摘要：以CH365型PCI總線接口和MCX314As型運(yùn)動(dòng)控制器為核心硬件，自主研發(fā)了基于運(yùn)動(dòng)控制器的PCI總線運(yùn)動(dòng)控制卡。該控制卡能夠?qū)崿F(xiàn)4軸位置、速度和S曲線的加減速控制，具有直線、圓弧、位模式插補(bǔ)功能及自動(dòng)原位搜尋功能，同時(shí)具有4路信號(hào)輸入和8路通用輸出。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制卡；PCI總線；MCX314As；CH365
1 引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是開放式數(shù)控。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有即插即用、可移植性、可擴(kuò)展性和可互操作性特點(diǎn)。PC—NC是目前比較實(shí)用的一種開放式數(shù)控系統(tǒng)模式，PC—NC可歸納為3種：PC板插入到NC裝置中；軟件NC；NC板插入到PC中。其中，第一種方案保留原有的數(shù)控系統(tǒng)不變，插入的PC板主要承擔(dān)人一機(jī)界面、編程和通信等功能，用以提高系統(tǒng)開放性。此方案為目前主流數(shù)控系統(tǒng)廠商采用，可靠性較高但開放性有限。第二種方案的實(shí)時(shí)性對(duì)PC的CPU要求很高。第三種方案是在PC硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用自主開發(fā)或購(gòu)買的運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床所需的全部功能。其中PC進(jìn)行非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)插補(bǔ)控制由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)承擔(dān)，采用這種方案設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)開放性好，人一機(jī)界面靈活，非常適合非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床的開發(fā)。
文中給出了基于第三種方案的運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)方案，采用CH365型PCI總線接口和MCX314As型運(yùn)動(dòng)控制器作為核心硬件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的4軸位置、速度、S曲線的加減速控制；直線、圓弧、位模式插補(bǔ)功能：自動(dòng)原位搜尋功能以及4路信號(hào)輸入和8路通用輸出。與其他控制卡相比，其位模式插補(bǔ)功能、自動(dòng)原位搜尋功能及電子齒輪設(shè)計(jì)最有特色。

圖1

2 PCI總線接口電路
目前，計(jì)算機(jī)總線技術(shù)已由ISA總線發(fā)展到PCI總線，PCI的含義是周邊元件互連(peripheral component interconnect)。PCI局部總線是一種高性能的32位／64位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線，總線時(shí)鐘頻率高達(dá)33MHz／66MHz，同步控制，猝發(fā)傳送時(shí)數(shù)據(jù)傳遞速率高達(dá)132MB／s(32位)或264MB／s(64位)[1]。
實(shí)現(xiàn)PCI接口的方法有二種：使用復(fù)雜可編程邏輯器件或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(如CPLD／FPGA)和使用專用電路(如PCI9052和CH365等)。采用CPLD/FPGA實(shí)現(xiàn)PCI接口雖然靈活性高且性能較好，但其IP核的價(jià)格較高，而采用專用電路固然靈活性較差,但不影響其使用性能，尤其是可以利用器件生產(chǎn)廠商提供的配套工具，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和縮短開發(fā)周期，從而降低開發(fā)成本。
目前市場(chǎng)上有多種PCI接口電路．國(guó)外的如PLX公司的：PCI90系列，Altera公司的eplok，AMCC公司的S5933等，這些接口電路的性能好、適應(yīng)對(duì)象較廣，但價(jià)格較昂貴。南京沁恒公司推出一款CH365型PCI接口電路，該器件性能完全滿足PCI接口規(guī)范，雖然頻率較低(16MHz)，但可滿足設(shè)計(jì)需要且使用方便，價(jià)格低于國(guó)外產(chǎn)品，性價(jià)比高。經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)采用CH365作PCI接口器件。
CH365具有以下滿足本運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)的性能特點(diǎn)：
實(shí)現(xiàn)基于32位PCI總線的從設(shè)備接口：
轉(zhuǎn)換為主動(dòng)并行接口，8位數(shù)據(jù)，16位地址，I／O讀寫,存儲(chǔ)器讀和寫：
可以設(shè)定PCI板卡的設(shè)備標(biāo)識(shí)(Vendol ID、De-vice ID,Class Code等)；
支持以字節(jié)、字或雙字為單位對(duì)I／O端口或者存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫：
非突發(fā)存取的實(shí)測(cè)速度高達(dá)7MB／s，讀寫脈沖寬度為30ns～240ns可選，滿足運(yùn)動(dòng)控制卡要求：
支持長(zhǎng)度達(dá)240字節(jié)的I／O端口：
支持低電平有效的本地中斷請(qǐng)求,支持中斷共享：
內(nèi)置4μs～1ms的硬件計(jì)時(shí)單元，用于軟件運(yùn)行過(guò)程中的延時(shí)參考[2]。
3 運(yùn)動(dòng)控制器
目前傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器多采用嵌入式高性能單片機(jī)(如MC6833l微控制器)或DSP(TMS320xxx或DSP56xxx)來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)集成度不夠高，電路復(fù)雜，且軟、硬件研制周期長(zhǎng)，性能一致性較難保證。采用專用運(yùn)動(dòng)控制器可以提高系統(tǒng)集成度、插補(bǔ)速度及可靠性，同時(shí)簡(jiǎn)化電路，縮短開發(fā)周期。

目前市場(chǎng)上有多種運(yùn)動(dòng)控制器，如美國(guó)的PMD公司，日本的NOVA、KY()PAL、SEEK公司的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)采用日本NOVA公司的MCX314As，它是MCX314的改進(jìn)型，能夠同時(shí)控制4個(gè)伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)，能以脈沖串形式輸出，對(duì)伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行位置控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)速度控制等。具有許多突出功能。
(1)以固定速度或加／減速度輸出指定數(shù)量的脈沖達(dá)到定量驅(qū)動(dòng)；連續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，直至高位的停止命令或外部的停止信號(hào)有效時(shí)停止實(shí)現(xiàn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)。用于快速歸零原點(diǎn)開關(guān)搜尋、掃描操作、控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)速度等。
(2)設(shè)定各線段的加／減速曲線為定速、直線(梯形)加／減速或S曲線加／減速，使用S曲線加／減速可使運(yùn)動(dòng)更平滑，但降低了總速度。
(3)每個(gè)控制軸都有2個(gè)用于控制當(dāng)前位置的32位可逆計(jì)數(shù)器，一個(gè)是在器件內(nèi)部管理驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的邏輯位置計(jì)算器，另一個(gè)是管理來(lái)自外部編碼器脈沖的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器；另外每個(gè)軸還有2個(gè)32位比較寄存器，用于比較邏輯位置計(jì)數(shù)器和實(shí)際位置計(jì)