加速度设定 0 3 h减速度设定 0 4 h初始速度设定 1 4 8 0 0 0 0 0 0 ( 倍率：1 ) r 1 6 0 0 0 ( 倍率：5 0 0 ) k1 6 5 5 3 5 a l 8 0 0 0 d l 8 0 0 0 s v1 8 0 0 0 4 字节 2 字节 2 字节 2 - 7 节 2 字节 青岛农业大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 3 3 1 4 驱动命令 驱动命令是输出脉冲驱动每个轴的命令及其他相关的命令，在w r 0 命令寄存器写入 了轴指定和命令编码后就能执行。如果指定2