基于PCIE總線3D打印機(jī)運動控制系統(tǒng)設(shè)計

殷立志，徐世東

（1.渤海大學(xué)，錦州121000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

引 言

目前3D打印機(jī)在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，隨著3D打印技術(shù)的革新，3D打印不僅在傳統(tǒng)的制造行業(yè)體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，而且其魅力延伸至食品制造、服裝奢侈品、影視傳媒以及教育等多個與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。經(jīng)過對比各種芯片性能，選用PEX8311與X7043協(xié)同工作，PEX8311芯片[3]對PCIE總線信號進(jìn)行譯碼，生成16路總線數(shù)據(jù)和地址信號，這些控制信號可用于X7043運控控制芯片，保證同時對最多4臺伺服電機(jī)進(jìn)行實時同步的控制。實驗過程中發(fā)現(xiàn)即使3D打印機(jī)與主控機(jī)相距3 m，誤碼率仍在萬分之一以下，對3D打印機(jī)的運動控制性能有明顯提升。

1 總體設(shè)計

該套方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在整個設(shè)計中，用戶控制主機(jī)，向下發(fā)送指令，指令信息最先到達(dá)PCIE板卡，指令經(jīng)過處理（如打包）按照PCIE總線協(xié)議發(fā)送到信號加強(qiáng)轉(zhuǎn)接板，該板需插入機(jī)箱內(nèi)部插槽（金手指），經(jīng)過信號加強(qiáng)芯片，對PCIE總線信號加強(qiáng)，PI3EQX5801芯片對信號重驅(qū)動后，信號能傳輸?shù)挠行Ь嚯x將大大增加。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

總線信號中的讀/寫信息都是以高頻差分對的形式傳輸，對特征阻抗的要求非常高，按照PCI2.0總線協(xié)議，差分對在PCB走線時不能超過15 cm，只有進(jìn)行重驅(qū)動，才能使PCIE總線信號到達(dá)打印機(jī)的運動控制模塊，否則在線路傳輸中信號將被干擾而失真，不能實現(xiàn)主機(jī)對3D打印機(jī)運動控制系統(tǒng)的實時操作。

運動控制系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)、工控機(jī)、PI3EQX5801重驅(qū)動電路、PEX8311解析電路、X7043控制電路和3臺伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組成，圖2所示即為整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)為用戶提供操作界面，工控機(jī)則用來發(fā)送上位機(jī)下達(dá)的指令給下位機(jī)，PCIE總線信息首先經(jīng)過PI3EQX5801進(jìn)行重驅(qū)動處理，以使信號在進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸后不失真。在多軸運控控制電路板上裝有PEX8311、X7043和CPLD芯片，PEX8311對傳輸過來的總線進(jìn)行信號解析，產(chǎn)生能被X7043使用的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線信號，CPLD用于采集編碼信號和來自伺服電機(jī)驅(qū)動器的信號，進(jìn)而準(zhǔn)確控制電機(jī)運行狀態(tài)。著重介紹具有創(chuàng)新意義的PI3EQX5801的使用。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 PI3EQX5801的電路設(shè)計

PI3EQX5801特性：兼容PCIe 2.0協(xié)議，可調(diào)節(jié)量化接收器，兩路5.0 Gbps差分信號對，100Ω匹配電阻差分輸入端，為引腳加強(qiáng)的配置輸出且能控制擺幅輸出，單通道的輸入信號檢測和去噪，自動接收檢測，低電壓工作為-330 mW（3.3 V）/-150 mW（1.5 V），采用 TQFN（4×4 mm）20引腳封裝。

這款低功耗、高性能的信號驅(qū)動器是為PCIE 2.0協(xié)議特別研制的，芯片提供可編程量化器，去加重，具有輸出幅度控制功能，通過抑制系統(tǒng)內(nèi)多樣的物理媒介產(chǎn)生的干擾來優(yōu)化芯片的性能。芯片支持兩路100Ω特征阻抗的差分信號輸入/輸出，使用戶平臺上的ASIC協(xié)議信號在經(jīng)過轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、導(dǎo)線或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)線路后仍有效。

當(dāng)通道使能時，EN＃＝0，開始操作，通道的輸入信號極性決定輸出極性，而不管輸出是否激活。當(dāng)輸入通道的信號下降到閾值（Vth-）以下時，輸出也被驅(qū)動到相同的電壓。另外在有信號條件下，當(dāng)EN＃＝1時，芯片會進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。PI3EQX5801還包含一個完全可編程的I2C總線接口。當(dāng)I2C總線控制模式使能時，I2C＿EN＝1，量化、輸出擺動和去加重功能的設(shè)置可以通過編輯相應(yīng)的寄存器得到調(diào)整。

特別注意的是該芯片的輸出振幅設(shè)置，當(dāng)信號頻率為2.5 GHz時，電阻的選型可根據(jù)表1進(jìn)行選擇，在默認(rèn)情況下輸出的振幅為被加強(qiáng)。

數(shù)據(jù)發(fā)送周期以主控制器產(chǎn)生的一位開始位開始，芯片在識別這個開始位后，將監(jiān)督下一位信息，看該數(shù)據(jù)是否與它的地址匹配。當(dāng)發(fā)現(xiàn)匹配后，在接下來的時鐘信號里，它將回應(yīng)一個讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)。每字節(jié)后都必須跟著一位應(yīng)答位，除非最后的一個字節(jié)以一位停止位結(jié)束。在一個發(fā)送周期中，跟著地址字節(jié)的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)是偽字節(jié)或填充字節(jié)，并不被PI3EQX5801使用。這個字節(jié)是為了兼容使用10位地址的系統(tǒng)而產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)傳輸中最先傳輸最重要的數(shù)據(jù)。

表1 輸出振幅設(shè)置

重驅(qū)動的電路設(shè)計參考了百利通公司給出的標(biāo)準(zhǔn)圖，為了讓電路具有對其他設(shè)備的適用性，保留了官方配置時需要的各個電阻，在做PCB板時加入了撥碼開關(guān)，可以根據(jù)不同需要進(jìn)行模式選擇。

3 PEX8311設(shè)計

PEX8311起到橋梁作用，它將PCIE總線變成一般的局部總線信號。芯片支持3種不同的總線協(xié)議或模式。由于該芯片引腳足夠滿足本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，所以該系統(tǒng)中使用C（非復(fù)用）模式，總共96個引腳。作為Local總線的主控方，PEX8311提供了一個32位的地址用于數(shù)據(jù)傳輸，8位數(shù)據(jù)傳輸時，LAD[31：0]提供字節(jié)地址；16位數(shù)據(jù)傳輸時，LAD[31：1]提供字地址，LAD[0]為0；32位數(shù)據(jù)傳輸時，LAD[31：2]提供雙字地址，LAD[1：0]為00。作為Local總線的從控方，主控方以32位地址訪問PEX8311，LAD[1：0]忽略，在 ADS＃有效期間、LCLK上升沿到達(dá)時或者ALE有效時，輸入的地址被鎖存入PEX8311中。

在一個數(shù)據(jù)周期中，作為Local總線的主控方，PEX8311通過總線數(shù)據(jù)寬度訪問方式可以提供8/16/32位數(shù)據(jù)傳輸通道；作為Local總線的從控方，32位的數(shù)據(jù)總線被用來讀取/寫入PEX8311。

PEX8311上電后接收PCIE協(xié)議信息完成自身的初始化，對局部總線進(jìn)行讀寫操作。初始化過程代碼如下：

4 X7043電路設(shè)計

X7043作為大規(guī)模集成電路，能產(chǎn)生控制伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)速度和位置的脈沖序列，最多能控制4個軸。芯片單元包含一個S形或線性的加速/減速脈沖發(fā)生器、一個線性插值除法器、一個基于形或三角形驅(qū)動的減速點自動計算器、多個編碼器和計數(shù)器的輸入腳（可用作當(dāng)前位置計數(shù)器或偏差計數(shù)器），一個回原點的傳感器接口、一個限位傳感器接口、一個伺服驅(qū)動接口、一個8位多用途的輸入口和一個8位多用途的輸出口。輸入為PEX8311解碼后的數(shù)據(jù)信號，包括16位地址和8位數(shù)據(jù)，由于X7043只有8位輸入，所以我們只用到了16位地址線中的8位。

X7043擁有多種指令形式，分別對應(yīng)多種功能，發(fā)送命令代碼時，代碼先進(jìn)入命令寄存器中。該系統(tǒng)最常用的命令代碼有00h、01h、指數(shù)驅(qū)動，這樣的驅(qū)動形式伴隨加速和減速過程，電機(jī)會先加速到最高速度，在最高速運行一定時間后進(jìn)入減速狀態(tài)，到達(dá)目標(biāo)位置時剛好停止。電機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)如圖3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)圖

X7043使用前需先下載應(yīng)用文件，對需要的功能進(jìn)行配置，具體配置方法參考官方的使用手冊。

梯形正弦加速度設(shè)置公式：

Tsg＝f×K×R5/131 072

梯形正弦減速度設(shè)置公式：

Tsg＝f×K×R6/131 072。

其中，K代表速度分辨率，K＝f/65536×R0；f為參考時鐘頻率；R0頻率系數(shù)寄存器值；R5為加速度設(shè)置寄存器值；R6是減速度設(shè)置寄存器值。

PEX8311寫給X7043的程序代碼如下：

實驗中，對伺服驅(qū)動器輸出數(shù)值進(jìn)行采集，并對各軸的目標(biāo)位置與實際位置進(jìn)行分析，調(diào)整梯形規(guī)劃算法并優(yōu)化上位機(jī)程序，以提高電機(jī)響應(yīng)速度。實際效果圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)實際轉(zhuǎn)速圖

圖中預(yù)設(shè)是反向220 r/min，粗線是實際轉(zhuǎn)速，細(xì)線為設(shè)置轉(zhuǎn)速，可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)停沒有較大的沖擊，并且能夠達(dá)到很高的控制精度。

結(jié) 語

此運動控制系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)處理能力的芯片，對從上位機(jī)下發(fā)的指令信號進(jìn)行一整套的解析，在3D打印機(jī)的多軸控制試驗中取得了很好效果，這套體系也可用于多軸控制的其他設(shè)備中。作為新方案，軸的運動速度及精度與進(jìn)口3D打印機(jī)相比還有一定差距。若要達(dá)到國外高級3D打印機(jī)的打印精度，還需在控制算法上進(jìn)行深入研究。目前，3D打印機(jī)在國內(nèi)應(yīng)用市場前景很廣闊，這套運動控制系統(tǒng)為高精度、高效率的3D打印機(jī)設(shè)計提供了新思路。

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