1 引  言

近年來，隨著對係統可靠性需求的日益增加，CPCI總線以其獨特的優(you) 勢被廣泛地應用在工業(ye) 控製中。由於(yu) CPCI總線支持熱插拔，這種方式就保證在不影響係統運行的前提下，可以對其中的任意板卡進行檢測及維修。這樣就提高了基於(yu) CPCI總線的運動控製係統的靈活性，同時對應用在該係統上的運動控製卡的需求也會(hui) 越來越大。因此急需開發一款基於(yu) CPCI總線的、高性能、高可靠性的運動控製卡以滿足運動控製係統發展的需要。

2 CPCI總線簡介

CPCI全稱為(wei) CompactPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國際PICMG協會(hui) 於(yu) 1994年提出來的一種總線接口標準。它是以PCI電氣規範為(wei) 標準的高性能工業(ye) 用總線。

CPCI總線相對於(yu) PCI具有以下優(you) 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(ye) 環境中的PCI係統的可維護性和可靠性；

(2)采用Eurocard封裝，係統中氣流均勻；

(3)CompactPCI連接器的電源和信號引線支持熱插拔規範，這對於(yu) 容錯係統是非常重要的，也是標準PCI所不能實現的功能；

(4)總線易於(yu) 擴展，可同時支持多達256個(ge) 標準的PCI總線設備；

(5)CompactPCI背板的連接器插針分為(wei) 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

該運動控製卡的係統結構圖如圖1所示。係統采用專(zhuan) 用接口芯片PCI9030實現運動控製芯片MCX314與(yu) CPCI總線的高速通信；使用時通過正確配置E2PROM(93CS66L)的參數來完成PCI9030的初始化；用熱插拔控製器LTC1643L實現運動控製卡的熱插拔功能。下麵對各個(ge) 部分進行一一介紹：


3.1 CPCI總線接口

由於(yu) CPCI總線規範較為(wei) 複雜，為(wei) 了降低設計難度，縮短開發時間，本係統采用采用PLX公司的專(zhuan) 用接口芯片PCI9030實現CPCI的總線接口。PCI9030是業(ye) 界首個(ge) 支持熱交換的接口芯片，為(wei) CPCI接口提供了優(you) 秀的解決(jue) 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，並且符合PCIv 2.2規範所規定的32位33 MHz目標接口功能，可以獲得高達132 MB／s的PCI突發傳(chuan) 輸速度，局部總線操作速度高達60 MHz，支持5個(ge) 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(ge) 擴展的ROM)，傳(chuan) 輸等待周期及總線寬度可編程。另外，PCI9030內(nei) 含預充電Bioses、早期電源支持、熱交換控製／狀態寄存器(HS-CSR)和附加引腳資源，可利用這些資源以及ENUM#，CPCISW和LEDon#實現運動控製板卡的帶電熱插拔的軟硬件控製。由於(yu) PCI9030完全符合PCIv2.2規範，所以隻需將對應管腳互聯即可，這裏不再贅述。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(yu) PCI-RST#的組合邏輯輸出端。

3.2 E2PROM與(yu) PCI9030連接

E2PROM用來對完成PCI9030的初始化，在整個(ge) 係統中起著極其重要的作用。本係統的E2PROM選用National公司的NM93CS66L。它是一個(ge) 4 kB的低功耗串行存儲(chu) 器，用來存儲(chu) PCI9030的配置信息並在芯片複位時進行加載，從(cong) 而使運動控製卡具有即插即用的功能。其與(yu) PCI9030的連接原理圖如圖2所示。其中，NM93CS66L的片選信號CS、串行時鍾信號SK、數據輸入DI和數據輸出信號DO分別與(yu) 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(chu) 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(chu) 區的操作。



3.3 熱插拔控製器與(yu) CPCI總線的連接

為(wei) 了使板卡在熱插拔的過程中，不對CPCI總線產(chan) 生衝(chong) 擊，不影響CPCI總線上數據的傳(chuan) 輸，則需要一個(ge) 良好的電源切換控製電路。這裏選用LTC1643AL實現這一功能。LTC1643AL與(yu) 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(ti) 管控製通斷，±12 V電源由內(nei) 部通路晶體(ti) 管控製。電阻R1和R2提供電流失效檢測，R5和C1提供電流補償(chang) ，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(ti) 管被打開且將有22μA的電流源連接到TIMER腳。隨著經過通路晶體(ti) 管電流的逐漸增加，供電電壓達到限製值。每種電源的上電速率由62μA／C1所決(jue) 定。在TIM-ER腳的電壓小於(yu) 12 VIN-0.9 V的過程中，電流限製失效檢測被忽略。一旦4種供電電壓達到正常範圍，PWRGD#將會(hui) 被拉低。

對於(yu) CPCI數據總線的1 V預充電電壓由LT1117生成，其輸出電壓設定在1.8 V，經過二極管1N4148後產(chan) 生1 V的預充電電壓。

3.4 MCX314與(yu) PCI9030的連接

MCX314是日本Nova公司推出的4軸運動專(zhuan) 用控製集成電路，能用於(yu) 步進電機或脈衝(chong) 型伺服驅動的位置、速度和插補控製，可用於(yu) 工業(ye) 自動化設備、工業(ye) 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)獨立的定位控製、速度控製，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。默認輸入時鍾為(wei) 16 MHz，脈衝(chong) 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(yu) 8位或16位數據總線相連，其所有的功能都是通過讀寫(xie) 內(nei) 部命令寄存器、數據寄存器、狀態寄存器和模式寄存器而實現。各軸都有32位的邏輯位置計數器(對輸出的驅動脈衝(chong) 計數)、實際位置計數器(對外部編碼器計數)和比較寄存器，實現位置的閉環控製。各軸都有4個(ge) 通用輸入(可用於(yu) 限位、原點信號輸入)和4或8個(ge) 通用輸出(通過軟件設置來實現)。

MCX314與(yu) 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範圍內(nei) 產(chan) 生片選信號，這樣就節省了譯碼電路，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的數據總線配置為(wei) 16位，此時LBEI#就作為(wei) LAl來使用。


由於(yu) 本設計采取的是地址、數據線非複用方式，則將MODE接地，且為(wei) 了保證數據總線的所有數據均可用將分別代表高8位數據有效和低8位數據有效的LBE3#，LBE0#置低。

為(wei) 了將MCX314配置為(wei) 16位數據總線，將H16L8置高，且將測試管腳和外部單步插補控製腳置高，即不允許硬件外部單步插補。其餘(yu) 與(yu) 電機驅動器連接如圖4所示，這裏不再贅述。需要注意的是，如果編碼器存在Z相，則隻需將Z相接至任何一個(ge) 通用輸入端，通過軟件實現對編碼器的讀取。

4 驅動程序的編寫(xie)

經過對同類驅動開發工具的比較，決(jue) 定采用Wind-Driver開發驅動程序。這個(ge) 開發工具不必熟悉操作係統的內(nei) 核知識就可以快速地開發出驅動程序，對於(yu) 開發者來說很方便。

在開發過程中，使用向導生成的驅動程序框架代碼，然後在此基礎上略加修改，就可以在用戶模式下調試代碼。具體(ti) 流程如下：在Driver Wizard界麵下，選中自己的設備並生成安裝信息，點擊下一步對I／O、內(nei) 存等資源進行調試，並完成對工作寄存器的配置，然後生成相應代碼，最後在驅動程序中添加自己所需的代碼即可完成驅動程序的編寫(xie) 工作。#p#分頁標題#e#

5 結  語

本運動控製卡已經在汽車駕駛機器人的控製係統中得到應用。應用結果表明本運動控製卡性能穩定，接口豐(feng) 富，應用方便，可以通過對寄存器的操作輕易地完成對4個(ge) 軸實時有效的運動控製，具有良好的應用前景。