（物理电子学专业论文）激光数控加工专用pci总线运动控制卡研究.pdf

i 摘 要 在激光数控加工领域运动控制卡得到了大量应用但是现有的通用运动控制 卡并不能很好的满足激光数控加工中对激光光束输出方式的的控制要求在一般情况 下采用运动控制卡的 i / o 端口来控制激光的出光和停光这种方法效率不高而且难 于保证实时性在某些情况下甚至难于满足加工要求同时使用者只能使用这种卡 附带的运动控制函数库不利于实现特殊的控制要求以及对控制系统的改进升级 根据这种情况本文提出了一种自行设计的运动控制卡在通用的运动控制卡功 能基础上加入了激光出光控制模块这种具有激光控制功能的运动控制卡对激光光 束的输出方式的控制更加灵活更加适合在激光数控加工中使用 本文首先简要介绍了运动控制技术和国内外该领域的研究情况然后详细论述了 一种适合在激光数控加工中使用的 p c i总线运动控制卡的软硬件的实现方法它采用 p c i总线从模式接口芯片 p c i 9 0 5 2 实现 p c i总线协议从 p c i 总线转换到局部总线 使用 m c x 3 1 2 专用运动控制芯片实现各种复杂的运动控制功能 用数字电路方法实现了 p w m 激光控制模块 使运动控制与激光的控制结合在一起编制了w i n d o w s 9 8 下的v x d 驱动程序使该卡可以在 w i n d o w s 9 8 平台上使用最后编写了功能测试函数并在硬 件平台上进行了简单的功能验证 本课题开发的运动控制卡具有较好的性能和较高的效率在一定程度上能满足 激光数控加工的要求它可以作为通用运动控制卡使用也可以根据它自身的特点 在有特殊要求的控制场合中使用 关键词运动控制卡 p c i 9 0 5 2 m c x 3 1 2 ii a b s t r a c t in control system, motion control card is used to analyze data from pc and transmit pulse signal to motor driverwhich then drives the motor. nowadays many kinds of general motion control cards cannot meet the needs for special laser processing. meanwhile, those kinds of motion control cards have to use the motion control function library provided by the venders, its difficult for the user to add some special applications or upgrade the system. this thesis introduces the motion control technology and its newest fruit in brief, provides the hardware and software realization method of a kind of motion control card. the card is designed using pci bus slave mode interface device(pci9052) motion control device(mcx312) and a laser control module(pwm) realized by digitial circuit.the pci9052 is designed to realize the pci bus specification and can be connected directly to the local target. the mcx312 has all kind of complex motion control function. all those features make for high performance and efficiency. based on windows98 os, a vxd driver program is provided as well as a group of function test program, which can be used to do some function verification on a certain hardware platform. this motion control card meets the request of laser processing to some extent, which has been confirmed in our laser etching system. at the same time, it can be used as general motion control card. key words: motion control card pci9052 mcx312 1 1 绪 论 1 . 1运动控制技术的基本概念 运动控制m o t i o n c o n t r o l 是在电机驱动的基础上随着相关学科技术发展而 形成的一门多学科交叉技术它指在复杂条件下将预定的控制方案指令转变成期 望的机械运动实现机械运动精确的位置控制速度控制或转矩控制 随着微电子技术电力电子技术及微处理器技术的不断发展运动控制的高性能 的要求才得以实现运动控制系统能够实现对运动轨迹运行速度定位精度及重复 精度的精确控制一个典型的现代运动控制系统的硬件由上位控制器伺服驱动系统 电机组成 1 软件部分主要包括各种插补算法 一个完整的运动控制系统的主要架构如图 1 . 1 所示 图 1 . 1 运动控制系统架构图 上位控制器将命令和参数进行分析计算然后以脉冲信号的形式输出到电机驱动 器中再由驱动器驱动电机做出预定的各种运动 上位控制器通常是运动控制卡数控系统c n c 或单片机系统执行电机包括步 进电机和数字式交流伺服电机 它们的受控性能好在运动控制系统中得到普遍应用 位置检测装置有脉冲编码器感应同步器光栅及磁尺等 2 1 . 2运动控制技术的国内外发展 在国外运动控制已经成为一个专门的产业在这方面的新技术新产品也层出 不穷基于 p c的运动控制系统正慢慢取代基于 p l c的运动控制系统p c不仅仅只是 p l c的替代品系统的逻辑控制的实时性用户的操作界面和数据的获取的难易程度 都得到了提高 2 从上位控制单元来说有各个公司生产的运动控制专用芯片如日 本 n o v a公司生产的 m c x 3 1 4 / 3 1 2等运动控制芯片也有基于通用的 d s p d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r 3 , 4 和相应的运动控制程序的运动控制单元从执行机构来说步 进电机伺服电机以及直线电机 5 6 都得到了广泛应用日本松下p a n a s o n i c 公司 的 m i n a s a 系列数字式交流伺服电机和驱动器系列以其体积小性能卓越而著称 国内在这方面的技术和产品相对落后但各种品牌的运动控制产品正在各个行业 得到越来越广泛的应用国内的一些科研单位和高校也相继开发出运动控制系统就 运动控制卡来说成都步进机电有限公司开发的 m p c 系列运动控制卡可与 p c 机构成 主从式控制结构能够实现两到三轴的运动控制其中 m p c 0 3型运动控制卡采用 d s p 技术在国内处于领先水平纵观这些产品根据被控制电机是步进电机还是伺服电 机实现方式有所不同但基本都是由以下几种方案来实现 基于大规模集成电路 7 8 如 8 2 5 4 计数器通过改变脉冲输出频率和脉冲输 出个数实现步进电机的速度位置控制在文献 9 中介绍了一种采用这种方案设计 的步进电机控制卡其原理框图如图 1 . 2 图 1 . 2 基于 8 2 5 4 计数器的步进电机控制卡 3 基于微控制器 1 0 1 1 如 m c s - 5 1 系列和 m c s - 9 6 系列这种方案相对灵活可以 通过硬件实现很多功能但需要较多的周边器件其控制算法通过事先编好的程序固 化在存储器中在这种方案中控制程序一旦固化控制参数不易修改软硬件设计 工作量较大同时由于微控制器的速度的限制难于实现较复杂的插补算法 基于专用集成电路 1 2 1 3 1 4 这种方案将运动控制所需的各种逻辑功能做在一块 专用集成电路里还具有限位开关回零报警等辅助功能同时提供外部接口使 用户的软件设计工作减少到最小程度一块芯片就可以完成各种插补算法编码器信 号处理等功能一些需要用户经常更改的参数位置速度存储在芯片内部 r a m 中 可由上位控制器很方便修改但是受到芯片功能的限制如果用户有特殊的控制要求 可能难于实现 基于数字信号处理器 d s p 数字信号处理器在当今的运动控制领域中得到了 广泛的应用这是由它的高速运算能力决定的由于运算速度快很多复杂的控制算 法和功能可以实现 在文献 1 5 中介绍了一种基于d s p 的运动控制卡设计方法 其系统原理图如图1 . 3 所示 双口 r a m 的作用是实现上位机与 d s p 之间的通讯 上位机的指令下传到双口r a m d s p 读出这些数据进行插补运算d s p 控制程序一些数据信息上传到双口r a m 上位机 读出数据进行监控 在 f p g a 中的逻辑实现译码 倍频技术脉冲分配定时等功能 图 1 . 3 d s p 运动控制卡功能框图 4 1 . 3课题的目的和意义 在运动控制系统中运动控制卡的作用是控制电机转动进而控制数控机床的各 个轴的转动实现各种期望的运动轨迹目前在市场上有较多种类的运动控制卡能 控制 2 - 5轴在激光数控加工行业内一般也是采用这种通用运动控制卡但是这些 通用运动控制卡都不是针对激光加工特点专门设计的不能灵活地控制激光能量的输 出方式因此在许多工况下并不能完全满足激光加工在实际应用中的要求正是针对 这种情况我们决定自行设计适合于激光数控机床 1 6 的 p c i 总线运动控制卡这是基 于以下考虑 市场现有的各种控制卡不能完全满足激光数控机床的控制要求 在一般数控机 床中数控机床只须控制轴的转动和各种 i / o量根据各种插补算法能够实现不同 的运动轨迹但在激光数控机床的控制中除了以上的要求外激光光束输出方式的 控制通常是要求以一定的频率和占空比发出脉冲控制激光按照此频率和脉冲宽度 出光和停光激光的控制和插补运动应该是同时进行实时性要求较高采用通用卡 以 i / o 通道控制难以满足要求 有利于激光机床控制的改进和升级市场现有的各种运动控制卡以 i s a卡居 多也有 p c i卡但 p c i产品的价格要贵的多p c i总线具有高数据传输率独立于 处理器支持多个 p c i 外设等独特性能越来越受到计算机厂家和工程开发人员的青 睐现在的 p c机上已经渐渐不再设置 i s a插槽使用 p c i 运动控制卡是必然的大趋 势而且自行设计控制卡对硬件和底层程序都十分了解对于更改控制方式满足 不断变化的要求来说是十分方便的 1 . 4本章小结 运动控制卡在数控领域得到了广泛应用在激光数控加工行业内一般也是采用 通用运动控制卡但是这些通用运动控制卡都不是针对激光加工特点专门设计的不 能灵活地控制激光光束的输出方式因此在许多工况下并不能完全满足激光加工在实 际应用中的要求针对这种情况我们可以自行设计适合于激光数控加工的 p c i总线 运动控制卡 5 2 系统结构 2 . 1 总体方案 总体方案设计包括 pci 总线接口设计和运动控制功能的设计 随着微处理机以及当今多任务操作系统和功能丰富的应用程序产生人们对微机 系统的带宽不断提出新的要求原有的标准总线已经逐渐不能满足数据高速传输的 要求p c i总线具有高数据传输率独立于处理器支持多个 p c i外设等独特性能 越来越受到计算机厂家和工程开发人员的青睐 现在的p c 机上已经不再设置i s a 插槽 使用 p c i 运动控制卡是必然的大趋势同其他总线相比p c i 总线有较高的性能和可 靠性目前微机的 p c i 总线为3 2 位工作频率最高可为 3 3 m h z 支持快速背对背传输 和突发式传输峰值数据传输值可达 1 3 2 m b / s 1 7 1 8 在达到高性能的同时p c i 总线有 p e r r s e r r s t o p 等控制信号保证了数据传输的可靠性和完整性 1 9 它还支持即插 即用便于安装使用 对于 p c i总线的接口部分的设计从现有技术来看p c i总线接口的开发有两种 方案一种是采用专用 p c i 接口芯片设计接口这种芯片专为总线的使用者设计它 们将复杂的 p c i 总线接口关系转化为简单的用户接口关系使得板卡的设计者可以很 容易地针对用户总线接口进行设计采用专用芯片设计总线接口是一种省时省力的好 方法设计者只需设计简单的接口控制电路即可实现与总线的高速数据传输并且 价格不贵 2 0 2 1 2 2 另一种方案是采用符合总线规范的可编程逻辑器件c p l d 或f p g a 2 3 2 4 使用大规模可编程逻辑器件十分灵活p c i 接口可以依据插卡功能进行最优化 而不必实现全部 p c i 功能这样可以降低电路复杂程度节约板卡面积这种方法具 有较高的性能价格比但要求设计者对 p c i总线协议有较深的理解开发难度相对来 说教大相比较而言使用接口芯片是一种比较便捷的途径 而对于运动控制功能的设计 根据绪论中所述, 采用专用运动控制芯片是一种较好 的选择专用控制芯片通过 p c i总线与 p c 机的 c p u 通讯接收 p c 机的控制指令由 内部的逻辑电路进行运算和脉冲发送同时检测一些开关量信号如限位信号的 6 状态并向 p c 机报告以实现运动控制的功能在这种方案中所有的运动控制细节都 由运动控制卡上的专用芯片完成无需占用 p c机的资源p c机可以专注于用户界面 的处理和对运动控制卡状态的监控 运动控制专用芯片自身具有强大的运动控制功能 不需要扩展复杂的外围电路 p c 机只需要对运动控制芯片发送命令和参数 控制简单 通过以上讨论初步确定总体方案为 p c i 接口芯片专用运动控制芯片激光控 制模块 2 . 2 系统结构与功能 本系统中 p c i 总线接口的设计使用了 p l x 公司的 p c i 9 0 5 2 2 5 , 2 6 作为p c i 接口芯片 它把复杂的 p c i 总线转换成便于用户应用设计的局部总线开发相对容易 运动控制是本系统的核心为提高系统的可靠性和加快开发进度采用专用运动 控制芯片 m c x 3 1 2 它可以实现 2 轴的位置控制插补驱动速度控制以及状态监控 它通过接受命令代码和数据启动各种控制动作完成后返回各种状态值通过读取这 些状态值可以判别运动控制过程中出现的各种问题它提供 1 6 位或 8 位的总线接 口设计方便 激光控制部分除了有特定的开关量来控制外还增加了 p w m波形控制部分它输 出频率和占空比都可改变的脉冲 以此来控制激光的出光和停光控制方式更加灵活 能够满足激光加工中的不同要求 系统的功能框图如图 2 . 1 所示 图 2 . 1 系统功能框图 7 2 . 3主要器件介绍 2 . 3 . 1 p c i 9 0 5 2 p c i 9 0 5 2是 p l x公司生产的高性能的 p c i总线从模式接口芯片可以应用于各种 p c i板卡该器件主要用于各种各样的局部总线与 p c i总线间的连接即使局部总线 的速度相对较低也可以使 p c i 总线上的突发传输速度达到 1 3 2 m b / s 2 7 通过配置p c i 9 0 5 2 能够与复用或非复用的的 8 位 1 6 位或 3 2 位局部总线直接相 连接 8 位和 1 6 位的模式可以很容易将原有的基于i s a 总线的设计转变成p c i 总线( 如 图 2 . 2 ) 图 2 . 2 p c i 9 0 5 2 功能图 8 为了使数据总线 3 2 位宽时钟高达 3 3 m h z 的 p c i 总线与相对总线位数少时钟慢 的局部总线的速度相匹配p c i 9 0 5 2 内部建有读写 f i f o 同时在局部总线上提供了多 达 5 个的地址空间和 4 个片选信号 p c i 9 0 5 2 的主要特点: 兼容 p c i总线协议 v 2 . 1 , 支持低开发成本的从模式适配设备该芯片支持从 i s a 适配卡向 p c i 适配卡转换 直接从目标方式数据传送模式p c i 9 0 5 2支持突发存储器映射和 i / o映 射方式在 p c i 总线和局部总线间传输数据 读写 f i f o 寄存器使得局部总线和 p c i 总线具有高性能的突发方式 p c i 总线总是工作在突发方式局部总线可 以设置成突发方式或者连续单周期方式 中断发生器p c i 9 0 5 2 可以从两个局部总线中断输入生成一个 p c i 中断 时钟p c i 9 0 5 2 局部总线接口以t t l 兼容时钟驱动并生成必要的内部时钟 内部时钟与 p c i时钟异步工作并允许局部总线独立于 p c i时钟工作p c i 总线缓冲时钟b c l k o 可与局部总线时钟( l c l k ) 相连 局部总线配置p c i 9 0 5 2 支持复用或非复用的 3 2 位1 6 位或 8 位局部总线 芯片有 4个局部总线字节使能l b e 3 : 0 # 信号2 6 根地址线3 2 1 6 或 8 根数据线 预读模式p c i 9 0 5 2 支持预读模式也就是说预读数据可从芯片内部 f i f o 寄存器先于局部总线读取 总线驱动 所有控制 地址和数据信号都由 p c i 9 0 5 2 直接生成 用于驱动 p c i 和局部总线不用额外驱动电路 串行 e 2 p r o m 接口p c i 9 0 5 2 包含一个用于加载配置信息的串行 e 2 p r o m 接口 对于装载一个特定的设备配置信息来说这是很有用的将 p c i转换为 i s a 接口模式时串行 e e p r o m 也是必需的 四个局部片选信号p c i 9 0 5 2提供了四个局部片选信号每一个片选的范围 和基地址可由串行 e 2 p r o m 配置 五个局部地址空间每一个局部地址空间的范围和基地址可由串行 e 2 p r o m或 9 主控制器独立编程 读/ 写存储延时和写周期保持 对每个局部地址空间读写时序都可以独立配 置 局部总线等待状态 附加的l r d y i # 握手信号用于产生各种等待状态 p c i 9 0 5 2 有内部等待状态发生器 可编程预取计数器局部总线预取计数器可以编程为无预取或者连续预取模 式 2 . 3 . 1 . 1 p c i 9 0 5 2内部寄存器 p c i 9 0 5 2有几种内部寄存器在接口设计中提供了很大的灵活性主要的寄存器 有 p c i 配置寄存器和局部总线配置寄存器 p c i 配置寄存器由以下组成 设备 i d 和供应商 i d d e v i c e a n d v e n d e r i d有两套设备和供应商 i d . 一套 设备和供应商i d 位于p c i 配置寄存器偏移地址 0 0 hp c i i d r 3 1 : 1 6 和p c i i d r 1 5 : 0 . 子系统i d 和子系统供应商i d 在偏移地址2 e h 和2 c h ( p c i s i d 3 1 : 1 6 和p c i s i d 1 5 : 0 ) 设备 i d 和供应商 i d用于设备和生产厂商的识别子系统 i d 和子系统供应商 i d 用于 采用该芯片的子系统的生产厂商的识别 状态寄存器该寄存器保存了 p c i 总线相关的状态信息 命令寄存器它控制着 p c i 9 0 5 2对 p c i访问的反应能力设备是否对 i / o 或内存空间的访问做出反应 类代码它决定了设备的总体功能 版本 i d 从这个寄存器中读出的数据代表 p c i 9 0 5 2 的芯片版本 头部空间种类 定义了设备的 p c i 头部空间的格式以及该设备是单功能设备 还是多功能设备 缓存行尺寸以字为单位定义系统的缓存行尺寸 内存映射局部配置寄存器的 p c i 基地址寄存器 为了通过内存映射访问局部配 置寄存器计算机系统的 b i o s 使用这个寄存器为设备分配一段内存范围固定为1 2 8 字节初始化期间主处理器向这个寄存器写入f f f f f f f f , 然后读该寄存器得到 10 f f f f f f 8 0确定需要的内存为 1 2 8 字节然后主处理器把分配的内存段的基地址 写入 p c i b a r 0 3 1 : 7 i / o 映射局部配置寄存器的 p c i 基地址寄存器为了通过 i / o 映射访问局部配 置寄存器 计算机系统的 b i o s 使用这个寄存器为设备分配一段 i / o 地址 范围固定为 1 2 8 字节初始化期间主处理器向这个寄存器写入f f f f f f f f , 然后读该寄存器得 到f f f f f f 8 1确定需要的 i / o 为 1 2 8 字节然后主处理器把分配的 i / o 地址段的 基地址写入 p c i b a r 1 3 1 : 7 访问局部地址空间 0 1 2 3的 p c i基地址寄存器为了访问局部局部地址 空间 0 1 2 或 3 计算机系统的b i o s 使用这个寄存器为设备分配一段 p c i 地址空间 段范围由局部地址空间范围寄存器决定初始化期间主处理器向这个寄存器写入 f f f f f f f f , 然后读该寄存器 然后主处理器把分配的地址空间的基地址写入这些寄 存器 实际上这些寄存器也是 p c i 总线协议规范规定的首部类型 0 包含的寄存器 局部总线配置寄存器包括较多内容当使用到时再做进一步说明 2 . 3 . 1 . 2局部片选 p c i 9 0 5 2为局部总线接口提供了 4个低有效的片选信号每一个片选信号都是可 配置的独立于任何一个地址空间如果没有提供的话就需要外部地址译码逻辑提 供片选信号 每一个片选信号都有相应的基地址寄存器这些寄存器控制对应的片选引脚例 如片选基地址 0 寄存器控制 c s 0 #这些寄存器有四个目的 使能或禁止 p c i 9 0 5 2 的片选功能激活该功能后如果局部地址处于某一局 部地址空间内片选信号有效 设置片选信号有效的局部空间范围 设置片许信号有效的局部空间基址 如果设置了 i s a 模式可以配置 i s a 连接逻辑 2 . 3 . 1 . 3 p c i 9 0 5 2的复位 上电后p c i总线的 r s t # 信号复位 p c i 9 0 5 2的内部寄存器随后p c i 9 0 5 2输出 11 局部总线上的 l r e s e t # 信号同时检测串行 e 2 p r o m 如果存在串行 e 2 p r o m 而且最初 的 4 8 位不全为 1 p c i 9 0 5 2 就从外部串行 e 2 p r o m 装入内部寄存器的值如果不存在 就使用缺省值p c i 9 0 5 2 配置寄存器只能通过串行 e 2 p r o m 或者 p c i 主设备写入 p c i总线的 r s t # 信号的有效使 p c i总线进入高阻状态复位 p c i 9 0 5 2 并有效局 部总线复位信号 l r e s e t # 除了 b c l k o e e c s e e d i e e s k l h o l d a和局部数据总线 l a d 3 1 : 0 外其他局部总线输出和 i / o 引脚也进入高阻状态 一个 p c i 主设备能通过设置 p c i 软件复位位c n t r l 3 0 = 1 来复位 p c i 9 0 5 2 有 效 l r e s e t # , p c i配置寄存器和局部配置寄存器的内容并不复位当 p c i 软件复位位设 置后p c i 9 0 5 2 只响应 p c i 配置寄存器访问对局部总线的访问不作响应只有当p c i 主设备清除了 p c i 软件复位位( c n t r l 3 0 = 0 ) 后p c i 9 0 5 2 才脱离这种状态 2 . 3 . 1 . 4 串行 e 2p r o m 复位后p c i 9 0 5 2通过串行 e 2 p r o m 读操作来确定是否存在外部串行 e 2 p r o m 低电 平的起始位说明存在 e 2 p r o m 如果从串行 e 2 p r o m中读取的最初的 4 8位不全为 1 p c i 9 0 5 2 就认定 e 2 p r o m 不为空然后继续从中读取数据 如果串行 e 2 p r o m 中未储存数据p c i 9 0 5 2 就会使用缺省值如果串行 e 2 p r o m 存在 位 c n t r l 2 8 被设置位 1 p c i 9 0 5 2 就会在串行 e 2 p r o m 中读取真实或者随机的数据 串行数据起始位为 1表示不存在串行 e 2 p r o m 在这种情况下p c i 9 0 5 2停止串行 e 2 p r o m 的数据装载并使用缺省值如果不使用串行 e 2 p r o m e e d o 引脚要通过电阻上 拉以避免起始位的误检测即没有串行 e 2 p r o m 又没有 e e d o 引脚的上拉电阻p c i 9 0 5 2 会把所有寄存器设为 0 而不是缺省值 串行 e 2 p r o m时钟由 p c i时钟驱动p c i 9 0 5 2通过把 p c i时钟 3 2分频来产生串行 e 2 p r o m 时钟 p c i 主设备可以读取串行 e 2 p r o m 数据或者对其执行写操作寄存器 c n t r l 2 9 : 2 4 控制 p c i 9 0 5 2的相应引脚对串行 e 2 p r o m读或写当配置寄存器的重载位 c n t r l 2 9 被置为 1 时串行 e 2 p r o m 的数据被重新载入 p c i 9 0 5 2 的内部寄存器 读写串行 e 2 p r o m 的步骤如下 向串行 e 2 p r o m 片选位 c n t r l 2 5 写入 1 有效串行 e 2 p r o m 片选信号 e e c s 12 通过写 0 然后写 1 产生串行 e 2 p r o m 时钟数据就在上升沿读出或写入 向串行 e 2 p r o m 写操作码 读写数据 向串行 e 2 p r o m 片选位 c n t r l 2 5 写入 0 无效串行 e 2 p r o m 片选信号 e e c s 在 p c i复位信号无效后p c i 9 0 5 2从串行 e 2 p r o m中读入数据初始化 p c i 配置寄 存器和局部配置寄存器如表 2 . 1 串行 e 2 p r o m内部由字1 6 位组成p c i 9 0 5 2首 先从第 3 1 位开始读入 3 2 位寄存器的高 1 6 位 然后从 1 5 位开始读入低 1 6 位 p c i 9 0 5 2 采用这样的顺序读入设备 i d , 供应商 i d 类代码等等 表 2 . 1 串行 e 2 p r o m 串行 e 2 p r o m 偏移地址 寄存器 偏移地址 串行 e 2 p r o m 数据 说明 0 h p c i 0 2 h 9 0 5 2 设备 i d d e v i c e i d 2 h p c i 0 0 h 1 0 b 5 供应商 i d ( v e n d e r i d ) 4 h p c i 0 a h 0 6 8 0 类代码 6 h p c i 0 8 h 0 0 类代码 8 h p c i 2 e h 9 0 5 2 子系统 i d ( s u b s y s t e m i d ) a h p c i 2 c h 1 0 b 5 子系统供应商 i d ( s u b s y s t e m v e n d e r i d ) c h p c i 3 e h 不支持 e h p c i 3 c h 0 1 中断引脚 1 0 h l o c a l 0 2 h f f f 0 局部地址空间 0 范围的高半字 1 2 h l o c a l 0 0 h 0 0 0 0 局部地址空间 0 范围的低半字 1 4 h l o c a l 0 6 h f f f f 局部地址空间 1 范围的高半字 1 6 h l o c a l 0 4 h f f f 1 局部地址空间 1 范围的低半字 1 8 h l o c a l 0 a h f f f e 局部地址空间 2 范围的高半字 1 a h l o c a l 0 8 h 0 0 0 0 局部地址空间 2 范围的低半字 1 c h l o c a l 0 e h f f f 0 局部地址空间 3 范围的高半字 1 e h l o c a l 0 c h 0 0 0 0 局部地址空间 3 范围的低半字 2 0 h l o c a l 1 2 h 0 0 0 0 局部扩展 r o m 范围的高半字 2 2 h l o c a l 1 0 h 0 0 0 0 局部扩展 r o m 范围的低半字 2 4 h l o c a l 1 6 h 0 0 0 0 局部地址空间 0 的基地址高半字 2 6 h l o c a l 1 4 h 0 0 0 1 局部地址空间 0 的基地址低半字 2 8 h l o c a l 1 a h 0 0 0 0 局部地址空间 1 的基地址高半字 2 a h l o c a l 1 8 h 0 0 0 1 局部地址空间 1 的基地址低半字 2 c h l o c a l 1 e h 0 1 0 0 局部地址空间 2 的基地址高半字 2 e h l o c a l 1 c h 0 0 0 1 局部地址空间 2 的基地址低半字 13 3 0 h l o c a l 2 2 h 0 2 0 0 局部地址空间 3 的基地址高半字 3 2 h l o c a l 2 0 h 0 0 0 1 局部地址空间 3 的基地址低半字 3 4 h l o c a l 2 6 h 0 0 0 0 局部扩展 r o m 基地址的高半字 3 6 h l o c a l 2 4 h 0 0 0 0 局部扩展 r o m 基地址的低半字 3 8 h l o c a l 2 a h 0 0 4 0 地址空间 0 总线范围描述符高半字 3 a h l o c a l 2 8 h 0 0 2 2 地址空间 0 总线范围描述符低半字 3 c h l o c a l 2 e h 0 0 0 0 地址空间 1 总线范围描述符高半字 3 e h l o c a l 2 c h 0 0 2 2 地址空间 1 总线范围描述符低半字 4 0 h l o c a l 3 2 h 0 0 8 0 地址空间 2 总线范围描述符高半字 4 2 h l o c a l 3 0 h 0 0 0 1 地址空间 2 总线范围描述符低半字 4 4 h l o c a l 3 6 h 5 4 2 1 地址空间 3 总线范围描述符高半字 4 6 h l o c a l 3 4 h 3 8 e 9 地址空间 3 总线范围描述符低半字 4 8 h l o c a l 3 a h 0 0 0 0 扩展 r o m 总线范围描述符高半字 4 a h l o c a l 3 8 h 0 0 0 0 扩展 r o m 总线范围描述符低半字 4 c h l o c a l 3 e h 0 0 0 8 片选 0 的基址和范围的高半字 4 e h l o c a l 3 c h 0 0 0 1 片选 0 的基址和范围的低半字 5 0 h l o c a l 4 2 h 0 0 0 0 片选 1 的基址和范围的高半字 5 2 h l o c a l 4 0 h 0 0 0 9 片选 1 的基址和范围的低半字 5 4 h l o c a l 4 6 h 0 1 0 1 片选 2 的基址和范围的高半字 5 6 h l o c a l 4 4 h 0 0 0 1 片选 2 的基址和范围的低半字 5 8 h l o c a l 4 a h 0 2 0 8 片选 3 的基址和范围的高半字 5 a h l o c a l 4 8 h 0 0 0 1 片选 3 的基址和范围的低半字 5 c h l o c a l 4 e h 0 0 0 0 中断控制/ 状态的高半字 5 e h l o c a l 4 c h 1 0 4 3 中断控制/ 状态的低半字 6 0 h l o c a l 5 2 h 0 0 7 c i / o 串行 e 2 p r o m 控制的高半字 6 2 h l o c a l 5 0 h 4 2 5 2 i / o 串行 e 2 p r o m 控制的低半字 2 . 3 . 2 m c x 3 1 2 m c x 3 1 2 是一款能够同时控制2 个伺服电机或步进电机的运动控制芯片 它以脉冲串 的形式输出能对伺服电机和步进电机进行位置控制插补驱动速度控制 2 8 2 . 3 . 2 . 1 m c x 3 1 2 功能概述 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 加/ 减速驱动s 曲线加/ 减速驱动两轴的性能相同 速度控制 14 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 曲线加/ 减速驱动加/ 减速驱动可以使用自动和手动两种操作方法脉冲输出 的频率精确度小于0 . 1 % ( 在c l k = 1 6 m h z 时) 驱动脉冲输出的速度可以在驱动中更改 非对称直线加减速驱动 运行梯形加减速驱动时加速度和减速度可以不同手动设定减速开始点就可以 了 s - 曲线加/ 减速驱动 每个轴可以用s - 曲线进行加/ 减速设定使用s - 曲线命令还可以对抛物线加/ 减速 驱动输出脉冲进行设定此外对于定量驱动使用独特的方法避免在s - 曲线加/ 减速中 发生三角波形 2 轴直线插补 可以选择2 轴进行直线插补驱动插补坐标范围是从当前位置到- 8 , 3 8 8 , 6 0 7 + 8 , 3 8 8 , 6 0 7 之间在整个指定的直线插补范围内插补精度是0 . 5 l s b 插补速度范围 是从1 p p s 至4 m p p s 圆弧插补 可以选择2 轴进行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 之间在整个指定的圆弧插补范围内插补精度是0 . 5 l s b 插补速度范围 是从1 p p s 至4 m p p s 2 轴位模式插补 收到在上位c p u 上计算的位模式插补数据后 可以用指定的驱动速度连续输出插补 脉冲用这种方式可以产生任何插补曲线 连续插补 直线插补 圆弧插补 直线插补这样可以不停地运行不同的插补驱动连续 插补的最大驱动速度是2 m h z 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 15 位置控制 每轴都有个3 2 位位置计数器一个是在芯片内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计 算器另一个是管理从外部编码器来的脉冲的实际位置计数器 比较寄存器和软件限制功能 每轴都有2 个3 2 位比较寄存器用于逻辑位置计数器或者实际位置计数器的位置 大小比较在驱动时 可以从状态寄存器读出比较寄存器和逻辑/ 实际位置计数器之间 的大小关系有变化时可产生中断并且可以启动这2 个比较寄存器作为软件限位 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有积分型的滤波器可以设定哪一个输 入信号的滤波器功能变为有效或无效滤波器的时间常数从8 个种类里可以选择1 个 由外部信号驱动 每个轴都可以用外部信号进行正或负方向运行的定量驱动和连续驱动该功能使 各轴在手动操作时可以减轻c p u 的负担 搜寻原点输入 每轴有2 个输入信号 可以在驱动中完成减速停止这些输入信号可以运行原点靠 近高速搜寻原点搜寻编码器z 相搜寻 伺服电机各种信号 m c x 3 1 2 接受来自伺服电机驱动器的信号如2 相编码器信号在位信号报警信 号等 中断发生功能 可以由这些原因产生中断如加/ 减速驱动的定速开始时定速完毕时驱动完 毕时位置计数器和比较器之间的大小关系有变化时等等此外连续插补位模式插 补时有发生下一个数据请求中断 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 加/ 减速状态 加 速中定速中减速中 8 / 1 6 位数据总线 16 8 位/ 1 6 位的数据总线都可以和c p u 连接 图2 . 3 是m c x 3 1 2 的功能方框图, 它包括相同功能的x y 2 轴控制部分和插补运算部 分插补驱动时在主轴a x 1 上产生基本的脉冲振荡的时序进行插补算术运算 图2 . 3 m c x 3 1 2 功能方框图 图2 . 4 是各个x y 轴控制部分的功能方框图 图2 . 4 每个轴的控制功能方框图 17 2 . 3 . 2 . 2 读/ 写寄存器 如表2 . 2 所示使用1 6 位数据总线时存取1 6 位读/ 写寄存器的地址有8 个 表 2 . 2 1 6 位数据总线的写入寄存器 地址 寄存器 寄存器名称 内容 0 0 0 w r 0 命令寄存器 轴指定命令编码的设定 0 0 1 x w r 1 y w r 1 x 轴方式寄存器 1 y 轴方式寄存器 1 设定各轴的外部减速停止信号的逻辑电平和有效/ 无效 设定各轴中断的允许/ 禁止 x w r 2 y w r 2 x 轴方式寄存器 2 y 轴方式寄存器 2 设定各轴限制信号的模式设定驱动脉冲的模式设定编 码器输入信号的模式设定用于伺服马达信号的逻辑电平 和有效/ 无效 0 1 0 b p 1 p b p 1 p 寄存器 设定正方向位模式插补第1 轴的位数据 x w r 3 y w r 3 x 轴方式寄存器 3 y 轴方式寄存器 3 设定各轴的手动减速单独减速度s 曲线加减速模式 设定外部操作模式设定输入信号滤波 0 1 1 b p 1 m b p 1 m 寄存器 设定负方向位模式插补x 轴的位数据 w r 4 输出寄存器 设定通用输出 n o u t 7 - 0 1 0 0 b p 2 p b p 2 p 寄存器 设定正方向位模式插补 y 轴的位数据 w r 5 插补方式寄存器 轴指定设定固定线速度模式步进模式和中断 1 0 1 b p 2 m b p 2 m 寄存器 设定负方向位模式 x 轴的位数据 1 1 0 w r 6 写数据寄存器 1 设定写入数据的低 1 6 位 d 1 5 d 0 1 1 1 w r 7 写数据寄存器 2 设定写入数据的高 1 6 位 d 3 1 d 1 6 每个轴都有w r 1 w r 2 w r 3 模式寄存器1 2 3用统一地址写这些寄存器 由事先写入轴指定命令来决定写入哪一个轴的模式寄存器或者事先写入轴指定的 n o p 命令选择要写入的轴 复位后位模式插补用的位数据寄存器b p 1 3 p b p 1 3 m 不能马上写发b p 寄存器 允许命令3 6 h 后才能写这些寄存器发b p 寄存器写入允许命令后不能写n w r 2 18 3 所以在位模式插补中写完位数据后需要发禁止写b p 寄存器的命令3 7 h 复位时n w r 1 n w r 2 n w r 3 w r 4 w r 5 寄存器所有的位都被清除为0 其它寄存器 不确定 如表 2 . 3 所示存取 1 6 位写寄存器的地址也有 8 个 表 2 . 3 1 6 位数据总线的读寄存器 地址 寄存器 寄存器名称 内容 0 0 0 w r 0 命令寄存器 轴指定命令编码的设定 0 0 1 x w r 1 y w r 1 x 轴方式寄存器 1 y 轴方式寄存器 1 设定各轴的外部减速停止信号的逻辑电平和有效/ 无效 设 定各轴中断的允许/ 禁止 0 1 0 x w r 2 y w r 2 x 轴方式寄存器 2 y 轴方式寄存器 2 设定各轴限制信号的模式设定驱动脉冲的模式设定编 码器输入信号的模式设定用于伺服马达信号的逻辑电平和 有效/ 无效 0 1 1 x w r 3 y w r 3 x 轴方式寄存器 3 y 轴方式寄存器 3 设定各轴的手动减速单独减速度s 曲线加减速模式 设定外部操作模式 设定输入信号滤波 1 0 0 w r 4 输出寄存器 设定通用输出 n o u t 7 - 0 1 0 1 w r 5 插补方式寄存器 轴指定设定固定线速度模式步进模式和中断 1 1 0 w r 6 写数据寄存器 1 设定写入数据的低 1 6 位 d 1 5 - d 0 1 1 1 w r 7 写数据寄存器 2 设定写入数据的高 1 6 位 d 3 1 - d 1 6 x y 轴都有r r 1 r r 2 r r 3 每一个轴状态寄存器1 2 3 用同一个地址读出这 些寄存器由事先写入轴指定的命令来决定写入哪一个轴的状态寄存器或者事先写 入轴指定的n