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1 引  言

近年來，隨著對系統(tǒng)可靠性需求的日益增加，CPCI總線以其獨特的優(yōu)勢被廣泛地應用在工業(yè)控制中。由于CPCI總線支持熱插拔，這種方式就保證在不影響系統(tǒng)運行的前提下，可以對其中的任意板卡進行檢測及維修。這樣就提高了基于CPCI總線的運動控制系統(tǒng)的靈活性，同時對應用在該系統(tǒng)上的運動控制卡的需求也會越來越大。因此急需開發(fā)一款基于CPCI總線的、高性能、高可靠性的運動控制卡以滿足運動控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。

2 CPCI總線簡介

CPCI全稱為CompactPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國際PICMG協(xié)會于1994年提出來的一種總線接口標準。它是以PCI電氣規(guī)范為標準的高性能工業(yè)用總線。

CPCI總線相對于PCI具有以下優(yōu)點：

(1)具有更好的機械特性。它增強了電信設備或其他惡劣工業(yè)環(huán)境中的PCI系統(tǒng)的可維護性和可靠性；

(2)采用Eurocard封裝，系統(tǒng)中氣流均勻；

(3)CompactPCI連接器的電源和信號引線支持熱插拔規(guī)范，這對于容錯系統(tǒng)是非常重要的，也是標準PCI所不能實現(xiàn)的功能；

(4)總線易于擴展，可同時支持多達256個標準的PCI總線設備；

(5)CompactPCI背板的連接器插針分為長針、中長針和短針。長針是一些電源針，最短的針是BD-SEL#，其他總線信號和部分電源信號是中長針。

3 硬件設計

該運動控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)采用專用接口芯片PCI9030實現(xiàn)運動控制芯片MCX314與CPCI總線的高速通信；使用時通過正確配置E2PROM(93CS66L)的參數(shù)來完成PCI9030的初始化；用熱插拔控制器LTC1643L實現(xiàn)運動控制卡的熱插拔功能。下面對各個部分進行一一介紹：


3.1 CPCI總線接口

由于CPCI總線規(guī)范較為復雜，為了降低設計難度，縮短開發(fā)時間，本系統(tǒng)采用采用PLX公司的專用接口芯片PCI9030實現(xiàn)CPCI的總線接口。PCI9030是業(yè)界首個支持熱交換的接口芯片，為CPCI接口提供了優(yōu)秀的解決方案。它采用SMARTarget技術，可以保證高性能的熱交換實施功能，可以支持具有熱交換功能的PICMG2.1目標設備，并且符合PCIv 2.2規(guī)范所規(guī)定的32位33 MHz目標接口功能，可以獲得高達132 MB／s的PCI突發(fā)傳輸速度，局部總線操作速度高達60 MHz，支持5個局部地址空間到PCI總線地址空間的映射(空間0，1，2，3，4及1個擴展的ROM)，傳輸?shù)却芷诩翱偩€寬度可編程。另外，PCI9030內(nèi)含預充電BIOS、早期電源支持、熱交換控制／狀態(tài)寄存器(HS-CSR)和附加引腳資源，可利用這些資源以及ENUM#，CPCISW和LEDon#實現(xiàn)運動控制板卡的帶電熱插拔的軟硬件控制。由于PCI9030完全符合PCIv2.2規(guī)范，所以只需將對應管腳互聯(lián)即可，這里不再贅述。但需注意要將需要預充電的總線引腳上拉至預充電電壓，PME#，RST#，ENUM#，INTA#上拉至PCI的I／O工作電壓VI／O，且RST#接至總線HEALTH#與PCI-RST#的組合邏輯輸出端。

3.2 E2PROM與PCI9030連接

E2PROM用來對完成PCI9030的初始化，在整個系統(tǒng)中起著極其重要的作用。本系統(tǒng)的E2PROM選用National公司的NM93CS66L。它是一個4 kB的低功耗串行存儲器，用來存儲PCI9030的配置信息并在芯片復位時進行加載，從而使運動控制卡具有即插即用的功能。其與PCI9030的連接原理圖如圖2所示。其中，NM93CS66L的片選信號CS、串行時鐘信號SK、數(shù)據(jù)輸入DI和數(shù)據(jù)輸出信號DO分別與PCI9030對應的信號相連；保護寄存器使能信號PRE接地來使能對存儲空間的操作，同時禁止對保護寄存器的操作；編程使能信號PE接3.3 V來允許對存儲區(qū)的操作。



3.3 熱插拔控制器與CPCI總線的連接

為了使板卡在熱插拔的過程中，不對CPCI總線產(chǎn)生沖擊，不影響CPCI總線上數(shù)據(jù)的傳輸，則需要一個良好的電源切換控制電路。這里選用LTC1643AL實現(xiàn)這一功能。LTC1643AL與CPCI總線的連接原理圖如圖3所示。


在上電過程中，3.3 V和5 V電源由N溝道通路晶體管控制通斷，±12 V電源由內(nèi)部通路晶體管控制。電阻R1和R2提供電流失效檢測，R5和C1提供電流補償，R3和R4用來防止在Q1和Q2處的高頻震蕩。當ON#腳被拉低時，通路晶體管被打開且將有22μA的電流源連接到TIMER腳。隨著經(jīng)過通路晶體管電流的逐漸增加，供電電壓達到限制值。每種電源的上電速率由62μA／C1所決定。在TIM-ER腳的電壓小于12 VIN-0.9 V的過程中，電流限制失效檢測被忽略。一旦4種供電電壓達到正常范圍，PWRGD#將會被拉低。

對于CPCI數(shù)據(jù)總線的1 V預充電電壓由LT1117生成，其輸出電壓設定在1.8 V，經(jīng)過二極管1N4148后產(chǎn)生1 V的預充電電壓。

3.4 MCX314與PCI9030的連接

MCX314是日本Nova公司推出的4軸運動專用控制集成電路，能用于步進電機或脈沖型伺服驅(qū)動的位置、速度和插補控制，可用于工業(yè)自動化設備、工業(yè)機器人、測量設備、辦公設備和家用電器等。其可以進行各軸(x軸、y軸、z軸、u軸)獨立的定位控制、速度控制，也可在4軸中選擇任意的2軸做圓弧插補、2或3軸做直線插補，插補精度是±0.5LSB。默認輸入時鐘為16 MHz，脈沖輸出速度最高可達4 MPPS。MCX314還有伺服電機反饋輸入(編碼器信號、到位信號和報警信號)、加／減速驅(qū)動、軟硬件限位、自動原點搜索、同步動作、輸入信號濾波等功能。MCX314能與8位或16位數(shù)據(jù)總線相連，其所有的功能都是通過讀寫內(nèi)部命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和模式寄存器而實現(xiàn)。各軸都有32位的邏輯位置計數(shù)器(對輸出的驅(qū)動脈沖計數(shù))、實際位置計數(shù)器(對外部編碼器計數(shù))和比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。各軸都有4個通用輸入(可用于限位、原點信號輸入)和4或8個通用輸出(通過軟件設置來實現(xiàn))。

MCX314與PCI9030的連接原理圖如圖4所示。PCI9030具有可編程的片選信號，可通過配置片選基地址寄存器使得在某一局部地址范圍內(nèi)產(chǎn)生片選信號，這樣就節(jié)省了譯碼電路，使得應用更加方便。通過對局部地址總線寄存器進行配置，將PCI9030的數(shù)據(jù)總線配置為16位，此時LBEI#就作為LAl來使用。


由于本設計采取的是地址、數(shù)據(jù)線非復用方式，則將MODE接地，且為了保證數(shù)據(jù)總線的所有數(shù)據(jù)均可用將分別代表高8位數(shù)據(jù)有效和低8位數(shù)據(jù)有效的LBE3#，LBE0#置低。

為了將MCX314配置為16位數(shù)據(jù)總線，將H16L8置高，且將測試管腳和外部單步插補控制腳置高，即不允許硬件外部單步插補。其余與電機驅(qū)動器連接如圖4所示，這里不再贅述。需要注意的是，如果編碼器存在Z相，則只需將Z相接至任何一個通用輸入端，通過軟件實現(xiàn)對編碼器的讀取。

4 驅(qū)動程序的編寫

經(jīng)過對同類驅(qū)動開發(fā)工具的比較，決定采用Wind-Driver開發(fā)驅(qū)動程序。這個開發(fā)工具不必熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核知識就可以快速地開發(fā)出驅(qū)動程序，對于開發(fā)者來說很方便。

在開發(fā)過程中，使用向?qū)傻尿?qū)動程序框架代碼，然后在此基礎上略加修改，就可以在用戶模式下調(diào)試代碼。具體流程如下：在Driver Wizard界面下，選中自己的設備并生成安裝信息，點擊下一步對I／O、內(nèi)存等資源進行調(diào)試，并完成對工作寄存器的配置，然后生成相應代碼，最后在驅(qū)動程序中添加自己所需的代碼即可完成驅(qū)動程序的編寫工作。#p#分頁標題#e#

5 結(jié)  語

本運動控制卡已經(jīng)在汽車駕駛機器人的控制系統(tǒng)中得到應用。應用結(jié)果表明本運動控制卡性能穩(wěn)定，接口豐富，應用方便，可以通過對寄存器的操作輕易地完成對4個軸實時有效的運動控制，具有良好的應用前景。