PCI總線的四軸運(yùn)動控制卡的研制

1.引言

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

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

2.運(yùn)動控制卡的硬件結(jié)構(gòu)

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

　　2.1PCI總線接口

　　PCI局部總線是一種獨(dú)立于處理器的高性能、低成本、開放型總線，它的這些優(yōu)點(diǎn)，使其得到迅速普及和發(fā)展，并成為事實上的微型機(jī)的總線標(biāo)準(zhǔn)，而且在嵌入式計算機(jī)和工業(yè)控制計算機(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)用總線和64位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線兩種，總線的速度分為最高達(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，33MHz的速度。

　　目前實現(xiàn)PCI接口的方案可分為使用CPLD和使用專用芯片兩種。使用CPLD實現(xiàn)PCI接口比較靈活，但實現(xiàn)起來復(fù)雜。采用專用芯片可以降低設(shè)計難度，縮短開發(fā)時間。因此，我們采用PLX公司的PCI9052專用芯片來實現(xiàn)PCI總線接口。

圖1：PCI卡總體設(shè)計

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

　　PCI9052芯片的主要特點(diǎn)如下：

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

　?。?）支持局部總線到內(nèi)存和I/O映射;

　?。?）PCI中斷信號由局部總線的兩個中斷信號LINTI1、LINTI2產(chǎn)生;

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

　?。?）可通過EEPROM的配置改變局部總線的操作,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;

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

　　2.2局部總線接口電路

　　PCI9052與MCX314as連接的電路如圖2所示：

圖2：PCI9052與MCX314as連接

　　MCX314as是一個用于實現(xiàn)4軸運(yùn)動控制的集成電路。通過它可以控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動的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。通過對寄存器的設(shè)置，可以實現(xiàn)運(yùn)動控制。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的局部總線采用非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線的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)說明。PCI9052的ISA模式下，LRESET為正邏輯，而MCX314as的復(fù)位信號為反邏輯，所以兩者要通過反向器連接。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的信號接口電路

　　MCX314as是運(yùn)動控制卡的核心，通過對它的八個控制寄存器和八個狀態(tài)寄存器的操作可實現(xiàn)四軸的速度、位置、插補(bǔ)控制。如圖3所示是單軸驅(qū)動系統(tǒng)的連接圖。4軸系統(tǒng)于它相類似，每個軸采用相同的設(shè)計既可。

圖3：MCX314as驅(qū)動系統(tǒng)

　　MCX314as輸出驅(qū)動脈沖有兩種形式：一種是正、負(fù)脈沖形式，以X軸為例，既XPP輸出脈沖時，X軸正向旋轉(zhuǎn)，XPM輸出脈沖時，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，作為方向信號輸出?？赏ㄟ^設(shè)置寄存器WR2的D6位來選擇輸出的形式，為了和我們的電機(jī)驅(qū)動器相配套，我們選用的是正、負(fù)脈沖（CCW）形式，采用差動輸出，提高傳輸距離。

　　反饋的編碼器信號經(jīng)差動傳輸、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數(shù)方式。

　　MCX314as每個軸有8位的I/O信號，其中每個軸的輸出有4位（OUT4-7）可作為驅(qū)動狀態(tài)的指示，也可作為通用輸出，寄存器WR3的D7用來設(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、報警等輸入信號。I/O為電平信號，可通過光耦與電機(jī)驅(qū)動器隔離輸入、輸出。

3.基于PCI9052的板卡的配置

　　通過對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應(yīng)著局部總線的不同工作方式和遵循的不同的總線規(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)動控制卡能否正常工作，所以非常重要，對9052的配置也是本次設(shè)計的一個重點(diǎn)。

　　3.1數(shù)據(jù)配置

　　局部總線為16位的ISA總線，與MCX314as相兼容，可直接連接，涉及到的只是I/O信號，占用局部總線的片選3（CS3#）如圖2。另外，還連接一片64KB的RAM做它用，與運(yùn)動控制卡無關(guān)，它涉及到的是存儲器信號,占用片選2（CS2#）。在ISA模式下無實際的片選1和片選2。

　　本卡的EEPROM配置信息表如下：

　　上表中顯示的是配置數(shù)據(jù)，未列出的寄存器都設(shè)置為0。PLX公司的廠商ID為10B5H，設(shè)備ID為9052H。分類號表示的是何種橋，以及當(dāng)前的版本，PCI9052為02h。子系統(tǒng)ID和子制造商ID分別為9052H和10B5H。PCI9052僅支持INTA#，所以PCIILR（PCI中斷寄存器）D8=1或者D8=0不使用中斷。PCI9052有0到3共四個局部地址空間，其中空間0必須被配置為存儲器空間范圍，空間1必須被配置為I/O 空間范圍。根據(jù)PCI9052的DATASHEET參考文獻(xiàn)[1]的說明，空間0配置數(shù)據(jù)為FFFF0000H，空間范圍為64KB，D0=0表示配置為存儲器空間范圍，見表中基地址為04000000H，使用片選2（CS2#）?？臻g1配置數(shù)據(jù)為FFFFFFF1H，I/O的空間范圍為16個字節(jié)，D0=1表示配置為I/O空間范圍。ISA模式下復(fù)用出來的兩個片選管腳（CS2#，CS3#）是否輸出，分別由片選信號2基地址和片選信號3的基地址來確定。片選信號基地址的D0=1為片選使能，片選基地址的確定，為空間1或0的基地址加上所配置空間地址的范圍，超出這個范圍，片選便沒有輸出。局部地址空間0或1總線區(qū)域描述為00400022H和0040003AH，確定為16位局部數(shù)據(jù)總線。中斷控制及狀態(tài)寄存器為00001000H，不使用中斷，它的D12=1確定局部總線為ISA模式?？刂萍拇嫫鞔_定了它的各個復(fù)用管腳輸入/輸出功能，以及初始化控制。

　　用含有以上配置數(shù)據(jù)的EEPROM來啟動板卡，計算機(jī)將為它分配03000000H-0300000FH這16個I/O端口和04000000H-04010000H這64KBytes存儲器空間。

　　3.2選取、配置EEPROM的注意事項

　　1）串接EEPROM端信號有如下幾種:時鐘信號（EESK）、讀數(shù)據(jù)信號（EEDO）、寫數(shù)據(jù)信號（EEDI）和片選信號（EECS）。時鐘信號（EESK）是由PCI總線的時鐘32分頻后得到的。

　　2）對于EERPOM的選取要遵循PCI9052上推薦的EEPROM或者與之相兼容的具有連讀功能的1Kbit的EEPROM。

　　3）可以采用在線熱配置（通過PCI9052在線配置），軟件可以選擇PLX自己公司的PLXMON或者JUNGO公司的WinDriver。筆者是用WinDriverv6.02,在軟件安裝的Samples目錄下的程序PLX9050Diagnostics來讀寫EEPROM。這種方法比較方便，但是有時會有讀寫數(shù)據(jù)錯誤的情況出現(xiàn)。也可以用燒錄器將配置數(shù)據(jù)寫入EEPROM，這種方法可靠性高，但在實驗過程中要反復(fù)插拔EEPROM不太方便。

4.驅(qū)動程序的開發(fā)

　　ISA總線的地址空間要映射到I/O空間或內(nèi)存空間。為從PCI總線配置寄存器中獲得主機(jī)動態(tài)分配的映射基址,并對映射端口進(jìn)行讀寫,必須編寫驅(qū)動程序。

　　驅(qū)動的簡單實現(xiàn)可以采用JUNGO公司的WinDriver來生成驅(qū)動，但是WinDriver生成的驅(qū)動效率不高，而且沒有注冊碼只能使用一個月。因此，我們采用DriverStudio加WIN2000DDK的辦法來開發(fā)驅(qū)動。在DriverStudio的向?qū)螺斎朐O(shè)備ID制造商ID、分類號和子系統(tǒng)ID子制造商ID，生成驅(qū)動程序的框架，然后編寫需要的程序代碼。關(guān)于對驅(qū)動程序的安裝以及在應(yīng)用程序中的調(diào)用可以參看文獻(xiàn)[5]。

5.結(jié)論

　　實踐證明，采用PCI接口芯片和專用運(yùn)動控制芯片開發(fā)的運(yùn)動控制卡，開發(fā)研制周期短，實用性強(qiáng)，可靠性高。此運(yùn)動控制卡已經(jīng)完成硬件調(diào)試和驅(qū)動編寫，目前已完成部分運(yùn)動控制函數(shù)，正在進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)