數控機床基于PCI 總線的同步位置檢測卡設計*

劉學鵬，張東升，欒宗濤

(1.中山職業技術學院 機電工程學院，廣東 中山 528404，2.西安交通大學 機械工程學院，西安710049)

0 引言

當前數控機床主要發展方向之一就是高速、高精度，這要求在單位時間內能夠采集和處理大量數據，具有較好的實時性，因此，對于位置檢測系統的數據傳輸帶寬有著較高的要求［1-6］。PMAC 運動控制器采用ISA總線，導致上位機通過它讀取位置信息的采樣周期較長，在實際應用中，高速進給狀態下會丟失大量采樣點，使檢測到的數據沒有實際意義。同時，為了實現復雜曲面的運動和造型，數控設備需要實現多軸的協調運動，這就需要能夠同時采集多個軸的位置，以進行分析和反饋處理。

1 同步位置檢測卡的總體結構

整個系統分為兩個層次，即硬件層和軟件層。計算機為了方便擴展，在主板上一般都留有計算機總線擴展插槽，擴展的嵌入式板卡就插在擴展插槽里。同步位置檢測卡主要實現了兩個功能，一個是總線接口，一個是同步位置檢測功能。

總線的接口和檢測電路的交互是通過共享空間來完成的，命令字節和數據都存放在共享空間里。為了實現對共享空間的友好訪問，防止沖突，設計了握手電路。

現在的計算機操作系統的主流是具有良好人機界面的Windows 操作系統。在Windows 操作系統下，屏蔽了普通應用程序對硬件的操作。實現屏蔽功能的主要是靠Windows 設備驅動程序和操作系統來完成。因此，必須設計的擴展板卡設計設備驅動程序和應用程序，主要功能是在Windows 應用層獲取硬件設備，為二次開發留出良好接口。

2 同步位置檢測模塊

同步位置檢測模塊所要檢測的信息主要來自于位置檢測傳感器。傳感器分為模擬量傳感器和數字量傳感器。對于數字傳感器，采取必要的抗干擾措施以后，可以直接處理其輸入的信號。對于模擬量傳感器，必須先通過A/D 轉換器件對其輸入的信號進行數字化處理，然后再傳送到檢測電路。本文使用的編碼器是典型的數字量傳感器，沒有使用A/D 轉換器件。

圖1 同步位置檢測卡總體結構圖

同步位置檢測模塊能同步檢測多個通道的信息(圖1)，這就要求檢測電路對于多路數據能夠同時鎖存處理，針對每個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電路。當數據被鎖存以后，還要能夠被讀取，讀取的工作主要是由控制電路來完成的。控制電路是以AT89C51 型單片機為核心的單片機及其擴展電路。單片機按照設計的次序從檢測電路讀取數據，然后把這些數據放到存儲器件里，等待計算機通過PCI 總線來讀取。存儲器件是一個雙端口RAM，存儲空間實際上也就是共享空間，能夠被控制電路和PCI 接口同時操作。

共享空間有兩個作用，一個作用是存儲從檢測電路讀取的數據，另一個作用是存儲計算機發送的命令字節。本文雙端口RAM 為地址空間為2K，范圍從0000h～3FFFh，雙端口RAM 的同一個地址不能同時被控制電路和PCI 接口操作，因此，數據存儲區劃在邏輯上被劃分為四個部分，見圖2。由于分為上下兩個半區。當控制電路向其中一個半區寫入數據時，PCI接口只能從另一個半區讀取數據，只有當控制電路完成對該半區的操作并通知PCI 接口時，PCI 接口才能采取相應的操作。命令字節存儲區也被分為上下兩個半區，這一方面保持了數據存儲區兩個部分的空間大小相等，簡化了控制程序的編寫，另一方面也有利于命令字節的擴展。

圖2 共享空間邏輯劃分

3 同步位置檢測卡PCI 接口功能模塊

根據同步位置檢測卡PCI 接口的功能需求，整個PCI 接口內部規劃為六大模塊，即狀態機模塊、奇偶校驗模塊、配置邏輯單元、配置寄存器空間、支持狀態機的邏輯控制單元和I/O 控制模塊等。

同步位置檢測卡PCI 接口狀態機模塊:與PCI 總線的控制信號交互，根據不通的信號組合，負責交易的啟動和轉換，與其它模塊配合實現PCI 總線配置、奇偶校驗、I/O 操作等功能，并產生相應的本地總線控制信號，與本地器件交互。

位置檢測卡PCI 接口奇偶校驗模塊:與PCI 總線的奇偶校驗信號交互，實現數據、地址的奇偶校驗，保證信號的正確性，以及在發生校驗錯誤時，報告奇偶校驗錯誤。

同步位置檢測卡PCI 接口邏輯配置單元:與PCI總線的接口地址和數據信號交互，在初始化時期，與PCI 總線控制器配合，實現PCI 總線的硬件資源的配置功能，實現資源的可配置，以及在配置交易和數據交易時，實現地址解碼。

同步位置檢測卡PCI 接口配置寄存器空間:主要儲存的是用戶配置的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。

同步位置檢測卡PCI 接口支持狀態機的邏輯控制單元:根據PCI 協議為狀態機產生輸入信號，主要由定時器組成。定時器產生定時信號，限制設備交易延時。

同步位置檢測卡PCI 接口I/O 控制模塊:與PCI總線接口地址和數據信號交互，實現了命令、地址位的解碼，在PCI 數據/地址多路復用總線上進行數據交換。另外，配置空間中的只讀寄存器也將在這部分根據譯碼結果，被強制轉換到響應的地址。

在這六個模塊中間，狀態機就好比是大腦，它與其它模塊的正確配合才能使整個接口正常工作。

根據狀態細分表和控制信號圖，得出狀態機的狀態轉換圖如圖3 所示。

圖3 同步位置檢測卡PCI 接口狀態機狀態

在圖中，主要有兩個主線，左邊的讀操作和右邊的寫操作。現在以正常讀操作為例加以說明。總線首先處于IDLE——閑置狀態，當PCI 主設備請求交易時，從設備發現并不是訪問自己，則總線處于BUS_BUZY狀態，因為這時主設備占用總線，在和別的從設備交易，知道恢復閑置狀態。而如果主設備請求交易時，自己本身忙于其它交易，處于RETRY 狀態，直到恢復IDLE狀態。如果設備正常啟動一個讀交易，則首先到SWAIT 狀態，等待被讀的數據放到總線上，然后到SREAD 狀態，讀走數據。如此這樣交易，直到最后主設備發出信號，準備正常結束交易，則進入FINISH 狀態。當所有的信號回復初始狀態，于是總線又回到IDLE態。其它五個模塊的實現方法類似，以同步位置檢測卡PCI 接口I/O 控制模塊為例說明。

4 數據采樣模塊

在圖4 中，編碼器安裝在絲杠伺服電機的尾部，根據絲杠的旋轉角度發出脈沖信號，限位開關是光柵尺的一部分，發出零點定位信號，這些信號通過IO 口發送到嵌入在PC 機里的位置檢測卡里。為了減少現場的噪聲和干擾，使用了光耦器件，把采集到的信號與檢測卡將要處理的信號隔離。通過對編碼器的A、B 兩相信號和限位開關的電平信號的處理，可以判定絲杠是正向旋轉還是反向旋轉，或是到達零點位置，從而發出相應的控制信號。采樣電路主要是兩個可逆計數器，分別對X、Y軸計數。通過預處理電路發出的控制信號，控制計數器遞增計數或者遞減計數。通過讀取計數器的具體數值，就可以知道工作臺的具體位置。

圖4 數據采集圖

5 同步位置檢測卡控制電路的設計

AT89C51 型單片機具有很好的擴展性，內部自帶有4k 的程序存儲器，并且有4 個8 位的IO 口用于擴展，還帶有一個全雙工的串口。圖5 實現以單片機為核心的控制電路。

圖5 同步位置檢測卡控制電路原理

在位置檢測卡上，晶振給單片機提供了工作時鐘。為了配合單片機的串行通信，采用的是11.0592 MHz的晶振。位置檢測卡使用單片機的P0 口作為地址和數據線的復用通道。當在地址周期時，與控制信號線配合，通過CPLD 中設計的鎖存器鎖存地址。在數據周期時，直接通過P0 口從雙端口RAM 中讀取或者寫入數據。控制信號線主要是以單片機的P1 口的為基礎擴展的。

計算機通過PCI 接口INT0 中斷給單片機。同時，單片機也可以給外部發送中斷，通過擴展P1 口的信號線的功能來實現。

為了檢驗計算機從雙端口RAM 中讀取數據的正確與否，使用單片機的串行通信功能。在設置時，用到了定時器1 作為波特率發生器。波特率是9600bps。

6 同步位置檢測卡設備驅動程序

為位置檢測卡開發的一個完整的WDM 驅動程序可以被看作是一個容器，它包含許多例程，當操作系統遇到一個IRP 時，它就調用這個容器中的例程來執行該IRP 的各種操作。有些例程，例如DriverEntry 和AddDevice，還有與幾種IRP 對應的派遣函數將出現在每一個這樣的容器中。需要對IRP 排隊的驅動程序一般都有一個StartIo 例程。執行DMA 傳輸的驅動程序應有一個AdapterControl 例程。大部分能生成硬件中斷的設備，其驅動程序都有一個中斷服務例程(ISR)和一個推遲過程調用(DPC)例程。

為了使同步位置檢測卡能夠被Win32 用戶訪問，在Windows 2000 系統里，同步位置檢測卡的驅動程序使硬件設備像一個文件，對其的操作像是對文件的操作。用戶態應用程序使用Win32 函數CreateFile 訪問驅動程序。使用CreateFile 訪問一個文件的時候，需要知道具體文件的名稱，因此，訪問驅動程序的時候，也必然要有一個唯一設備名稱以供函數調用。這個唯一的設備名稱就是該設備的符號鏈接名。每個設備使一個定義的應用程序編程接口(API)可用，全局唯一標識符(GUID)用于標示這個接口。應用程序為了訪問位置檢測卡，必須首先得到卡的接口名，取得該設備對象的句柄。在取得了同步位置檢測卡的設備句柄以后，就像訪問普通的文件一樣，可以調用Win32 API 函數訪問設備，實現I/O 操作。完成操作以后，要調用CloseHandle 關閉句柄。

7 結論

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

(2)設計了位置檢測卡硬件線路。首先根據功能要求，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行了布線。

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