PCI總線的四軸運動控制卡的研制

1.引言

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

　　根據項目要求，采用MCX314as為運動控制核心，上位機只需將運動參數寫入MCX314as的寄存器，各種復雜的運動控制，插補計算均由 MCX314as完成，極大地提高了運算和控制速度，通過PCI9052為PCI橋接口與計算機通信，完成了4軸伺服/步進電機控制，實現位置，速度，加速度控制和直線、圓弧插補的功能。

2.運動控制卡的硬件結構

　　運動控制卡的硬件結構主要是由PCI接口芯片PCI9052、運動控制芯片MCX314as以及相應的光耦隔離、差動傳輸等電路組成，如圖1。其中,DB代表數據總線,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局部總線是一種獨立于處理器的高性能、低成本、開放型總線，它的這些優(yōu)點，使其得到迅速普及和發(fā)展，并成為事實上的微型機的總線標準，而且在嵌入式計算機和工業(yè)控制計算機方面得到廣泛的應用。它可分為32位數據/地址復用總線和64位數據/地址復用總線兩種，總線的速度分為最高達33MHz和 66MHz兩種。數據傳送速度最高可達528MB/s[2]。我們采用的是32位總線，33MHz的速度。

　　目前實現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PCI接口比較靈活，但實現起來復雜。采用專用芯片可以降低設計難度，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PCI總線接口。

圖1：PCI卡總體設計

　　PCI9052是PLX公司為擴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的數據線、地址線、控制線等相連。

　　PCI9052芯片的主要特點如下：

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

　?。?）支持局部總線到內存和I/O映射;

　　（3）PCI中斷信號由局部總線的兩個中斷信號LINTI1、LINTI2產生;

　?。?）局部總線與PCI總線的時鐘相互獨立運行,兼容高低速設備。局部總線的運行時鐘頻率范圍0～40MHz;PCI的運行時鐘頻率范圍0～33MHz。

　?。?）可通過EEPROM的配置改變局部總線的操作,支持多路復用作和非多路復用8位、16位和32位通用局部總線;

　?。?）串行EEPROM接口,連接的串行EEPROM用于存放設備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4軸運動控制的集成電路。通過它可以控制由步進電機驅動器或由脈沖型伺服電機驅動的4軸位置、速度和插補[3]。它的所有功能都是由特定的寄存器控制的。通過對寄存器的設置，可以實現運動控制。它的電平與PCI9052相兼容，可以直接連接。

　　根據MCX314as本身的特性，PCI9052的局部總線采用非復用的16位數據總線的ISA模式，將PCI9052的MODE（68腳）接地，為非復用模式，ISA模式的寄存器配置在章節(jié)3中詳細說明。PCI9052的ISA模式下，LRESET為正邏輯，而MCX314as的復位信號為反邏輯，所以兩者要通過反向器連接。BUSY#和INTN#應加電阻后拉高，以加快數據傳輸中的等待和中斷后的恢復。

　　2.3MCX314as的信號接口電路

　　MCX314as是運動控制卡的核心，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四軸的速度、位置、插補控制。如圖3所示是單軸驅動系統(tǒng)的連接圖。4軸系統(tǒng)于它相類似，每個軸采用相同的設計既可。

圖3：MCX314as驅動系統(tǒng)

　　MCX314as輸出驅動脈沖有兩種形式：一種是正、負脈沖形式，以X軸為例，既XPP輸出脈沖時，X軸正向旋轉，XPM輸出脈沖時，X軸反向旋轉，四軸與此相同;另外一種是脈沖、方向形式，以X軸為例，XPP管腳在此復用為PLS，作為脈沖輸出管腳，XPM在此復用為DIR，作為方向信號輸出。可通過設置寄存器WR2的D6位來選擇輸出的形式，為了和我們的電機驅動器相配套，我們選用的是正、負脈沖（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），設置WR2的D9位可選擇與編碼器相兼容的脈沖計數方式。

　　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）可作為驅動狀態(tài)的指示，也可作為通用輸出，寄存器WR3的D7用來設定它是否作為通用輸出。8位輸入中可作為正、負限位，到位、報警等輸入信號。I/O為電平信號，可通過光耦與電機驅動器隔離輸入、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的配置也是本次設計的一個重點。

　　3.1數據配置

　　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，與運動控制卡無關，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據，未列出的寄存器都設置為0。PLX公司的廠商ID為10B5H，設備ID為9052H。分類號表示的是何種橋，以及當前的版本，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PCI9052的DATASHEET參考文獻[1]的說明，空間0配置數據為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#）。空間1配置數據為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位局部數據總線。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_定了它的各個復用管腳輸入/輸出功能，以及初始化控制。

　　用含有以上配置數據的EEPROM來啟動板卡，計算機將為它分配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）、讀數據信號（EEDO）、寫數據信號（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據錯誤的情況出現。也可以用燒錄器將配置數據寫入EEPROM，這種方法可靠性高，但在實驗過程中要反復插拔EEPROM不太方便。

4.驅動程序的開發(fā)

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

　　驅動的簡單實現可以采用JUNGO公司的WinDriver來生成驅動，但是WinDriver生成的驅動效率不高，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)驅動。在DriverStudio的向導下輸入設備ID制造商ID、分類號和子系統(tǒng)ID子制造商ID，生成驅動程序的框架，然后編寫需要的程序代碼。關于對驅動程序的安裝以及在應用程序中的調用可以參看文獻[5]。

5.結論

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