摘要：以CH365型PCI总线接口和MCX314As型运动操控器为中心硬件，自主研发了根据运动操控器的PCI总线运动操控卡。该操控卡能够完成4轴方位、速度和S曲线的加减速操控，具有直线、圆弧、位方法插补功用及主动原位查找功用，一起具有4路信号输入和8路通用输出。
要害词：运动操控卡；PCI总线；MCX314As；CH365
1 导言
跟着现代科技的开展，数控技能的开展趋势是开放式数控。开放式数控体系具有即插即用、可移植性、可扩展性和可互操作性特征。PC―NC是现在比较有用的一种开放式数控体系方法，PC―NC可概括为3种：PC板刺进到NC设备中；软件NC；NC板刺进到PC中。其间，第一种计划保存原有的数控体系不变，刺进的PC板首要承当人一机界面、编程和通讯等功用，用以进步体系开放性。此计划为现在干流数控体系厂商选用，牢靠性较高但开放性有限。第二种计划的实时性对PC的CPU要求很高。第三种计划是在PC硬件渠道和操作体系的基础上，选用自主开发或购买的运动操控卡来完成数控机床所需的悉数功用。其间PC进行非实时处理，实时插补操控由运动操控卡来承当，选用这种计划规划的数控体系开放性好，人一机界面灵敏，十分合适非标准数控机床的开发。
文中给出了根据第三种计划的运动操控卡规划计划，选用CH365型PCI总线接口和MCX314As型运动操控器作为中心硬件，完成运动操控卡的4轴方位、速度、S曲线的加减速操控；直线、圆弧、位方法插补功用：主动原位查找功用以及4路信号输入和8路通用输出。与其他操控卡比较，其位方法插补功用、主动原位查找功用及电子齿轮规划最有特征。
图1
2 PCI总线接口电路
现在，计算机总线技能已由ISA总线开展到PCI总线，PCI的意义是周边元件互连(peripheral component interconnect)。PCI部分总线是一种高功用的32位／64位地址／数据复用总线，总线时钟频率高达33MHz／66MHz，同步操控，猝发传送时数据传递速率高达132MB／s(32位)或264MB／s(64位)[1]。
完成PCI接口的办法有二种：运用杂乱可编程逻辑器材或现场可编程门阵列(如CPLD／FPGA)和运用专用电路(如PCI9052和CH365等)。选用CPLD/FPGA完成PCI接口尽管灵敏性高且功用较好，但其IP核的价格较高，而选用专用电路当然灵敏性较差,但不影响其运用功用，特别是能够运用器材出产厂商供给的配套东西，大大简化规划和缩短开发周期，然后下降开发本钱。
现在市场上有多种PCI接口电路．国外的如PLX公司的：PCI90系列，Altera公司的eplok，AMCC公司的S5933等，这些接口电路的功用好、习惯方针较广，但价格较贵重。南京沁恒公司推出一款CH365型PCI接口电路，该器材功用彻底满意PCI接口标准，尽管频率较低(16MHz)，但可满意规划需求且运用便利，价格低于国外产品，性价比高。经比较，本规划选用CH365作PCI接口器材。
CH365具有以下满意本运动操控卡规划的功用特征：
完成根据32位PCI总线的从设备接口：
转化为主动并行接口，8位数据，16位地址，I／O读写,存储器读和写：
能够设定PCI板卡的设备标识(Vendol ID、De-vice ID,Class Code等)；
支撑以字节、字或双字为单位对I／O端口或许存储器进行读写：
非突发存取的实测速度高达7MB／s，读写脉冲宽度为30ns～240ns可选，满意运动操控卡要求：
支撑长度达240字节的I／O端口：
支撑低电平有用的本地中止恳求,支撑中止同享：
内置4μs～1ms的硬件计时单元，用于软件运转过程中的延时参阅[2]。
3 运动操控器
现在传统的运动操控器多选用嵌入式高功用单片机(如MC6833l微操控器)或DSP(TMS320xxx或DSP56xxx)来完成，体系集成度不够高，电路杂乱，且软、硬件研发周期长，功用一致性较难确保。选用专用运动操控器能够进步体系集成度、插补速度及牢靠性，一起简化电路，缩短开发周期。
现在市场上有多种运动操控器，如美国的PMD公司，日本的NOVA、KY()PAL、SEEK公司的产品。本规划选用日本NOVA公司的MCX314As，它是MCX314的改进型，能够一起操控4个伺服马达或步进马达，能以脉冲串方法输出，对伺服马达和步进马达进行方位操控、插补驱动速度操控等。具有许多杰出功用。
(1)以固定速度或加／减速度输出指定数量的脉冲到达定量驱动；接连输出驱动脉冲，直至高位的中止指令或外部的中止信号有用时中止完成接连驱动。用于快速归零原点开关查找、扫描操作、操控马达旋转接连驱动速度等。
(2)设定各线段的加／减速曲线为定速、直线(梯形)加／减速或S曲线加／减速，运用S曲线加／减速可使运动更滑润，但下降了总速度。
(3)每个操控轴都有2个用于操控当时方位的32位可逆计数器，一个是在器材内部办理驱动脉冲输出的逻辑方位计算器，另一个是办理来自外部编码器脉冲的实践方位计数器；别的每个轴还有2个32位比较寄存器，用于比较逻辑方位计数器和实践方位计数器的方位巨细，可作为软件限位操控。
(4)能够任选2轴或3轴，进行直线插补、圆弧插补、位方法插补驱动。插补坐标规模是从当时方位到一8，388，608～+8，388，608之间，在整个指定的直线插补规模内的插补精度是+0.5LSB．插补速度规模是1pps～4Mpps；位插补驱动能够发生任何插补曲线；一起能够进行直线插补→圆弧插补→直线插补的接连插补驱动，接连插补时最高达2Mpos。
(5)加／减速驱动的定速开始时、定速结束时、驱动结束时、方位计数器和比较器之间的巨细联系变化时均会发生中止。此外，接连插补、位方法插补发生下一个数据恳求时方位约束也会发生中止。
其他功用首要有外部信号操控的驱动操作、脉冲输出／输入方法的挑选、硬件约束信号输入、紧迫中止、每轴具有8个通用输出信号和4个通用输入信号、驱动状况的输出[3]。
4 操控卡体系规划
4.1操控卡硬件结构规划
操控卡硬件结构如图1所示。PCI端的首要信号有地址、数据多路复用的输入／输出信号(AD[3l-O])、总线指令和字节使能多路复用信号(CBE[3-O])、奇偶校验信号(PAR)、帧周期信号(FRAME)、建议设备准备好信号(IRDY)、方针设备准备好信号(TRDY)、初始化设备挑选信号(IDSEL)、设备挑选信号(I)EVSEL)、时钟输入信号(CLK)、复位信号(RST)和中止信号(INTA)。这些信号彻底符合：PCI标准的要求。
操控卡本地端运用的信号首要有双向数据信号(D[7-0])，地址信号(A[14―0])，独立输出操控信号A15，I／O端口读／写操控信号(IOP_RD，IOP_WR)及中止信号(INTA)。CH365在I／O读写操控时只用到8根地址线A[7―0]。在本体系中，低4位地址信号A[3―0]作为MCX314As中寄存器的地址信号直接连到MCX314As，高4位A[7―4]作为译码电路的输入信号来发生MCX314As的片选信号，A[14―8]闲暇不必，独立输出操控信号A15作为操控是否启用电子齿轮电路的选通开关信号。
关于MCX314As，其RSq、端与CH365共用，该输入把：MCX314As的RESETN置为低电平且大于4周期以上时，履行复位。CS端为MCX314As的片选信号，由CPLD中的译码电路模块发生。H16L8端接地，设置电路处于8位数据总线拜访方法，这是因为CH365的数据传输是8位。也正因为这样，本体系只用到MCX314As的16位数据总线D[15：0]中的D[7：0]，而D[15：8]要经高电阻接至+5V。RD和WR分别为MCX314As的读、写信号线，当它们为低电平时，能够对MCX314As进行寄存器的读写操作。需求特别注意的是因为本体系选用8位数据传输，所以关于MCX314As中的16位寄存器分为高8位和低8位地址，读写操作有必要拜访2次。A[3：0]用来挑选MCX314As的寄存器地址。BLTSYN衔接MCX314As忙信号，处于低电平时不能履行写入指令。MCX-314As只要一个中止INTN，一切中止源都需进行“或运算”后输出到中止信号端口。与其他运动操控卡比较，本运动操控卡的最大特征是具有位插补功用、主动原位查找功用及电子齿轮规划。
与直线、圆弧插补比较，位插补不是由几个参数和指令来发生任一特定的运动操控(如直线、圆弧等)，它需求由上位机供给一切的插补数据。而这种插补方法却有很大的习惯性，它对插补数据没有任何方法的约束，这无疑为完成样条插补、特别函数曲线插补供给了便利，使得本运动操控卡在加工杂乱概括曲线的工件时有很大的优越性，特别适用于仿形机上的运用。因为位插补需求很多的插补数据，因而怎么生成和办理这些数据就成为位插补方法运用的要害。一般来讲，插补数据都是由上位机提早生成的，这样，怎么办理这些数据使其能及时写入而让插补接连进行就成为本规划体系的一个要害。针对这些数据“先进先出”的特征．本规划体系选用行列办理机制，并结合MCX314As中的仓库计数器(SC)，运用中止不断地将插补数据写入MCX314As中的4个(正反向各2个)数据缓冲区，然后确保了位插补的接连性。位插补的中止有2种方法：向正反方向各2个缓冲区都写入l；上位机中止写入数据。
主动原位查找功用有助于机床快速归零到机床参阅点。在此功用下，规划体系按选定轴负方向高速驱动至原点邻近，然后以低速驱动直到原点信号或编码器Z信号激活而中止。再以设定的驱动速度往正方向快速归零到机床参阅点。与其他操控体系的通过程序完成机制比较，该功用更为简略便利。
在3轴极坐标螺旋仿形加工中，要求其间2轴(极径、极角)按工件外形概括曲线联动插补。第三轴按设定的螺距跟从极角坐标轴进给。在一般三轴加工中，上位机发送来的加工数据都为3维增量坐标，这儿的第三轴增量坐标数据由设定的螺距决议，而M(2X314As的速度是按组成速度来操控的，这样就会呈现下述状况：当粗加工螺距设定很大时。第三轴数据值就大，速度重量也很大，导致其它2轴速度重量大大下降，影响加工功率与质量。考虑到这种状况，本体系根据电子随动原理规划了电子齿轮，1轴能够按设定的比率从动于其他3轴中的恣意l轴(相似机械齿轮传动)，也能够免除这种从动联系的设定。在电子齿轮联系机制下，上述的3轴极坐标螺旋仿形加工就只需2轴数据，而第三轴按设定的传动比率跟从前者中的某一轴，然后理想地处理了这个难题。
为了进步反应脉冲的分辨率，本规划体系还选用了4倍频电路规划，对电动机的编码反应脉冲进行4倍频处理。
为了进步板卡的集成度，本体系运用VHDL硬件描绘言语在(2PLD(MAX7000)中完成体系所需的一些外围电路。如地址译码(用于发生M(2X314As的片选信号)、4倍频电路、电子齿轮电路、速度倍率手轮译码等，限于篇幅，不再介绍。
体系对电机的操控脉冲由MCX314As发生，并根据需求挑选是否选用电子齿轮传动方法，然后经差分驱动输出驱动器发生差分驱动输出，既能够操控数字式沟通伺服驱动器，也能够操控步进电机驱动器。电机编码器反应信号(A、B、Z)通过高速光电阻隔后输入CPLD，通过4倍频后传输给MCX314As的实践方位寄存器，用于方位显现和软件限位。通用输出信号通过74LS06型输出缓冲器输出。外部反应脉冲(如超程限位信号、原位查找信号等)及外部手动操控信号要通过光电阻隔才干输入MCX314As。
本体系选用MCX314As默许的16MHz频率作为时钟信号。该时钟决议了每个轴的正／负方向的驱动脉冲时刻周期。图2示出MCX314As的时钟电路[4]。
4.2操控卡体系的软件规划
操控卡体系的软件规划首要是板卡驱动程序规划、CPLD硬件言语描绘程序和MCX314As功用驱动函数规划。本体系的驱动程序首要是环绕(2H365来完成该板卡与PC的接口功用，选用DriverStudio 2.6开发东西，快速有用地开发了在Windows环境下用户级的WDM设备驱动程序，向该板卡的运用程序供给I／O基址、中止号等。CPLD硬件言语描绘程序是用VHDL编写的，首要完成M(2X314As的片选信号、4倍频电路、电子齿轮电
路、速度倍率手轮译码等外围电路功用。MCX314As的功用驱动函数规划是用于MCX314As的初始化、速度和加速度设置、直线插补、圆弧插补、归零查找(1IOME)、硬件限位、位插
补、数字信号的输入／输出和中止信号处理等功用函数规划。限于篇幅，这儿只给出位插补的程序流程，如图3所示。
5 结束语
运用高集成度的MCX314As型运动操控器能完成4轴操控或3轴联动的方位、速度、加速度操控，并能完成直线、圆弧、位3种方法的接连插补，具有接口简略、易于编程、作业牢靠的特征。选用CH365作为PCI―ISA的桥接口，大大简化了PCI接口的规划。与其他以DSP或微操控器为操控中心的运动操控器比较，本规划尽管在功用多样性和灵敏性上不如后者，但具有牢靠性高、实时性好、合适列表曲线仿型加工时犬数据量快速接连加工的特征。
