基于PCI 總線(xiàn)的四軸運(yùn)動(dòng)控制卡的研制

1.引言

本項(xiàng)目是用于華南理工與廣東風(fēng)華集團(tuán)合作的動(dòng)臂式貼片機(jī)（也稱(chēng)拱架型貼片機(jī)）的拾取/貼裝頭的四軸控制，X，Y軸為水平面方向運(yùn)動(dòng)，Z軸為拾取/貼裝頭拾取、貼裝芯片方向運(yùn)動(dòng)，U軸為調(diào)整芯片角度方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]。

根據(jù)項(xiàng)目要求，采用MCX314as為運(yùn)動(dòng)控制核心，上位機(jī)只需將運(yùn)動(dòng)參數(shù)寫(xiě)入MCX314as的寄存器，各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，插補(bǔ)計(jì)算均由 MCX314as完成，極大地提高了運(yùn)算和控制速度，通過(guò)PCI9052為PCI橋接口與計(jì)算機(jī)通信，完成了4軸伺服/步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)位置，速度，加速度控制和直線(xiàn)、圓弧插補(bǔ)的功能。

2.運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)主要是由PCI接口芯片PCI9052、運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314as以及相應(yīng)的光耦隔離、差動(dòng)傳輸?shù)入娐方M成，如圖1。其中,DB代表數(shù)據(jù)總線(xiàn),AB代表地址總線(xiàn),CB代表控制總線(xiàn),軸輸出為四個(gè)軸的輸出脈沖，I/O為輸入輸出控制信號(hào)等。

2.1PCI總線(xiàn)接口

PCI局部總線(xiàn)是一種獨(dú)立于處理器的高性能、低成本、開(kāi)放型總線(xiàn)，它的這些優(yōu)點(diǎn)，使其得到迅速普及和發(fā)展，并成為事實(shí)上的微型機(jī)的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，而且在嵌入式計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)方面得到廣泛的應(yīng)用。它可分為32位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線(xiàn)和64位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線(xiàn)兩種，總線(xiàn)的速度分為最高達(dá)33MHz和 66MHz兩種。數(shù)據(jù)傳送速度最高可達(dá)528MB/s[2]。我們采用的是32位總線(xiàn)，33MHz的速度。

目前實(shí)現(xiàn)PCI接口的方案可分為使用CPLD和使用專(zhuān)用芯片兩種。使用CPLD實(shí)現(xiàn)PCI接口比較靈活，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜。采用專(zhuān)用芯片可以降低設(shè)計(jì)難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。因此，我們采用PLX公司的PCI9052專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI總線(xiàn)接口?？偩€(xiàn)接口見(jiàn)文獻(xiàn)[1]（21頁(yè)）。


圖1：PCI卡總體設(shè)計(jì)

PCI9052是PLX公司為擴(kuò)展適配板卡推出的一款高性能、低價(jià)位的PCI總線(xiàn)從模式接口芯片。芯片引腳可直接與適配板卡金手指相連，它的各個(gè)引腳的名稱(chēng)和功能可參考它的DATASHEET[1]。局部總線(xiàn)與MCX314as的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)等相連。

PCI9052芯片的主要特點(diǎn)如下：

（1）符合PCI2.1規(guī)范,支持簡(jiǎn)單的ISA到PCI的橋接轉(zhuǎn)換;

（2）支持局部總線(xiàn)到內(nèi)存和I/O映射;

（3）PCI中斷信號(hào)由局部總線(xiàn)的兩個(gè)中斷信號(hào)LINTI1、LINTI2產(chǎn)生;

（4）局部總線(xiàn)與PCI總線(xiàn)的時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行,兼容高低速設(shè)備。局部總線(xiàn)的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍0～40MHz;PCI的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍0～33MHz。

（5）可通過(guò)EEPROM的配置改變局部總線(xiàn)的操作,支持多路復(fù)用作和非多路復(fù)用8位、16位和32位通用局部總線(xiàn);

（6）串行EEPROM接口,連接的串行EEPROM用于存放設(shè)備ID和局部總線(xiàn)配置等重要信息;[1]

2.2局部總線(xiàn)接口電路

PCI9052與MCX314as連接的電路如圖2所示：


圖2：PCI9052與MCX314as連接

MCX314as是一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)4軸運(yùn)動(dòng)控制的集成電路。通過(guò)它可以控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的4軸位置、速度和插補(bǔ)[3]。它的所有功能都是由特定的寄存器控制的。通過(guò)對(duì)寄存器的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。它的電平與PCI9052相兼容，可以直接連接。

根據(jù)MCX314as本身的特性，PCI9052的局部總線(xiàn)采用非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)的ISA模式，將PCI9052的MODE（68腳）接地，為非復(fù)用模式，ISA模式的寄存器配置在章節(jié)3中詳細(xì)說(shuō)明。PCI9052的ISA模式下，LRESET為正邏輯，而MCX314as的復(fù)位信號(hào)為反邏輯，所以?xún)烧咭ㄟ^(guò)反向器連接。BUSY#和INTN#應(yīng)加電阻后拉高，以加快數(shù)據(jù)傳輸中的等待和中斷后的恢復(fù)。

2.3MCX314as的信號(hào)接口電路

MCX314as是運(yùn)動(dòng)控制卡的核心，通過(guò)對(duì)它的八個(gè)控制寄存器和八個(gè)狀態(tài)寄存器的操作可實(shí)現(xiàn)四軸的速度、位置、插補(bǔ)控制。如圖3所示是單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接圖。4軸系統(tǒng)于它相類(lèi)似，每個(gè)軸采用相同的設(shè)計(jì)既可。


圖3：MCX314as驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

MCX314as輸出驅(qū)動(dòng)脈沖有兩種形式：一種是正、負(fù)脈沖形式，以X軸為例，既XPP輸出脈沖時(shí)，X軸正向旋轉(zhuǎn)，XPM輸出脈沖時(shí)，X軸反向旋轉(zhuǎn)，四軸與此相同;另外一種是脈沖、方向形式，以X軸為例，XPP管腳在此復(fù)用為PLS，作為脈沖輸出管腳，XPM在此復(fù)用為DIR，作為方向信號(hào)輸出?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置寄存器WR2的D6位來(lái)選擇輸出的形式，為了和我們的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相配套，我們選用的是正、負(fù)脈沖（CCW）形式，采用差動(dòng)輸出，提高傳輸距離。

反饋的編碼器信號(hào)經(jīng)差動(dòng)傳輸、高速光耦隔離后連接在各軸的編碼器輸入口。編碼器的輸入信號(hào)也可分為兩相脈沖輸入（nECA，nECB）和上下脈沖輸入（PPIN，PMIN），設(shè)置WR2的D9位可選擇與編碼器相兼容的脈沖計(jì)數(shù)方式。

MCX314as每個(gè)軸有8位的I/O信號(hào)，其中每個(gè)軸的輸出有4位（OUT4-7）可作為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的指示，也可作為通用輸出，寄存器WR3的D7用來(lái)設(shè)定它是否作為通用輸出。8位輸入中可作為正、負(fù)限位，到位、報(bào)警等輸入信號(hào)。I/O為電平信號(hào)，可通過(guò)光耦與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器隔離輸入、輸出。

3.基于PCI9052的板卡的配置

通過(guò)對(duì)PCI9052的配置寄存器的設(shè)置，它可工作在多種模式之下，如C模式、J模式、ISA模式等，每一種模式主要是對(duì)應(yīng)著局部總線(xiàn)的不同工作方式和遵循的不同的總線(xiàn)規(guī)范。PCI9052的配置信息存放在所連接的EEPROM中,配置是否正確決定運(yùn)動(dòng)控制卡能否正常工作，所以非常重要，對(duì)9052的配置也是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。