毕业设计论文基于MCX314步进电机运动控制器设计

1、III / 40 文档可自由编辑打印 摘 要数控机床在整个现代制造业中处于基础性的、核心的地位。在现代制造系统朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，特别是计算机的发展与普及化，深入研究新一代数控技术具有重要的意义。目前，以 DSP 为代表的高速高性能专用微处理器构成的运动控制器的数控系统成为数控技术的发展方向，运动控制器将成为未来数控系统的核心。在本设计中，我们选用日本 NOVA 电子有限公司研制的 DSP 运动控制专用芯片 MCX314。MCX314 由硬件来实现复杂的运动控制算法，使得编程方便，接口简单，工作可靠，给运动控制带来极大方便，可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制。在 M

2、CX314 的基础上，我们拟定了两种运动控制器的实现方案，并选定基于 ARM 芯片为主控制器的实现方案，即采用 AT91FR40162 和 MCX314 作为主要芯片，实现复杂的运动控制功能。设计完成基于 AT91FR40162 和 MCX314 的控制器硬件电路设计；设计了 RS232 串行接口和 CAN 总线接口实现与其他设备通信；分析了软件结构特点并完成部分程序编写，主要包含基本的测试操作函数和运动控制函数。关键字： MCX314AT91FR40162 运动控制器IV / 40 文档可自由编辑打印TitleTitle Design of Motion Controller Based O

3、n MCX314 AbstractAbstractNumerical control machine is on the basic and kernel position in the modern manufacture. With the modern manufacture system integrated, colligated and intelligent, especial the computer technology development and dissemination, studying the new generation numerical control a

4、nd dynamics control technology is significant. At present, the numerical control system with motion controller is becoming to the numerical control technique development tide, motion controller will be to kernel of future numerical control system. We select DSP dynamics control special-purpose chip

5、MCX314 made in NOVA electron corporation in our design. MCX314 can realize the complex motion control allergic with hardware, so it has advantage of convenient programming, simple interface and reliable work. Its very convenient to motion control and can be applied to numerical control machine tool,

6、 robot, etc.Based on MCX314, we design two scheme of motion controller and select the scheme which base on ARM, AT91FR40162 and MCX314 are main chips, the complex motion control function can be realized. In our design, the hardware circuit of controller was completed, the RS232 interface and CAN bus

7、 interface were designed so that the controller can communicate with other device. The software structure feature is discussed and some program was finished, including basic test function and motion control function. keywords:keywords: MCX314, AT91FR40162, Dynamics ControllerV / 40 文档可自由编辑打印目目 次次 1

8、绪论.11.1 数控系统的发展.11.2 开放式数控系统及其研究现状.21.3论文主要工作.42 运动控制关键技术分析及方案制定.52.1 运动控制系统.52.2 步进电机运动控制系统.62.3 方案的制定.72.4 MCX314 芯片.92.5AT91FR40162 芯片介绍.132.6CAN 总线技术 .142.7本章小结.153 电路的运动控制器的硬件设计.163.1 硬件设计.163.2 电路的抗干扰设计.233.3 本章小结.244 软件设计.254.1 系统工作流程.254.2 控制程序特点与编写.264.3串口通信.284.4 本章小结.29结 论.30致 谢.31参 考 文 献

9、.32附录一：总体电路图.34附录二：总体电路的 PCB 图.36目目 次次 VI / 40 文档可自由编辑打印1 绪论.11.1 数控系统的发展.11.2 开放式数控系统及其研究现状.21.3论文主要工作.42 运动控制关键技术分析及方案制定.52.1 运动控制系统.52.2 步进电机运动控制系统.62.3 方案的制定.72.4 MCX314 芯片 .92.5AT91FR40162 芯片介绍 .132.6CAN 总线技术 .142.7本章小结.153 电路的运动控制器的硬件设计.163.1 硬件设计.163.2 电路的抗干扰设计.233.3 本章小结.244 软件设计.254.1 系统工作流

10、程.254.2 控制程序特点与编写.264.3串口通信.294.4 本章小结.29结 论.31致 谢.32参 考 文 献.33附录一: 电路原理图.35附录二: 电路 PCB 图.37 1 / 40 文档可自由编辑打印1 绪论绪论制造业是国民经济的基础产业，制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。大力发展先进的制造技术已成为世界各国最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是国际竞争与产品革新的一种重要手段。近年来，世界范围内出现了研究应用先进制造技术的浪潮，以机械制造为代表的先进制造技术己成为当代国际间科技竞争的重点，许多国家制定了相应的计划，其中最具代表性的是美国的先进制造技

11、术计划(AMT)、韩国的高级先进技术国家计划、日本的智能制造计划(IMS)和德国制造 2000 计划等。在我国，先进制造技术的重要性业已引起各界的认识和重视，被列为“九五”计划和 2010 年中长期科研发展规划中的主要关键技术和重要发展方向5 6 44。数控机床在整个现代制造系统中处于基础性的、核心的地位5。因此，在现代制造系统朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，特别是计算机技术发展与普及化，深入研究新一代数控技术具有重要的意义和实用价值。1.1 数控系统的发展数控系统的发展数控系统(Numerical Control System)是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而控

12、制机床的运动和加工过程。早期的数控系统采用数字逻辑电路构成。1952 年诞生的第一代为电子管式，1959 年发展为第二代晶体管式，1965 年出现了第三代的小规模集成电路式数控系统。这三代数控系统的所有功能均由硬件实现，所以称为硬件数控系统。这种数控系统没有通用性和灵活性，所以其应用范围受到很大限制，可靠性较低，造价较高。随着计算机技术的发展，1970 年出现了通用小型计算机。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，出现了第四代数控系统，即计算机数控(CNC)系统。1974年，微处理器被应用于数控系统后，发展为第五代数控系统，即现代 CNC 系统。CNC 系统特别是现代 CNC 系统的主要功能

13、，如插补运算、刀具补偿、用户数控程序的预处理、刀具加工轨迹仿真等均由软件实现，所以 CNC 系统又称为软件数控系统。自从出现了现代 CNC 系统以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低、价格昂贵、应用不便(主要是编程困难)等关键问题。到 70 年代末 80 年代初，现代 CNC 系2 / 40 文档可自由编辑打印统进入成熟期，并在工业化国家形成产业化，数控系统及数控机床开始批量生产和投放市场，数控技术在其它领域也得到了普及应用。CNC 技术的应用为制造业带来异常深刻的变革，但是，随着现代制造技术的发展，对 CNC 系统提出了越来越高的要求。从完成功能上看，一方面 CNC 系统必须适应 DNC、C

14、AD/CAM 及 CIMS 的发展，能提供一个可以集成不同开发商提供的软件并适合联网需要的平台；另一方面，随着数控系统在机械制造、冶金、纺织、印刷、军工等行业的应用日益增多，中小批量生产的趋势日益增强，必须根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本地构筑面向用户的数控系统。这就要求 CNC 系统具有模块化和重新配置的特点：从使用的角度看，新型 CNC 系统应能运用于各种计算机软硬件平台上，并提供统一风格的用户交互环境，以便于用户的操作、维护和更新换代。还应能在普及型个人计算机的操作系统上，简便地应用系统所配置的软件模块和硬件运动控制插件卡；机床制造商和用户能够方便的进行软件开发，追加功能和实现功能

15、的个性化，使 CNC 系统具有 PC 的高速分析运算能力，大容量存储功能，各种软件的支撑，图文显示的优势以及联网的灵活性。显然，现代的封闭式结构的 CNC 系统根本无法满足这些要求。数控系统生产厂商为了保持自己的市场竞争力，必须寻求更好的技术手段，使他们的专用技术能够随着计算机技术的更新换代而顺利的升级，不必为 CNC 产品换代而自己开发所有的软、硬件功能模块。在这种情况下，基于 PC(国外称为 PC-BASED)的第六代数控系统开放式结构数控系统便成应运而生7916 17。1.2 开放式数控系统及其研究现状开放式数控系统及其研究现状进入 90 年代以来，为了适应时代的要求，世界上一些研究机构

16、和生产厂商先后开展了开放式数控系统的研究。1.2.1 开放式数控系统的概念根据 IEEE 关于开放式系统的定义：能够在多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种一致风格的交互方式。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化1517。开放式系统具有以下基本特征：（1）开放性。提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软硬3 / 40 文档可自由编辑打印件模块介入。（2）可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不

17、同的功能模块能与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。（3）可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬件平台之上。（4）可扩展性。CNC 系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。（5）可互换性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以相互替代，而不影响系统的协调运行。具有上述基本特征的数控系统可以称为开放式数控系统，这种开放式控制系统体系结构并不是现有控制系统体系结构的简单集合，而是在博采众长的基

18、础上，反映控制系统体系结构未来发展的产物，它将引导开放式控制系统产品的发展，并对技术的发展起一定的指导作用。在该体系结构中，提供的是概念性和功能性的结构，而不是系统设施和标准细节的精确定义。1.2.2开放式数控系统的研究现状国际上与开放性数控的项目相关的项目比较多，早在 80 年代，为了拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范，美国国防部就开始了名为“下一代控制器(NGC)” 的计划。目前最具影响力的是分别由欧洲各国、美国及日本进行的OSACA、OMAC、OSE，因而这三个计划的发展现状基本上代表了开放性数控的发展现状。与国际先进水平相比，我国国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段

19、，主要采用在工业 PC 或普通 PC 的总线插槽上插入运动控制卡和 I/O 卡，配以自行开发的控制软件来完成数控系统的基本功能。目前己有的开放性数控系统主要有四种：华中 I 型、中华 I 型、航天 I 型和蓝天 I 型。控制系统的开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业的一大支柱。控制器结构的开放性为数控技术能持续不断地吸收日新月异的计算机硬软件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能，增强竞争力，这正是开放式 NC 控制器之所以被各发达国家视为重要的战略技术、纷纷投入研究的重要原因。制造业第三次革命的开4 / 40 文档可自由编辑打印放式控制系统的研究，为

20、我国数控产业的发展带来了新的契机。我们应该抓住这一大好时机，迅速开展并深化我国的开放性控制系统的研究，缩小我国制造业水平与发达国家之间的差距18 19 36。1.31.3论文主要论文主要工作工作目前，由于以 DSP 为代表的高速高性能专用微处理器的出现和 PC 机的广泛普及，采用运动控制器的数控系统将成为新一代数控技术发展潮流，运动控制器将成为未来数控系统的核心。在本设计中，我们选用日本 NOVA 电子有限公司研制的 DSP 运动控制专用芯片 MCX314。MCX314 由硬件来实现复杂的运动控制算法，使得编程方便，接口简单，工作可靠，给运动控制带来极大方便，可广泛应用于数控机床、机器人等领域

21、的运动控制。基于 MCX314 运动控制器具有处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。论文的内容包括：（1）数控技术的研究现状与发展趋势，确定课题方案。（2）AT91FR40162+MCX314 运动控制器的硬件设计。（3）运动控制器的测试软件设计，包括一些基本的功能函数和测试例程。（4）总结和后期展望。5 / 40 文档可自由编辑打印2 2 运动控制关键技术分析及方案制定运动控制关键技术分析及方案制定2.12.1 运动控制系统运动控制系统运动控制的实质是根据预定的方案，将上位控制系统做出的决策命令变成某种期望的机械运动，以得到确定的位置、速度、加速度或特定的运动形式。一个完

22、整的运动控制系统通常由上位控制器、驱动器、执行电机、机械传动机构和位置检测元件等组成，其结构框图如图 2-1 所示26 35。 图 2-1运动控制系统结构框图上位控制器将分析、计算所得出的决策命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到电机驱动器中，驱动器进行功率变换，并驱动伺服电机根据上位指令转动。电机通过传动机构带动机械结构运动，便可以得到预期的运动参数和运动形式。上位控制器通常是运动控制卡、具有运动控制功能的 PLC、数控系统(CNC)或单片机系统等。数字化执行电机的受控性能较好，已在运动控制系统中普遍应用，如步进电机或数字式交流伺服电机等。位置检测装置有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器

23、、光栅、磁尺及激光干涉仪等。基于以上对运动控制系统的简要分析，可对其作如下定义：运动控制系统是集机械、电子、计算机技术于一体的软硬件系统，它根据预定的方案，将上位控制系统做出的命令变成某种期望的机械运动，使控制目标得到精确的位置、速度、加速6 / 40 文档可自由编辑打印度，或具有特定规律的运动形式。2.22.2 步进电机运动控制系统步进电机运动控制系统不管是那一种类型的步进电机，其运动控制系统都是相似的。如图 2-2 是典型的步进电机开环控制系统结构框图，主要由步进电机运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成353940。 图 2-2步进电机控制系统原理结构图 步进电机驱动器主要包括环

24、形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行；并实现正、反转控制和定位控制。由于输出的功率极小，只有几毫安电流，而步进电机相绕组一般需要几安至十几安的电流(脉冲电流幅值直接影响步进电机的转矩大小)，所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流。此外，步进电机驱动器在相数、通电状态、电压、电流上要符合所控制的步进电机的技术参数要求。步进电机运动控制器则是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制

25、信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制方式信号。运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号，不论哪种驱动器都接受这样的标准信号，从而为开放式的控制提供了标准接口。这样为步进电机设计的运动控制器就可根据不同的需要与不同的驱动器连接使用。为了控制的方便，步进电机一般可以有两种不同的控制模式可供选择。控制模式就是由控制方式信号来设置的。一种是方向/脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲7 / 40 文档可自由编辑打印信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向(即正、反转)；另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，

26、可以省去一路信号，简化设计。2.32.3 方案的方案的制定制定在本课题的总体方案中，我们首先选定的是日本 NOVA 电子有限公司研制的DSP 运动控制专用芯片 MCX314。高集成度 MCX314 运动控制专用芯片能实现 4轴 3 联动的位置、速度、加速度控制和直线、圆弧、位元 3 种模式的连续插补和位置闭环控制，其性能优良、接口简单、编程方便、工作可靠，给运动控制带来极大方便。可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制1 13 14。然后，在 MCX314 的基础上，我们做了两种方式的运动控制器的研究和探讨。具体来说：第一种方式是做成外置式的独立运动控制器，通常采用微处理器或单片机构成控制

27、系统，这种方法的软，硬件设计相对简单。传统的运动控制装置采用单片机为控制器，由于单片机处理速度较低，计算速度慢，在进行复杂运动控制中，系统的实时性能和可靠性受到制约，控制精度不理想。本方案拟采用 ARM7 芯片作为核心处理器来控制 MCX314，ARM 实现与 PC 机的通信，控制器还包含 CAN 总线接口来与其他设备通讯。第二种方式是做成 PCI 总线的控制卡，可以直接嵌入到 PC 机内部。PC 机通过PCI 总线来访问和控制 MCX314。整个板卡的结构如图 2-3 所示。 图 2-3 板卡结构图该方案是采用日本 NOVA 电子有限公司研制的 DSP 运动控制专用芯片MCX314，基于 M

28、CX314 做成 PCI 总线接口的运动控制卡。有了相应的 PCI 驱动程8 / 40 文档可自由编辑打印序,运动控制卡便成为可以让 PC 机操作系统识别的一部分。主体是 PC 机通过 PCI总线实现对 MCX314 的控制，中间是一个 PCI 桥芯片 PCI9052。还有输入输出电路和 MCX314 的基本外围电路。在第二种方案中，由于 MCX314 是 8/16 位总线结构，属低端总线，方便与 ISA总线连接。而要实现与 PC 机 PCI 总线的接口设计，就必须有接口芯片作 PCI 总线到 ISA 总线的转换，相当于在 PCI 总线和 ISA 总线之间架设了一座桥梁，可以选用PCI9052

29、 芯片实现 PCI 总线与 MCX314 芯片的接口。由 PC 机通过 PCI 总线接口直接对 MCX314 进行控制，但设计的硬件和软件的复杂性加大，系统的可扩展性和开放性受到限制，系统的响应速度在很大程度上依赖于 CPU，受处理器的影响比较大，成本也较高，系统升级较为困难，所以综合考虑本设计选用第一种方案。采用 ARM7 系列中的 AT91FR40162 具有以下的好处212223：(1) 提高控制性能，采用成熟 32 位的 ARM 处理器来控制，可以提高系统可测的反映类型和相应的项目。(2) 提高系统可靠性，AT91FR40162 是一款基于 ARM 内核的 32 位 RISC 构架的处

30、理器，其体积小，低功耗，低成本，性能高，支持 Thumb（16 位） 、ARM（32位 ）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件,采用此芯片后，控制器的硬件器件大为减少，软件程序大为缩短，均有助提高可靠性21。(3) 提高系统实时性。(4) 降低软件研发成本，软件开发简单，快捷，可以有更少的软件研发人员花更少的时间完成复杂的运动控制编程。因此采用 AT91FR40162 作为中央处理器，能够提高系统性能，得到更优秀的控制特性，采用运动控制芯片 MCX314,由其来完成复杂的运动控制算法，控制器具有精度高，运行稳定，实时性好，抗干扰能力强，性价比高的特点。该控制器包含CAN 总线和 RS2

31、32 串行接口来与其他设备通讯。功能更专、成本更低，另可实现基于操作系统的数控系统。加上嵌入式实时操作系统具有实时性、小型化、专用化和高可靠性，从而克服了传统的基于单片机控制系统功能不足。本系统采用的是第一种方案，下面的章节对其作了详细地介绍，这里我们先分别谈一下课题总体方案中的几个重点部分：MCX314 芯片，CAN 总线，ARM 微处理器。 9 / 40 文档可自由编辑打印2.4 MCX314 芯片芯片MCX314 是一个用于实现 4 轴运动控制的集成电路。通过这个集成电路可以控制由步进电机驱动器或由脉冲型伺服电机驱动的 4 轴的位置、速度、和插补。MCX314 的所有功能都是由特定的寄存

32、器控制的，例如命令寄存器、数据寄存器、状态寄存器和配置寄存器等1 13 14 。结构图见图 2-4。 图 2-4MCX314 结构框图2.4.1MCX314功能分析（1）4 轴控制4 轴都有着相同的功能能力，并且允许至多 3 轴联动，对于恒速驱动、线形或S 曲线驱动都有着相同的操作方法。（2）脉冲输出 MCX314 不仅可以输出固定的脉冲数，也可以连续不断地输出脉冲。输出脉冲的模式有两种：一种是脉冲/方向电平模式，另一种是正向脉冲/负向脉冲模式。10 / 40 文档可自由编辑打印（3）恒速控制恒速控制功能允许在不同的插补进行改换时保持运动速度不变。在插补驱动中，MCX314 可以将 2 轴同步

33、脉冲输出设置为 1.44 倍脉冲周期，而将 3 轴同步脉冲输出设置为 1.732 倍脉冲周期。（4）速度控制MCX314 可以以较小的误差合成在其频率范围内的任何频率。每根单独的轴被独立的预置为 S 曲线或梯形加/减速。使用 S 曲线加/减速命令可以使输出脉冲按抛物线规律进行加/减速。除此之外，MCX314 还有一套特殊的方法来防止当使用 S 曲线命令时产生三角形曲线情况的发生。对于恒速驱动、梯形或 S 曲线加/减速驱动，输出脉冲的频率范围从 1Hz 到 4MHz；而输出脉冲频率的精度（在时钟频率为16MHz 时）小于0.1%。驱动脉冲输出的速度可以在不运行的时候自由改变。（5）位置控制每个轴

34、都有 1 个 32 位的逻辑位置计数器和 1 个 32 位的实际位置计数器。逻辑位置计数器记录输出的位置脉冲，而实际位置计数器则记录从外部编码器或者线性比例尺中输入的反馈脉冲。（6）比较寄存器和软件限位每个轴都有 2 个 32 位比较寄存器，1 个为逻辑位置计数器，另外 1 个为实际位置计数器。比较结果可从状态寄存器读出，也可通过中断报出。这些寄存器也可被用来实现软件限位。（7）直线插补运用 MCX314 的直线插补，任意选择的 2 轴或 3 轴都可以实现线性运动。运动位置边界的坐标界于83886088388607 之间，同时线性误差为0.5 最小插补单位。插补频率范围为 1Hz4MHz。（8

35、）圆弧插补任意选择 2 轴都能实现圆弧插补。其边界坐标界于83886088388607 之间，同时圆弧误差为1.0 最小插补单位。插补频率范围为 1Hz4MHz。（9）位模式插补对任意选择的 2 轴或 3 轴，MCX314 可以实现位模式插补。这种插补的数据由上位机进行运算。上位机将插补结果写入 MCX314，然后 MCX314 在预置的驱动速度下连续输出插补脉冲。这样，通过使用这种模式，MCX314 可以实现各种形状的11 / 40 文档可自由编辑打印曲线进行插补。（10）连续插补MCX314 允许不同的插补方式连续使用，例如直线插补圆弧插补直线插补不间断的连续插补时允许的最大速度为 2MP

36、PS。（11）单步插补MCX314 还可以在单步插补情况下输出脉冲，即当所有参数设定完成之后，一旦上位机写入 1 次单步指令，或者外部输入 1 个下降沿信号，MCX314 将输出 1 个脉冲。（12）中断信号中断信号可以由几种不同的情况产生，例如：恒速的开始 /结束、移动的结束以及由比较寄存器触发等等。在插补运动过程中也可以产生中断信号。（13）由外部信号驱动每个轴的脉冲输出也可以是外部信号驱动的。选择定长脉冲驱动或是连续脉冲驱动由外部管脚控制。这个功能可用于低速运行或是示教，以减轻 CPU 的负载。（14）输入/输出信号除急停信号、硬件限位信号以外，每个轴都有 4 个输入信号来实现减速和制动

37、。这些输入信号可以在机械原点附近以及在回零过程中对编码器零信号执行高速查询。每个轴另有 8 个通用输出点。（15）伺服电机反馈信号每一个轴都包括输入连接管脚。这些管脚用来接收在闭环位置控制中所需要的两相编码信号、伺服报警信号以及到位信号。（16）实时监控在驱动操作的任何一个状态，命令指定的位置、实际位置、驱动速度、加/减速等状态都可以被读出。（17）可用 8 位或 16 位数据总线MCX314 可以与 8 位或 16 位 CPU 相连。使用不同的设置，进行 8 位或 16 位数据操作。2.4.2 MCX314 工作方式与 MCX314 的数据交换，主要通过以 WR 开头的 8 个写寄存器和以

38、RR 开头的8 个读寄存器，其中数字相同的寄存器有相同的映射地址。12 / 40 文档可自由编辑打印（1）命令寄存器 WR0MCX314 中的这个寄存器主要用来设定命令，包括用于轴设定、命令字以及复位命令的各位。在向此寄存器写入轴设定字和命令字后，它将立即执行。某些命令在写入 WR0 之前，应先写入 WR6 和 WR7。（2）模式寄存器 WR14 轴都有各自的状态寄存器。哪个寄存器被写，取决于由 NOP 指令的指定或写前的情况。WR1 可以控制输入信号与中断信号的使能，并用于设定减速状态和比较结果寄存器。（3）模式寄存器 WR2WR2 被用于设定外部限位开关输入、反馈计数器脉冲类型以及伺服驱动

39、的反馈信号。（4）模式寄存器 WR34 根轴都有各自的 WR3。哪个状态寄存器这会被读，同样取决于已被指定的轴或用 NOP 指令指定的轴。WR3 可用于操作手动减速、单独减速、S 曲线加/减速、外部操作模式设定和通用输出的设定。（5）输出寄存器 WR4该寄存器用于设定轴的通用输出信号。（6）插补模式寄存器 WR5该寄存器被用于指定插补轴，包括直线定速模式、单步插补输出模式和中断请求。（7）数据寄存器 WR6/WR7数据寄存器 WR6/WR7 在操作与数据相关的命令时使用。在将命令字写入 WR0之前，应先将数据写入 WR6 和 WR7：WR6 用来存放数据的低字，WR7 用来存放数据的高字。（8

40、）主状态寄存器 RR0该寄存器用来显示轴驱动与错误的状态。此外，它还显示了插补、连续插补的就绪信号、圆弧插补的象限和 BP 插补的堆栈计数器。（9）状态寄存器 RR1每个轴都有状态寄存器 RR1。哪个状态寄存器被读取，决定于写入 MCX314 的命令。它主要显示轴的运动状态和限位信号状态。13 / 40 文档可自由编辑打印（10）状态寄存器 RR2同 RR1，4 根轴中每根轴都有自己的状态寄存器 2。它主要显示出错的原因。（11）状态寄存器 RR3同 RR1 和 RR2，4 根轴中的每根轴都有自己的状态寄存器 3。它主要显示中断的来源。（12）输入寄存器 RR4/RR5RR4 和 RR5 为通

41、用输入寄存器。（13）数据寄存器 RR6/RR7RR6 和 RR7 是数据寄存器并对应于相应的数据读取命令。低 16 位在 RR6 寄存器；高 16 位在 RR7 寄存器。在进行位模式插补的时候，WR2、WR3、WR4、WR5、WR6、WR7、以及RR2、RR3、RR4、RR5、RR6、RR7 将作为专用于位模式插补数据寄存器，不再实现原来的功能。2.5AT91FR40162 芯片介绍芯片介绍AT91FR40162 是美国 ATMEL 公司生产的 AT91 系列微控制器中的一员，具有ARM7TDMI 核、大容量 Flash 存储器以及片内 SRAM 和外围。这种微控制器的特点是高性能-32 位

42、 RISC 体系结构、高密度-16 位指令集、低功耗以及实时性，扩充的Flash 存储器还增加了开发者使用的灵活性。除此以外，大量的内部分组寄存器加速了对异常的处理过程，从而使其更适合于实时控制的应用。8 级基于向量的优先级中断控制器和外围数据控制器 PDC 大大增强了实时器件的性能。此器件适用于开发工业自动化系统、MP3、销售终端、GPS 接收机以及无线网络产品等对功耗敏感而且要求具有实时性的产品。AT91FR40162 微控制器的特点是在一个 121-ball BGA 封装中集成了 256 KB 的片内 SRAM 和 16Mbit 的 Flash 存储器。它为许多计算密集的嵌入式控制应用领

43、域提供了功能强大、使用灵活而且性价比高的解决方案，同时还可以帮助用户减小 PCB 尺寸和系统成本。Flash 存储器可以通过 JTAG/ICE 接口或者厂家编写的 Flash Up loader 软件进行编程，从而使 AT91FR40162 适合于在系统可编程应用21 22。2.5.1体系结构AT91FR40162 是由 ATMEL 公司的 AT91R40008 ARM/Thumb 微控制器和 1 个14 / 40 文档可自由编辑打印AT49BV1604A/1614A 16Mbit Flash 存储器集成的 121-ball BGA 封装器件。除了Flash 存储器使能信号以外的所有地址、数据

44、和控制信号都是内部互连的。AT91R40008 体系结构包括 2 条主要总线：先进的系统总线 ASB 和先进的外围总线APB。ASB 被设计为最佳性能，由存储控制器控制。ARM7TDMI 通过 ASB 与片内32 位存储器、外部总线接口 EBI 和 AMBA 桥进行接口。AMBA 桥驱动 APB，APB被设计用于访问片内外围并且进行了低功耗优化。AT91FR40162 将 ARM7TDMI 处理器的 ICE 端口接到一些专用的引脚上，从而为目标调试提供了完整、低价且易用的调试解决方案28。（1）存储器AT91FR40162 嵌入了 256 KB 的内部 SRAM。这个内部存储器是单周期访问的，

45、它直接与 32 位数据总线相连。这样通过使用微控制器的 ARM 指令集在 66 MHz 下可以提供 60 MIPS 的最高性能，同时降低了系统功耗。AT91FR40162 以拥有 1 个外部总线接口 EBI 为特性，它用于连接外部存储器和专用外围设备。EBI 支持 8 或 16位器件并且可以使用 2 个 8 位器件来仿真 1 个 16 位器件。EBI 执行早读协议，与标准的存储器接口相比，能够提供更快的存储器访问速度。AT91FR40162 嵌入了 1 个由 1024K 字 16 位字组成的 Flash 存储器，通过 EBI 可以访问它。Flash 的主要功能是作为程序存储器。1 条 16 位

46、的 Thumb 指令可以在 1 个访问周期从 Flash 存储器被加载。分离的 MCU 和 Flash 复位输入（NRST 和 NRSTF）是为了得到最大的系统灵活性，方便用户自由地根据应用选择复位操作。AT91FR40162 集成了一个叫AT91 Flash Up loader 的驻留引导软件。AT91 Flash Up loader 软件能够向 Flash 存储器加载应用软件。（2）外 围AT91FR40162 集成了多个外围，它们被分成 2 类：系统外围和用户外围。所有的片内外围都可以通过 AMBA 桥接受 32 位的访问。外围寄存器由控制寄存器、模式寄存器、数据寄存器、状态寄存器和使能

47、/禁止/状态寄存器组成。外围数据控制器PDC 在片内 USART 和片内或片外的存储器之间传输数据，并且无需处理器的介入。最重要的一点是，PDC 消除了数据传输中断的额外开销，从而在不需要重新编程起始地址的情况下可以连续传输高达 64 KB 的数据。这样不仅增加了微控制器的性能，而且降低了功耗212223 27。15 / 40 文档可自由编辑打印2.6CAN 总线技术总线技术CAN 全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一；它是一种多方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测产生的任何错误；能有效

48、支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN 总线是一种多主机局域网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。 CAN 总线的主要特性： (1)具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；(2)采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；(3)具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上，形成多主机局部网络；(4)可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文；(5)可靠的错误处理和检错机制；(6)发送的信息遭到破坏后，可自动重发；(7)节点在错误严重的情况下具有自动退出

49、总线的功能；(8)报文不包含源地址或目标地址，标志符来指示功能信息、优先级信息。CAN 总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场与控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场“采用现场总线来构建集成系统，其网络拓扑结构具有比点-点型连线少，灵活性高，故障率低；比局域网连接方式结构简单，造价底” 。2.7本章小结本章小结本章介绍了运动控制相关的关键技术。以日本 NOVA 电子有限公司研制的 DSP运动控制专用芯片 MCX314 为核心，讨论了两种方案，分析了各自特点，根据设计要求选用 ARM7 芯片来控制 MCX314 构成外置式的运动控制器

50、的方案。并对主要芯片作了介绍。16 / 40 文档可自由编辑打印3 电路的运动控制器的硬件设计电路的运动控制器的硬件设计该方案选用 ATMEL 公司的 AT91FR40162 作为主控制芯片，由它来控制运动控制专用芯片 MCX314。再加上外围电路，就构成了整个运动控制器系统。简单的说，整个系统的工作机制就是通过主 CPU 对 MCX314 的寄存器的写和读，来完成脉冲输出驱动步进电机以及查询系统的工作状态。整个系统的结构框图如图 3-1 所示：图 3-1系统整体框图从图中我们可以看出，该系统分为几个模块：电源模块、复位模块、时钟模块、调试接口模块、输入输出通道模块、通信模块等。3.1 硬件设

51、计硬件设计3.1.1电源模块设计电源为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往能减少一半。在本系统中，MCX314 采用 5V 电源供电，必须将它的 7 个 VDD 引脚连接到 5V 电源1。同时在 MCX314 的17 / 40 文档可自由编辑打印VDD 和 GND 之间加放 12 个高频特性好的 0.1uF 左右的电容。而 AT91FR40162内核需要 1.8V 电压，片内外围要求 3.3V 的电压。其余外围器件用 5V 电压。综上，系统共需要三种电源：5V、3.3V、1.8V。为简化设计，采用 5V 电源供电，然后采用 LT1

52、084CT-3.3 和 LM317 得到 3.3V 和 1.8V 的电压。具体的电路图如图 3-2 所示： 图 3-2 电源模块框图3.1.2时钟电路设计MCX314 需要一个 16.000MHz 的主时钟信号来启动芯片内部的同步电路，驱动速度、加/减速度、加速度/减速度的变化率都根据此频率。对于 AT91FR40162 来说，如果 MCKI 引脚由 1 个外部源提供，那么 AT91FR40162 则为一个完全静态的设计，并工作于主时钟 MCK（66MHz）下。主时钟还在引脚 MCKO 上作为器件的输出，这个引脚与一个通用 I/O 线复用。当 NRST 处于活动状态并且发生复位后，MCKO有效

53、并输出 MCK 信号的映像。必须编程 PIO 控制器来使用这个引脚作为标准 I/O线1 21 22。我们分别选用了 16MHz 和 66MHz 的晶振来构建两个主芯片的时钟电路，具体电路实现见图 3-3。18 / 40 文档可自由编辑打印图 3-3 时钟模块框图3.1.3复位模块电路设计 微控制器在上电时状态并不确定，则造成微控制器不能正确的工作10。为解决这个问题，所有的微控制器都需要有一个复位逻辑，它负责将控制器初始化为某个确定的状态，这个复位逻辑需要一个信号才能工作。微控制器自己上电时会产生复位信号，但是多数控制器需要外部输入这个信号。由于这个信号会使微控制器初始化为某种状态，所以这个信

54、号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。简单的阻容复位电路成本比较低，但它不能保证任何情况产生稳定可靠的复位信号，由于 ARM 和 DSP 芯片的高速、低功耗、低电压导致噪声容限低，对电源的纹波、瞬态相应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本系统复位电路使用了专用芯片 MAX706T，提高系统的可靠性。当按下复位按钮时，该芯片输出的低电平同时对 MCX314 和 AT91FR40162 进行复位操作。具体的电路如图 3-4 所示。19 / 40 文档可自由编辑打印图 3-4 复位模块框图3.1.4调试接口设计调试接口采用 ARM 公司 JTAG 仿真调试

55、接口2227。JTAG(Joint Test Action Group 联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。JTAG 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（Test Access Port，测试访问口） ，通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持 JTAG 协议，如 ARM、DSP、FPGA 器件等。标准的 JTAG 接口是 4 线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。JTAG 测试允许多个器件通过 JTAG 接口串联在一起

56、，形成一个 JTAG 链，能实现对各个器件分别测试。JTAG 接口还常用于实现 ISP（In-System Programmable 在系统编程）功能，如对 FLASH 器件进行编程等。通过 JTAG 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前JTAG 接口的连接有两种标准，即 14 针接口和 20 针接口，本系统采用 20 针接口。如图所示 3-5： 图 3-5 JTAG 接口框图20 / 40 文档可自由编辑打印3.1.5 RS-232串行通信模块设计为了实现控制器与上位计算机的通讯，以便充分利用计算机的强大数据处理功能对控制器进行控制与管理，

57、需要对控制器扩展串口通讯接口电路。AT91X40 系列微控制器内部集成了两个完全相同的全双工通用同步/异步收发器（USART）USART0 和 USART1。USART 接到 APB 并与外围数据控制器 PDC 连接。由于 PC 机都带有 RS-232C 标准的串口，为方便控制器与其进行数据交换，我们使用了 SP232ACN 进行 RS-232 电平转换，与 USART0 连接实现了 RS-232C 标准串口通信。SP232ACN 系列是 RS232 收发器对便携式或手持式应用如笔记本或掌上型电脑的一种解决方案。SP232ACN 芯片功耗低、集成度高，工作电压为 35.5 伏供电，具有两个接收

58、和发送通道。具体的电路如图 3-6 所示。图 3-6 RS-232 接口框图 3.1.6 CAN总线接口设计在 CAN 总线通信接口中，采用 FHILIPS 公司的 SJA1000 和 82C250 芯片。SJA1000 是独立 CAN 通信控制器，82C250 为高性能 CAN 总线收发器。此器件对总线提供差动发送能力，对 CAN 控制器提供差动接收能力。硬件电路中使用 PCA82C250 还可以增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰，实现热防护等。SJA1000 在电路中是一个总线接口芯片，实现从上位机 PC-CAN 接口到现场微处理器之间的数据通信。对于微处理器而

59、言，SJA1000 是一个总线接口，SJA100021 / 40 文档可自由编辑打印片内的存储单元相对 AT91FR40162 来说是片外的数据存储器，因此，可以按照扩展片外数据存储器的形式来访问 SJA1000 的寄存器地址。AT91FR40162 通过片选信号选通 SJA1000，并由此决定 CAN 控制器各寄存器的地址，通过读、写外部数据存储器的形式来访问 SJA1000。在系统中我们将SJA1000 的 TX1 脚悬空，RX1 引脚接地，形成 CAN 协议所要求的电平逻辑。该电路的主要功能就是通过 CAN 总线接收来自上位机的数据进行分析组态，然后下传给下位机的控制电路实现控制功能。在

60、进行电路设计时应当注意：为进一步提高系统抗干扰能力，在 CAN 控制器SJA1000 和 CAN 控制器接口 82C250 之间加接 6N137 光电隔离芯片；通信信号传输到导线的端点时会发生反射，反射信号会干扰正常信号的传输，因而总线两端两个124W 的电阻对匹配总线阻抗起着相当重要的作用，忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信；82C250 第 8 脚与地之间的电阻 RS 称为斜率电阻，它的取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制方式29 38。把该引脚直接与地相连，系统将处于高速工作方式。在这种方式下，为避免射频干扰，建议使用屏蔽电缆作总线；而在波特率较低、总