1.引言

本項(xiàng)目是用于華南理工與廣東風(fēng)華集團(tuán)合作的動(dòng)臂式貼片機(jī)（也稱(chēng)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(dòng)，Z軸為拾取/貼裝頭拾取、貼裝芯片方向運(yùn)動(dòng)，U軸為調(diào)整芯片角度方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]。

根據(jù)項(xiàng)目要求，采用MCX314as為運(yùn)動(dòng)控制核心，上位機(jī)只需將運(yùn)動(dòng)參數(shù)寫(xiě)入MCX314as的寄存器，各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，插補(bǔ)計(jì)算均由 MCX314as完成，極大地提高了運(yùn)算和控制速度，通過(guò)PCI9052為PCI橋接口與計(jì)算機(jī)通信，完成了4軸伺服/ 步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)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(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)主要是由PCI接口芯片PCI9052、運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314as以及相應(yīng)的光耦隔離、差動(dòng)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(gè)軸的輸出脈沖，I/O為輸入輸出控制信號(hào)等。

2.1 PCI 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(kāi)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(shí)上的微型機(jī)的總線標(biāo)準(zhǔn)，而且在嵌入式計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制計(jì)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(shí)現(xiàn)PCI接口的方案可分為使用CPLD和使用專(zhuān)用芯片兩種。使用CPLD實(shí)現(xiàn)PCI接口比較靈活，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜。采用專(zhuān)用芯片可以降低設(shè)計(jì)難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。因此，我們采用PLX公司的PCI9052專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI總線接口。總線接口見(jiàn)文獻(xiàn)[1]（21頁(yè)）。


圖1：PCI卡總體設(shè)計(jì)

PCI9052 是PLX公司為擴(kuò)展適配板卡推出的一款高性能、低價(jià)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(gè)引腳的名稱(chēng)和功能可參考它的DATASHEET[1]。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：

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

（2） 支持局部總線到內(nèi)存和I/ O映射;

（3） PCI中斷信號(hào)由局部總線的兩個(gè)中斷信號(hào)LINTI1、LINTI2產(chǎn)生;

（4） 局部總線與PCI總線的時(shí)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(shí)鐘頻率范圍0～40MHz ;PCI的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍0～33MHz。

（5） 可通過(guò)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;[1]

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(gè)用于實(shí)現(xiàn)4軸運(yùn)動(dòng)控制的集成電路。通過(guò)它可以控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)對(duì)寄存器的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(shuō)明。PCI9052的ISA模式下，LRESET為正邏輯，而MCX314as的復(fù)位信號(hào)為反邏輯，所以?xún)烧咭ㄟ^(guò)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)。

2.3 MCX314as的信號(hào)接口電路

MCX314as是運(yùn)動(dòng)控制卡的核心，通過(guò)對(duì)它的八個(gè)控制寄存器和八個(gè)狀態(tài)寄存器的操作可實(shí)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(dòng)系統(tǒng)的連接圖。4軸系統(tǒng)于它相類(lèi)似，每個(gè)軸采用相同的設(shè)計(jì)既可。


圖3：MCX314as驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 

MCX314as輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)，X軸正向旋轉(zhuǎn)，XPM輸出脈沖時(shí)，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(hào)輸出。可通過(guò)設(shè)置寄存器WR2的D6位來(lái)選擇輸出的形式，為了和我們的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相配套，我們選用的是正、負(fù)脈沖（CCW）形式，采用差動(dòng)輸出，提高傳輸距離。

反饋的編碼器信號(hào)經(jīng)差動(dòng)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(hào)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(jì)數(shù)方式。

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

3.基于PCI9052的板卡的配置

通過(guò)對(duì)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(duì)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(dòng)控制卡能否正常工作，所以非常重要，對(duì)9052的配置也是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)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(hào)，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(dòng)控制卡無(wú)關(guān)，它涉及到的是存儲(chǔ)器信號(hào),占用片選2（CS2#）。在ISA模式下無(wú)實(shí)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(lèi)號(hào)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(gè)局部地址空間，其中空間0必須被配置為存儲(chǔ)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(shuō)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(chǔ)器空間范圍，見(jiàn)表中基地址為04000000H，使用片選2（CS2#）。空間1配置數(shù)據(jù)為FFFFFFF1H，I/O的空間范圍為16個(gè)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(lái)的兩個(gè)片選管腳（CS2#，CS3#）是否輸出，分別由片選信號(hào)2基地址和片選信號(hào)3的基地址來(lái)確定。片選信號(hào)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(gè)范圍，片選便沒(méi)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。控制寄存器確定了它的各個(gè)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(lái)啟動(dòng)板卡，計(jì)算機(jī)將為它分配03000000H-0300000FH這16個(gè)I/O端口和04000000H-04010000H這64K Bytes存儲(chǔ)器空間。

3.2 選取、配置EEPROM的注意事項(xiàng)

1） 串接EEPROM端信號(hào)有如下幾種:時(shí)鐘信號(hào)（ EESK） 、讀數(shù)據(jù)信號(hào)（EEDO） 、寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)（EEDI）和片選信號(hào)（EECS）。時(shí)鐘信號(hào)（EESK）是由PCI總線的時(shí)鐘32分頻后得到的。

2） 對(duì)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(guò)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WinDriver v6.02,在軟件安裝的Samples目錄下的程序PLX 9050 Diagnostics來(lái)讀寫(xiě)EEPROM。這種方法比較方便，但是有時(shí)會(huì)有讀寫(xiě)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況出現(xiàn)。也可以用燒錄器將配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入EEPROM，這種方法可靠性高，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要反復(fù)插拔EEPROM不太方便。

4.驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)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(dòng)態(tài)分配的映射基址,并對(duì)映射端口進(jìn)行讀寫(xiě),必須編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)可以采用JUNGO公司的WinDriver來(lái)生成驅(qū)動(dòng)，但是WinDriver生成的驅(qū)動(dòng)效率不高，而且沒(méi)有注冊(cè)碼只能使用一個(gè)月。因此，我們采用DriverStudio加WIN2000DDK的辦法來(lái)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)。在DriverStudio的向?qū)螺斎朐O(shè)備ID制造商ID、分類(lèi)號(hào)和子系統(tǒng)ID子制造商ID，生成驅(qū)動(dòng)程序的框架，然后編寫(xiě)需要的程序代碼。關(guān)于對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shí)踐證明，采用PCI接口芯片和專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制卡，開(kāi)發(fā)研制周期短，實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高。此運(yùn)動(dòng)控制卡已經(jīng)完成硬件調(diào)試和驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，目前已完成部分運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，正在進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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[2]. Tom Shanley （美）,Don Anderson（美）著.劉暉等譯.PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第四版）.北京：電子工業(yè)出版社,2000.7

[3].MCX314As User’s Manual Ver1.0 2004-8-10.

[4] Walter Oney（美）著.Microsoft Windows Driver Model . http://www.oneysoft.com

[5].武安河等著.Windows 2000/XP WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)（第2版）.電子工業(yè)出版社，2005-02-01.

[6]. 陶吉利,魯五一. PCI9052及其在通用網(wǎng)絡(luò)控制卡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息,2003 Vol.19 No.3 P.72-73.

[7].袁鵬. 基于視覺(jué)的高速高精度貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[ C] .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2004,12（10）