單片機與mpc006運動控制模塊組成的三軸運動控制系統(tǒng)

摘要：采用單片機stc89C2051和mpc006微型運動控制模塊作為控制系統(tǒng)的核心，控制三路步進電機做運動實驗。單片機發(fā)送指令給mpc006微型運動控制模塊，模塊信號輸出給步進驅(qū)動器作高速度運動?？梢远c運動，直線插補和圓弧插補。

1．引言

運動控制的應用在國內(nèi)已有十幾年的歷史，技術(shù)也相當成熟。通常運動控制都需要用到運動控制卡，運動控制器等產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品價格高昂，使用復雜，也不適合由單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)。而如果直接采用單片機來做運動控制，由于運動控制對系統(tǒng)性能要求非常高，單片機速度資源有限，難以設(shè)計出性能優(yōu)良的運動控制模型。因此，本文采用單片機和專業(yè)的mpc006微型運動控制模塊構(gòu)成運動控制系統(tǒng)。

MPC006微型運動控制模塊采用新型FPGA設(shè)計，集成實用運動控制功能，可與普通單片機通過串口通訊對步進電機和伺服電機控制。具有如下特點：

◆   串口通訊，僅需使用幾條指令，簡單可靠。

◆   單模塊最高六軸輸出，多個模塊組網(wǎng)工作可達120軸。

◆   最大脈沖輸出頻率為2MHz，脈沖輸出使用脈沖+方向方式。

◆   最高六軸獨立運動控制，任意兩軸直線插補，任意兩軸圓弧插補。

◆   每軸一路硬件回原點。

◆   模塊帶1000級指令緩存深度，指令先進先出。

◆  模塊體積小巧，僅3.5*2.5*1.5cm,雙排直插30腳。

2，系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：

1. 單片機部分

單片機與模塊只需三根線連接，用作串口通訊的RXD和TXD，用作模塊緩存滿輸出的BUSY信號。P3.7引出一按鍵作為測試使用。

1. mpc006微型運動控制模塊部分

mpc006微型運動控制模塊采用5V電源供電，ＲＸＤ，TXD，BUSY與單片機連接。X0，X1，X2可作為三路電機的原點信號，P1，D1為1軸的脈沖和方向信號。P2，D2為2軸的脈沖和方向信號。P3，D3為3軸的脈沖和方向信號。

（3）原點信號輸入部分

原點采用光藕隔離輸入，輸入端可接NPN型光電開關(guān)來作為原點信號。

1. 信號輸出部分

輸出采用NPN晶體管極電極開路輸出，分別接到電機驅(qū)動器脈沖和方向信號輸入端。

3，系統(tǒng)軟件設(shè)計

MPC006微型運動控制模塊與單片機串口通訊速率為115200bps,數(shù)據(jù)位為8位，停止位0位，無校驗。使用函數(shù)前先設(shè)置好單片機的串口功能，并將需要用到的函數(shù)的原型拷貝到當前程序內(nèi)。

試驗程序如下：

#include <reg52.h>

//-----STC89C2051-------

sfr IPH           =0XB7;        

sfr   CCON     =0XD8;

sfr   CMOD    =0XD9;

sfr   CL          =0XE9;

sfr   CH          =0XF9;

sfr   CCAP0L  =0XEA;

sfr   CCAP0H =0XFA;

sfr   CCAPM0 =0XDA;

sfr   CCAPM1 =0XDB;

sfr P3M1= 0XB1;

sfr P3M0= 0XB2;

sfr P1M1= 0X91;

sfr P1M0= 0X92;

sfr WAKE_CLKO= 0X8f;

sfr BRT     =0x9c;

sfr AUXR     =0x8E;

sfr AUXR1   = 0xA2;  

sfr WDT_CONTR = 0xc1;        

sfr T2MOD  = 0xC9;          

//////////////////

sbit busy = P3^2;

sbit s1     =     P3^7;

void initial()

{

      P3M1 = 0x00;

      P3M0 = 0x80;

      P1M1 = 0x00;

      P1M0 = 0xf9;                                  

}

void init_uart()

{

  PCON &= 0x7f;  //波特率不倍速

  SCON = 0x50;  //8位數(shù)據(jù),可變波特率

  BRT = 0xFD;      //設(shè)定獨立波特率發(fā)生器重裝值 波特率115200bps

  AUXR |= 0x04;  //獨立波特率發(fā)生器時鐘為Fosc,即1T

  AUXR |= 0x01;  //串口1選擇獨立波特率發(fā)生器為波特率發(fā)生器

  AUXR |= 0x10;  //啟動獨立波特率發(fā)生器

}

/*

串口發(fā)送一個字節(jié)，需根據(jù)所使用的單片機作適當更改。

*/

void USART_Txbyte(unsigned char i)

{

   SBUF   =   i;

   while(TI ==0); //等待發(fā)送完成

   TI     =   0;  //清零串口發(fā)送完成中斷請求標志

}

/*

串口接收模塊返回的10個字節(jié)數(shù)據(jù)，需根據(jù)所使用的單片機作適當更改。

*/

void receive(unsigned char *buf)

{

unsigned char i;

for(i=0;i<10;i++)

  {

  while(RI==0);

    RI=0;

  buf[i]=SBUF;

  }

}

/*

串口發(fā)送一串數(shù)據(jù)。

*/

void USRAT_transmit(unsigned char *fdata,unsigned char len)

{

  unsigned char i;                                                                          

            

  for(i=0;i<len;i++)

  {

     USART_Txbyte(fdata[i]);      

  }

}  

/*

函數(shù)名:   inp_move

功能：二軸直線插補

參數(shù)：

cardno    卡號

no1   X軸軸號

no2   Y軸軸號

pulse1,pulse2                       X-Y軸移動的距離,范圍（-8388608~+8388607）

mode  0：相對坐標  1：絕對坐標

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char inp_move(unsigned char cardno,unsigned char no1 ,unsigned char no2 , long pulse1  ,long pulse2 ,unsigned char mode )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x0F;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0x7;

OutByte[4] = no1;

OutByte[5] = no2;

OutByte[6] = pulse1>>24;

OutByte[7] = pulse1 >>16;

OutByte[8] = pulse1>> 8;

OutByte[9] = pulse1;

OutByte[10] = pulse2 >>24;

OutByte[11] = pulse2 >>16;

OutByte[12] = pulse2 >>8;

OutByte[13] = pulse2 ;

OutByte[14] = mode;

OutByte[15] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4]+OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] + \

OutByte[12] +OutByte[13] +OutByte[14];

USRAT_transmit(OutByte,16);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: inp_arc

功能：二軸圓弧插補

參數(shù)：

cardno    卡號

no1         參與插補X軸的軸號

no2         參與插補Y軸的軸號

x,y          圓弧插補的終點位置（相對于起點），范圍（-8388608~+8388607）                    

i,j            圓弧插補的圓心點位置（相對于起點），范圍（-8388608~+8388607）

mode      0：順時針插補   1：逆時針插補

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char inp_arc(unsigned char cardno ,unsigned char no1,unsigned char no2, long X , long y, long i, long j,unsigned char mode )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x17;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0x7;

OutByte[4] = no1;

OutByte[5] = no2;

OutByte[6] = X >>24;

OutByte[7] = X >>16;

OutByte[8] = X >>8;

OutByte[9] = X ;

OutByte[10] = y >>24;

OutByte[11] = y >>16;

OutByte[12] = y >>8;

OutByte[13] = y ;

OutByte[14] = i >>24;

OutByte[15] = i >>16;

OutByte[16] = i >>8;

OutByte[17] = i ;

OutByte[18] = j >>24;

OutByte[19] = j >>16;

OutByte[20] = j >>8;

OutByte[21] = j ;

OutByte[22] = mode;

OutByte[23] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] + \

OutByte[12] +OutByte[13] +OutByte[14] +OutByte[15] +OutByte[16] +OutByte[17] +OutByte[18] +OutByte[19] +OutByte[20] +OutByte[21] +OutByte[22] ;

USRAT_transmit(OutByte,24);  

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名:  set_speed

功能：設(shè)置軸速度

參數(shù)：

cardno    卡號

axis  軸號(1-6)

acc     加速時間（ms）

dec     減速時間（ms）

startv     啟動頻率（*100Hz）

speed      運行頻率（*100Hz）

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char set_speed(unsigned char cardno ,unsigned char axis ,unsigned int acc  ,unsigned int dec  ,unsigned int startv ,unsigned int speed )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0xD;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 1;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = acc >>8;

OutByte[6] = acc ;

OutByte[7] = dec >>8;

OutByte[8] = dec ;

OutByte[9] = startv >>8;

OutByte[10] = startv ;

OutByte[11] = speed >>8;

OutByte[12] = speed ;

OutByte[13] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] +

OutByte[12] ;

USRAT_transmit(OutByte,14);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: set_soft_limit

功能：設(shè)置軸軟件限位

參數(shù)：

cardno    卡號

axis         軸號(1-6)

pulse1            負方向限位脈沖值，范圍（-8388608~0）                          

pulse2            正方向限位脈沖值，范圍（0~+8388607）

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char set_soft_limit(unsigned char cardno ,unsigned char axis ,unsigned char mode, long pulse1 , long pulse2 )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0xE;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x13;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = mode;

OutByte[6] = pulse1 >>24;

OutByte[7] = pulse1 >>16;

OutByte[8] = pulse1 >>8;

OutByte[9] = pulse1 ;

OutByte[10] = pulse2 >>24;

OutByte[11] = pulse2 >>16;

OutByte[12] = pulse2 >>8;

OutByte[13] = pulse2 ;

OutByte[14] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] +

OutByte[12] +OutByte[13] ;

USRAT_transmit(OutByte,15);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: pmove

功能：單軸運行

參數(shù)：

cardno    卡號

axis         軸號(1-6)

pulse      輸出的脈沖數(shù) >0：正方向移動       <0：負方向移動   范圍（-268435455~+268435455）

mode      0：相對位置   1：絕對位置

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char pmove(unsigned char cardno ,unsigned char axis,long pulse , unsigned char mode)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0xA ;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 2       ;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = pulse >>24;

OutByte[6] = pulse >>16;

OutByte[7] = pulse >>8;

OutByte[8] = pulse ;

OutByte[9] = mode ;

OutByte[10] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] ;

USRAT_transmit(OutByte,11);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: wait_delay

功能：等待延時數(shù)

參數(shù)：

cardno    卡號

value     延時量（1-10000）MS

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char wait_delay(unsigned char cardno ,unsigned int value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x6 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0xE ;

OutByte[4] = value >>8;

OutByte[5] = value ;

OutByte[6] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5];

USRAT_transmit(OutByte,7);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名:   set_command_pos

功能： 設(shè)置軸邏輯位置

參數(shù)：

cardno    卡號

axis  軸號(1-6)

pulse      位置脈沖數(shù)，范圍（-268435455~+268435455）

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char set_command_pos(unsigned char cardno ,unsigned char axis, long value )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x9 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x12 ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] = value >>24;

OutByte[6] = value >>16;

OutByte[7] = value >>8;

OutByte[8] = value ;

OutByte[9] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] ;

USRAT_transmit(OutByte,10);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: wait_pulse

功能：等待軸脈沖數(shù)

參數(shù)：

cardno    卡號

axis  軸號(1-6)

pulse      位置脈沖數(shù)，范圍（-268435455~+268435455）

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char wait_pulse(unsigned char cardno ,unsigned char axis, long value )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x9 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x19;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] = value >>24;

OutByte[6] = value >>16;

OutByte[7] = value >>8;

OutByte[8] = value ;

OutByte[9] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] ;

USRAT_transmit(OutByte,10);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: write_bit

功能：寫輸出口狀態(tài)

參數(shù)：

cardno    卡號

number  端口號（0-8）  Y0-Y8

value   狀態(tài)（0,1） 0 輸出低電平   1 輸出高電平

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char write_bit(unsigned char cardno , unsigned char number, unsigned char value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x6  ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 3       ;

OutByte[4] = number;

OutByte[5] = value;

OutByte[6] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] ;

USRAT_transmit(OutByte,7);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: sudden_stop

功能： 軸停止

參數(shù)：

cardno    卡號

axis  停止的軸號（1-6）

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char sudden_stop(unsigned char cardno ,unsigned char axis)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x5;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x17 ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] ;

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: wait_in

功能： 等待輸入口狀態(tài)

參數(shù)：

cardno    卡號

number  端口號（0-6）  X0-X6

value   狀態(tài)（0,1） 0 輸入低電平   1 輸入高電平

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char wait_in( unsigned char cardno, unsigned char number, unsigned char value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x6  ;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0xF  ;

OutByte[4] = number ;

OutByte[5] = value ;

OutByte[6] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5];

USRAT_transmit(OutByte,7);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名: wait_stop

功能：等待軸停止

參數(shù)：

cardno    卡號

axis  需要停止的軸號

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char wait_stop(unsigned char cardno ,unsigned char axis)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 0x5 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 9       ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4];

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函數(shù)名:  get_number

功能：獲取唯一序列號

參數(shù)：

cardno    卡號

返回值： 32位序列號

*/

unsigned long get_number(unsigned char cardno )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x4 ;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0xC ;

OutByte[4] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] ;

USRAT_transmit(OutByte,5);

receive(inbuf);

return (unsigned long)inbuf[4]<<24+(unsigned long)inbuf[5]<<16+(unsigned long)inbuf[6]<<8+(unsigned long)inbuf[7];

}

/*

函數(shù)名: get_status

功能：獲取各軸工作狀態(tài)

參數(shù)：

cardno    卡號

返回值： 8位二進制，1-6位分別代表1-6軸狀態(tài)，0表示停止中，1表示運行中。

*/

unsigned char get_status( unsigned char cardno)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 0x4  ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 5 ;

OutByte[4] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] ;

USRAT_transmit(OutByte,5);

receive(inbuf);

return inbuf[4];

}

/*

函數(shù)名: get_command_pos

功能： 獲取軸邏輯位置

參數(shù)：

cardno    卡號

axis  軸號

返回值：      位置脈沖數(shù)，范圍（-268435455~+268435455）

*/

unsigned long  get_command_pos( unsigned char cardno, unsigned char axis)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 0x5  ;

OutByte[2] = cardno  ;

OutByte[3] = 6       ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] ;

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return (unsigned long)inbuf[5]<<24+(unsigned long)inbuf[6]<<16+(unsigned long)inbuf[7]<<8+(unsigned long)inbuf[8];

}

/*

函數(shù)名: set_cardno

功能：設(shè)置卡號

參數(shù)：

cardno    卡號（1-255）

返回值：

0 失敗           1  成功

*/

unsigned char set_cardno(unsigned char cardno)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 5       ;

OutByte[2] = 0         ;

OutByte[3] = 0xFA ;

OutByte[4] = cardno ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] ;

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return 1;

}

void main(void)

{

  initial();

  init_uart();

  set_cardno(1);                //設(shè)卡號為1

  while(1)

       {

           

       if(!s1)//按鍵按下

         {

          set_speed(1 ,1,1000,1000,10,200);         // 設(shè)1軸速度

       set_speed(1 ,2,1000,1000,10,200);         // 設(shè)2軸速度

       set_speed(1 ,3,1000,1000,10,200);         // 設(shè)3軸速度

        /*1軸回原點*/

        pmove(1,1,-1000000,0);               //  1軸運動

        wait_in(1,0,1);                            //   等待X0為高

        sudden_stop(1,1);                      //      1軸停止

       set_command_pos(1,1,0);            //        設(shè)1軸此時坐標為0

             pmove(1,2,3200,0);                //  2軸運動

             pmove(1,3,-3200,0);               //  3軸運動   

           while(!s1);

         }

     

     

       }

   

}

4，結(jié)束語

單片機和mpc006運動控制模塊構(gòu)成的系統(tǒng)，使單片機徹底地從復雜的運動控制算法中解放出來，單片機只需簡單地使用幾條指令來控制模塊便可完成運動控制，從而能將更多的資源用來參與其它方面的控制，對構(gòu)建一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)具有重大意義。    

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