Transcript 基于PC104与MCX314运动控制芯片的数控系统的研究

基于PC104与MCX314运动控
制芯片的数控系统的研究
指导老师：皮佑国
学生：梁伟林
1. 研究目标
本课题提出一种基于PC104与运动控制芯片
的开放式数控系统方案。阐述了该方案的硬件和
软件的设计原理，为经济型数控系统提供了实现
方法。
2. 国内外研究现状
 1956年－1974年，专用硬件NC时代
 1975年－1989年，专用计算机数控时代
 1996年至今，开始全PC开放式智能化数控
新阶段
3. 现代数控技术的发展趋势
 加工控制的高速化、高精度化
 智能化、开放化、网络化、柔性化和集成
化
4. 存在的问题：
从数控技术的发展趋势看，数控技术在现代制造
业中得到了广泛的应用，当前制造技术正在向高速度、
高精度、柔性化和智能化方向发展，而传统的数控系
统大多采取封闭式设计，故存在系统兼容性差、功能
不易扩展、人机界面不灵活等问题，从而难以满足用
户的需要。开放式数控系统解决了以上传统封闭式数
控存在的问题，正是现代数控系统的发展方向。
5. 解决问题的思路
基于PC104和运动控制芯片MCX314的数控系统
该方案以PC104作为主CPU，采用了MCX314来
实现运动控制的功能，使软硬件系统具备更强的模块
化，减少了软硬件设计，提高可靠性和性能，并减少
了开发周期。为经济型数控系统提供了更新更优的控
制方案，解决了传统数控系统兼容性差、功能不易扩
展、人机界面不灵活等问题。这将为嵌入式控制系统
的研究与开发提供有价值的参考，对开放式数控系统
的发展与应用起到一定的推动作用。
6. 数控系统一般方案比较
 单片机系统
 ARM+FPGA系统
 PC机和专业运动控制卡
7. 运动控制卡常见解决方案
 基于大规模集成电路，如8253,
8254；
 基于单片机，如8031，8098；
 基于数字信号处理器(DSP)型；
 基于专用运动控制芯片的运动控制器,如
MCX314，PMAC.
8. MCX314运动控制芯片的功能

运动控制器基于MCX314芯片，MCX314是日本NOVA电子有
限公司研制的DSP运动控制专用芯片，性能优良、接口简单、
编程方便、工作可靠，可广泛应用于数控机床、机器人等领域
的运动控制。

芯片能与8位或16位数据总线接口相连，通过命令、数据和状
态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等参数的运动
控制和实时监控，实现直线、圆弧和位元三种模式的轨迹插补，
输出脉冲频率达4MHz。

系统每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独
立设置为恒速、线性或S曲线加/减速控制方式，并具有2个32
位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器，实现位置的闭
环控制。
9. MCX314专用运动控制芯片的原因

插补算法、运动控制和位置控制主要由硬件来实现，不需要PC
机的干预就能自动完成从起点到终点的插补运动控制，减少了
运行过程中与主控制PC机频繁的数据交换，提高系统的运行速
度；

芯片上集成有专用于运动控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，
可简化数控系统的硬件设计，提高系统运行的稳定性；

与主控制PC机之间的通讯简单，易于协调，对主控制PC机来
说，MCX314更像是一个外围功能芯片，通过设置一定的地址
和读写控制字就能实现对MCX 314的控制。
10. 选择MCX314运动控制芯片的优点

缩短开发周期。软件开发简单、快速，使用运动控制芯片使
我们不再需要研发运动控制部分，可以由更少的软件研发人
员花更少的时间完成复杂的运动控制编程，能够大大缩短项
目的研发时间和工作量。

提高控制性能。用专业高性能运动控制芯片控制，可使电机
运动更快、更平稳、更安静、更精确。

提高系统可靠性。成熟的运动控制芯片中各项软硬件功能均
己相当成熟，比用户自己开发的更为可靠。同时采用此芯片
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。
11. 数控系统功能描述
数控系统的硬件部分采用了主从式双结构模式。
主CPU为PC机，从CPU为运动控制芯片。采用
PC104+运动控制芯片MCX314这种结构的数控系统灵
活性好、功能稳定、可共享计算机的资源。以通用微机
为计算平台，运动控制器的指令输入、译码、运动指令、
粗插补以及输入输出等都是由PC机产生。在系统运动
控制的过程中，通过PC机实现运动的粗插补、实时控
制和管理规划，由MCX314实现简单多轴硬件精插补、
伺服控制和位置反馈等功能。
PC104总线
PC104
运动控制器MCX314
伺
服
驱
动
器
X
伺
服
驱
动
器
Y
伺
服
驱
动
器
Z
伺
服
驱
动
器
U
I/O辅助控制
12. PC104与运动控制芯片MCX314
之间的通讯及接口
数控系统硬件采用了主从式双CPU结构模式。
PC机与运动控制器之间通过PC/104总线传递信息。
主要有：
数据总线：D15~D0;
 地址总线：A2~A1;
 控制总线：IOR、IOW和RST等。

13. 运动控制芯片MCX314与伺服
驱动的通讯及接口

MCX314输出驱动脉冲经过差分驱动后输出给伺服驱动；

编码器信号、手轮脉冲信号及外部反馈信号经差分接收
器输入。
nP+P
PULS+
nP+N
PULS-
nP-P
SIGN+
nP-N
SIGN-
nEAP
A+
nECAN
A-
nECBP
B+
nINBN
B-
nINOP
C+
nINON
C-
nINPOS
COIN
nALARM
ALM
脉冲/方向输出
伺服驱动器
编码器输入
定位完成
报警信号
MCX314与伺服驱动器的输入与输出信号
超程限位
开关输入
nLMT+
nLMT-
nIN1
减速停止
开关输入
nIN2
nIN3
I/O辅助控制信号
回零信号
ZERO
急停输入
EMG
光栅尺
信号输入
G+
G-
I/O辅助控制输入与输出信号
（1）输出脉冲定义：来自MCX314芯片的输
出脉冲有两种形式，一个是正/负脉冲形式，
另一个是脉冲/方向形式。
（2）编码器信号接口：反馈的编码器信号，将nECAP，
nECAN， nECBP， nECBN， nINOP， nINON分别连接
到编码器的A， /A， B， /B， Z， /Z信号输出。差动脉冲
反馈在设置输入脉冲模式后有效。
本论文主要内容：
1.对上位机控制、运动控制卡及其行业现状进行调研，资料搜
集和深入研究。
2.在对运动控制技术深入学习的基础上，比较几种常用的运动
控制方案，确定采用PC104总线和运动控制芯片MCX314的
设计方案，并规划系统的总体结构。
3.设计基于运动控制芯片MCX314运动控制卡的硬件电路。针
对本系统的情况和需要设计外围电路。设计PC/104与
MCX314的接口电路；根据光电隔离原理设计数字输入/输出
电路。
4. 对整个嵌入式运动控制系统进行系统测试。
5.最后总结研制过程中的得失，并展望数控的发展趋势。
谢谢大家！