基于 PC104与MCX314运动控制芯片的数控系统的研究

---- 梁伟林

1. 国内外数控技术的发展

2. 数控系统的主要模块介绍

3. 运动控制卡的研究现状及存在问题4. 运动控制卡的硬件电路设计

5. 运动控制卡的软件调试

1 、国内外数控技术的发展

1. 数字控制技术 (Numerical Control ，简称 NC)

2. 数控系统 (Numerical Control System)

3. 计算机数控技术 (Computer Numerical Control ，简称 CNC)

1.1 几个数控相关的词语

数字控制技术 (Numerical Control ，简称 NC) ，是近代发展起来的一种自动控制技术，是使用数字信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。

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，从而控制机床的运动和加工过程。

计算机数控技术 (Computer Numerical Control ，简称 CNC) 集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电于一体 。

1.2 数控系统已经历了四个发展阶段： 1. 1956 年－ 1974 年，专用硬件 NC 时代。 这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，成为

“硬件”数控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步发展和应用。

2. 1975 年－ 1989 年，专用计算机数控时代。 这一阶段 CNC 系统虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完

备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形的显示 / 校验，实时软件精度补偿等功能。在系统体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构，数控系统产品也逐步实现了标准化、系列化。

3. 1990 年－ 1995 年，高速高精度 CNC 的开发与应用阶段。 32 位 CPU 以其很强的数据处理能力在 CNC 中得到了应用，使

CNC 系统进入了面向高速、高精度的 CNC 的开发与应用阶段。4. 1996 年至今，开始全 PC 开放式智能化数控新阶段。 数控系统进入基于 PC 的 CNC 系统阶段。 PC 的引入，不仅为 C

NC 提供十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为 CNC 的开放式提供了基础。

1.3 开放式数控系统：

概念： IEEE 定义开放式系统为“一个开放式系统应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用户交互界面 .

特点：即插即用，可移植性，可扩展性，可缩放性和互操作性。

2 、数控系统的主要模块介绍主 CPU

数控系统

运动控制卡 主要的 I/O辅助控制信号

X轴伺服驱动器

Y轴伺服驱动器

Z轴伺服驱动器

U轴伺服驱动器

2.1 运动控制系统的上位机控制方案

1. 单片机系统 采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，

周期长。 2.ARM+FPGA 系统 采用由 ARM子系统完成粗插补运算， FPGA子系统完成精插补，

实现插补脉冲的输出。 ARM子系统主要用于粗插补计算，以及键盘、显示和 D/A转换等管理工作。 FPGA子系统主要负责系统的精插补脉冲输出、编码器脉冲计数以及 I/O 控制等工作。这种方案 ARM 与FPGA 运动控制器之间需要频繁的数据交换，开发难度比较大，因而开发周期也较长。

3. PC 机和专业运动控制卡 这种方案可充分的利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，而且柔性要求高的设备。在这种方案中，运动控制芯片只需要从微机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲 / 方向信号、检测限位 /原点等信号。专用运动控制卡提供了相应的指令系统，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。

2.2 运动控制卡的研究现状

1. 基于大规模集成电路，如 8253, 8254 ，利用其内部的计数器功能，可通过编码器改变其脉冲输出频率和脉冲输出数，实现步进电机的速度和位置控制。

2. 基于单片机，如 8031. 8098 ，这种方案比第一种要灵活的多，可通过硬件实现许多功能。以单片机为主控芯片，成本较低，外围电路较为复杂，要加上存储器、编码器信号处理及 D/A转换电路等，其控制算法有事先编好的程序固化在存储器中。该方案采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，所以一般用于步进电机控制。

3. 基于数字信号处理器 (DSP)型。 90 年代以来，数字信号处理器((DSP) 在运动控制中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，可以实现高精度多轴伺服控制。

4. 基于专用运动控制芯片MCX314 的运动控制器。 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。 MCX314 作为运动控制器硬件平台的控制芯片，为系统提供运动脉冲、驱动速度、插补运算，完成机床运动的功能。

2.3. 选择MCX314 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 P

C 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。

3 、运动控制卡的硬件电路设计PC104

运动控制器MCX314

I /O辅助控制

PC104总

线

伺服驱动器X

伺服驱动器Y

伺服驱动器Z

伺服驱动器U

地址译码电路：

数据双向缓冲电路：

驱动脉冲输出电路：

编码器反馈信号输入电路：

急停和报警输入：

限位信号输入：

4 、运动控制卡的软件调试

1. 对 MCX314芯片控制寄存器的读写

2.MCX314芯片的指令系统 数据命令 驱动命令 插补命令

WR0命令寄存器

WR1 模式寄存器

WR2 模式寄存器

WR3 模式寄存器

WR4 输出寄存器

WR5插补模式寄存器

WR1写数据寄存器

CPU读写周期

上电时序

脉冲输出方式设定：

外部驱动脉冲时序：

MCX314命令：

连续插补流程图

END！

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