數(shù)控機(jī)床基于PCI 總線的同步位置檢測(cè)卡設(shè)計(jì)*

劉學(xué)鵬，張東升，欒宗濤

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528404，2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710049)

0 引言

當(dāng)前數(shù)控機(jī)床主要發(fā)展方向之一就是高速、高精度，這要求在單位時(shí)間內(nèi)能夠采集和處理大量數(shù)據(jù)，具有較好的實(shí)時(shí)性，因此，對(duì)于位置檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬有著較高的要求［1-6］。PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器采用ISA總線，導(dǎo)致上位機(jī)通過(guò)它讀取位置信息的采樣周期較長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中，高速進(jìn)給狀態(tài)下會(huì)丟失大量采樣點(diǎn)，使檢測(cè)到的數(shù)據(jù)沒有實(shí)際意義。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的運(yùn)動(dòng)和造型，數(shù)控設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)多軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這就需要能夠同時(shí)采集多個(gè)軸的位置，以進(jìn)行分析和反饋處理。

1 同步位置檢測(cè)卡的總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)層次，即硬件層和軟件層。計(jì)算機(jī)為了方便擴(kuò)展，在主板上一般都留有計(jì)算機(jī)總線擴(kuò)展插槽，擴(kuò)展的嵌入式板卡就插在擴(kuò)展插槽里。同步位置檢測(cè)卡主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能，一個(gè)是總線接口，一個(gè)是同步位置檢測(cè)功能。

總線的接口和檢測(cè)電路的交互是通過(guò)共享空間來(lái)完成的，命令字節(jié)和數(shù)據(jù)都存放在共享空間里。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)共享空間的友好訪問，防止沖突，設(shè)計(jì)了握手電路。

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的主流是具有良好人機(jī)界面的Windows 操作系統(tǒng)。在Windows 操作系統(tǒng)下，屏蔽了普通應(yīng)用程序?qū)τ布牟僮?。?shí)現(xiàn)屏蔽功能的主要是靠Windows 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)來(lái)完成。因此，必須設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板卡設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，主要功能是在Windows 應(yīng)用層獲取硬件設(shè)備，為二次開發(fā)留出良好接口。

2 同步位置檢測(cè)模塊

同步位置檢測(cè)模塊所要檢測(cè)的信息主要來(lái)自于位置檢測(cè)傳感器。傳感器分為模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器。對(duì)于數(shù)字傳感器，采取必要的抗干擾措施以后，可以直接處理其輸入的信號(hào)。對(duì)于模擬量傳感器，必須先通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器件對(duì)其輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，然后再傳送到檢測(cè)電路。本文使用的編碼器是典型的數(shù)字量傳感器，沒有使用A/D 轉(zhuǎn)換器件。

圖1 同步位置檢測(cè)卡總體結(jié)構(gòu)圖

同步位置檢測(cè)模塊能同步檢測(cè)多個(gè)通道的信息(圖1)，這就要求檢測(cè)電路對(duì)于多路數(shù)據(jù)能夠同時(shí)鎖存處理，針對(duì)每個(gè)通道都有一套相類似的處理電路，這些電路組合在一起就組成檢測(cè)電路。當(dāng)數(shù)據(jù)被鎖存以后，還要能夠被讀取，讀取的工作主要是由控制電路來(lái)完成的。控制電路是以AT89C51 型單片機(jī)為核心的單片機(jī)及其擴(kuò)展電路。單片機(jī)按照設(shè)計(jì)的次序從檢測(cè)電路讀取數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)放到存儲(chǔ)器件里，等待計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI 總線來(lái)讀取。存儲(chǔ)器件是一個(gè)雙端口RAM，存儲(chǔ)空間實(shí)際上也就是共享空間，能夠被控制電路和PCI 接口同時(shí)操作。

共享空間有兩個(gè)作用，一個(gè)作用是存儲(chǔ)從檢測(cè)電路讀取的數(shù)據(jù)，另一個(gè)作用是存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令字節(jié)。本文雙端口RAM 為地址空間為2K，范圍從0000h～3FFFh，雙端口RAM 的同一個(gè)地址不能同時(shí)被控制電路和PCI 接口操作，因此，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)劃在邏輯上被劃分為四個(gè)部分，見圖2。由于分為上下兩個(gè)半?yún)^(qū)。當(dāng)控制電路向其中一個(gè)半?yún)^(qū)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，PCI接口只能從另一個(gè)半?yún)^(qū)讀取數(shù)據(jù)，只有當(dāng)控制電路完成對(duì)該半?yún)^(qū)的操作并通知PCI 接口時(shí)，PCI 接口才能采取相應(yīng)的操作。命令字節(jié)存儲(chǔ)區(qū)也被分為上下兩個(gè)半?yún)^(qū)，這一方面保持了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)兩個(gè)部分的空間大小相等，簡(jiǎn)化了控制程序的編寫，另一方面也有利于命令字節(jié)的擴(kuò)展。

圖2 共享空間邏輯劃分

3 同步位置檢測(cè)卡PCI 接口功能模塊

根據(jù)同步位置檢測(cè)卡PCI 接口的功能需求，整個(gè)PCI 接口內(nèi)部規(guī)劃為六大模塊，即狀態(tài)機(jī)模塊、奇偶校驗(yàn)?zāi)K、配置邏輯單元、配置寄存器空間、支持狀態(tài)機(jī)的邏輯控制單元和I/O 控制模塊等。

同步位置檢測(cè)卡PCI 接口狀態(tài)機(jī)模塊:與PCI 總線的控制信號(hào)交互，根據(jù)不通的信號(hào)組合，負(fù)責(zé)交易的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換，與其它模塊配合實(shí)現(xiàn)PCI 總線配置、奇偶校驗(yàn)、I/O 操作等功能，并產(chǎn)生相應(yīng)的本地總線控制信號(hào)，與本地器件交互。

位置檢測(cè)卡PCI 接口奇偶校驗(yàn)?zāi)K:與PCI 總線的奇偶校驗(yàn)信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、地址的奇偶校驗(yàn)，保證信號(hào)的正確性，以及在發(fā)生校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)告奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤。

同步位置檢測(cè)卡PCI 接口邏輯配置單元:與PCI總線的接口地址和數(shù)據(jù)信號(hào)交互，在初始化時(shí)期，與PCI 總線控制器配合，實(shí)現(xiàn)PCI 總線的硬件資源的配置功能，實(shí)現(xiàn)資源的可配置，以及在配置交易和數(shù)據(jù)交易時(shí)，實(shí)現(xiàn)地址解碼。

同步位置檢測(cè)卡PCI 接口配置寄存器空間:主要儲(chǔ)存的是用戶配置的PCI 總線的原始硬件信息，在上電初始化最初期，這里的信息被加載到邏輯配置單元。

同步位置檢測(cè)卡PCI 接口支持狀態(tài)機(jī)的邏輯控制單元:根據(jù)PCI 協(xié)議為狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生輸入信號(hào)，主要由定時(shí)器組成。定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，限制設(shè)備交易延時(shí)。

同步位置檢測(cè)卡PCI 接口I/O 控制模塊:與PCI總線接口地址和數(shù)據(jù)信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)了命令、地址位的解碼，在PCI 數(shù)據(jù)/地址多路復(fù)用總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外，配置空間中的只讀寄存器也將在這部分根據(jù)譯碼結(jié)果，被強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到響應(yīng)的地址。

在這六個(gè)模塊中間，狀態(tài)機(jī)就好比是大腦，它與其它模塊的正確配合才能使整個(gè)接口正常工作。

根據(jù)狀態(tài)細(xì)分表和控制信號(hào)圖，得出狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3 所示。

圖3 同步位置檢測(cè)卡PCI 接口狀態(tài)機(jī)狀態(tài)

在圖中，主要有兩個(gè)主線，左邊的讀操作和右邊的寫操作?，F(xiàn)在以正常讀操作為例加以說(shuō)明?？偩€首先處于IDLE——閑置狀態(tài)，當(dāng)PCI 主設(shè)備請(qǐng)求交易時(shí)，從設(shè)備發(fā)現(xiàn)并不是訪問自己，則總線處于BUS_BUZY狀態(tài)，因?yàn)檫@時(shí)主設(shè)備占用總線，在和別的從設(shè)備交易，知道恢復(fù)閑置狀態(tài)。而如果主設(shè)備請(qǐng)求交易時(shí)，自己本身忙于其它交易，處于RETRY 狀態(tài)，直到恢復(fù)IDLE狀態(tài)。如果設(shè)備正常啟動(dòng)一個(gè)讀交易，則首先到SWAIT 狀態(tài)，等待被讀的數(shù)據(jù)放到總線上，然后到SREAD 狀態(tài)，讀走數(shù)據(jù)。如此這樣交易，直到最后主設(shè)備發(fā)出信號(hào)，準(zhǔn)備正常結(jié)束交易，則進(jìn)入FINISH 狀態(tài)。當(dāng)所有的信號(hào)回復(fù)初始狀態(tài)，于是總線又回到IDLE態(tài)。其它五個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法類似，以同步位置檢測(cè)卡PCI 接口I/O 控制模塊為例說(shuō)明。

4 數(shù)據(jù)采樣模塊

在圖4 中，編碼器安裝在絲杠伺服電機(jī)的尾部，根據(jù)絲杠的旋轉(zhuǎn)角度發(fā)出脈沖信號(hào)，限位開關(guān)是光柵尺的一部分，發(fā)出零點(diǎn)定位信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)IO 口發(fā)送到嵌入在PC 機(jī)里的位置檢測(cè)卡里。為了減少現(xiàn)場(chǎng)的噪聲和干擾，使用了光耦器件，把采集到的信號(hào)與檢測(cè)卡將要處理的信號(hào)隔離。通過(guò)對(duì)編碼器的A、B 兩相信號(hào)和限位開關(guān)的電平信號(hào)的處理，可以判定絲杠是正向旋轉(zhuǎn)還是反向旋轉(zhuǎn)，或是到達(dá)零點(diǎn)位置，從而發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。采樣電路主要是兩個(gè)可逆計(jì)數(shù)器，分別對(duì)X、Y軸計(jì)數(shù)。通過(guò)預(yù)處理電路發(fā)出的控制信號(hào)，控制計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)或者遞減計(jì)數(shù)。通過(guò)讀取計(jì)數(shù)器的具體數(shù)值，就可以知道工作臺(tái)的具體位置。

圖4 數(shù)據(jù)采集圖

5 同步位置檢測(cè)卡控制電路的設(shè)計(jì)

AT89C51 型單片機(jī)具有很好的擴(kuò)展性，內(nèi)部自帶有4k 的程序存儲(chǔ)器，并且有4 個(gè)8 位的IO 口用于擴(kuò)展，還帶有一個(gè)全雙工的串口。圖5 實(shí)現(xiàn)以單片機(jī)為核心的控制電路。

圖5 同步位置檢測(cè)卡控制電路原理

在位置檢測(cè)卡上，晶振給單片機(jī)提供了工作時(shí)鐘。為了配合單片機(jī)的串行通信，采用的是11.0592 MHz的晶振。位置檢測(cè)卡使用單片機(jī)的P0 口作為地址和數(shù)據(jù)線的復(fù)用通道。當(dāng)在地址周期時(shí)，與控制信號(hào)線配合，通過(guò)CPLD 中設(shè)計(jì)的鎖存器鎖存地址。在數(shù)據(jù)周期時(shí)，直接通過(guò)P0 口從雙端口RAM 中讀取或者寫入數(shù)據(jù)?？刂菩盘?hào)線主要是以單片機(jī)的P1 口的為基礎(chǔ)擴(kuò)展的。

計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI 接口INT0 中斷給單片機(jī)。同時(shí)，單片機(jī)也可以給外部發(fā)送中斷，通過(guò)擴(kuò)展P1 口的信號(hào)線的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)從雙端口RAM 中讀取數(shù)據(jù)的正確與否，使用單片機(jī)的串行通信功能。在設(shè)置時(shí)，用到了定時(shí)器1 作為波特率發(fā)生器。波特率是9600bps。

6 同步位置檢測(cè)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

為位置檢測(cè)卡開發(fā)的一個(gè)完整的WDM 驅(qū)動(dòng)程序可以被看作是一個(gè)容器，它包含許多例程，當(dāng)操作系統(tǒng)遇到一個(gè)IRP 時(shí)，它就調(diào)用這個(gè)容器中的例程來(lái)執(zhí)行該IRP 的各種操作。有些例程，例如DriverEntry 和AddDevice，還有與幾種IRP 對(duì)應(yīng)的派遣函數(shù)將出現(xiàn)在每一個(gè)這樣的容器中。需要對(duì)IRP 排隊(duì)的驅(qū)動(dòng)程序一般都有一個(gè)StartIo 例程。執(zhí)行DMA 傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)程序應(yīng)有一個(gè)AdapterControl 例程。大部分能生成硬件中斷的設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序都有一個(gè)中斷服務(wù)例程(ISR)和一個(gè)推遲過(guò)程調(diào)用(DPC)例程。

為了使同步位置檢測(cè)卡能夠被Win32 用戶訪問，在Windows 2000 系統(tǒng)里，同步位置檢測(cè)卡的驅(qū)動(dòng)程序使硬件設(shè)備像一個(gè)文件，對(duì)其的操作像是對(duì)文件的操作。用戶態(tài)應(yīng)用程序使用Win32 函數(shù)CreateFile 訪問驅(qū)動(dòng)程序。使用CreateFile 訪問一個(gè)文件的時(shí)候，需要知道具體文件的名稱，因此，訪問驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，也必然要有一個(gè)唯一設(shè)備名稱以供函數(shù)調(diào)用。這個(gè)唯一的設(shè)備名稱就是該設(shè)備的符號(hào)鏈接名。每個(gè)設(shè)備使一個(gè)定義的應(yīng)用程序編程接口(API)可用，全局唯一標(biāo)識(shí)符(GUID)用于標(biāo)示這個(gè)接口。應(yīng)用程序?yàn)榱嗽L問位置檢測(cè)卡，必須首先得到卡的接口名，取得該設(shè)備對(duì)象的句柄。在取得了同步位置檢測(cè)卡的設(shè)備句柄以后，就像訪問普通的文件一樣，可以調(diào)用Win32 API 函數(shù)訪問設(shè)備，實(shí)現(xiàn)I/O 操作。完成操作以后，要調(diào)用CloseHandle 關(guān)閉句柄。

7 結(jié)論

(1)分析了位置檢測(cè)卡的功能要求。分析了同步位置檢測(cè)卡的整體功能需求，按照檢測(cè)原理對(duì)同步位置檢測(cè)功能模塊進(jìn)行了功能細(xì)分，確定了PCI 總線接口模塊的方案。

(2)設(shè)計(jì)了位置檢測(cè)卡硬件線路。首先根據(jù)功能要求，分析了電路原理，并選用合適的電子器件，繪制了電路原理圖。其次，按照抗干擾原則，在雙層PCB板上布置了電子元件并進(jìn)行了布線。

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