论文部分内容阅读
摘 要：为了减小外国芯片的依赖程度，扩展国产芯片的使用范围，本文以国产CMC芯片为控制核心，在ST语言开发软件下开发的运动控制系统技术，是围绕国产CMC芯片研发运动控制系统的设计思想提出的，最终能实现运动控制功能。
关键词：CMC； 运动控制； 国产芯片
Research and Application of Motion Control Module Based on CMC
Abstract： In order to reduce the dependence of foreign chips， expand the scope of domestic chip， this paper takes the domestic CMC chip as the core， and develops the motion control system technology in ST language. It is the design idea of the system of the domestic CMC chip.
Keywords： CMC； Motion control； Domestic chip
1. 引言
全球半导体市场规模达3200亿美元，全球54%的芯片都出口到中国，但国产芯片的市场份额只占10%。全球77%的手机是中国制造，但其中不到3%的手机芯片是国产的。我国芯片产业长期被国外厂商控制，不仅每年进口需要消耗2000多亿美元外汇，超过了石油和大宗商品，是第一大进口商品。而且，受制于人的技术设备直接制约了我国产业的发展[1]。我国芯片产业一直发展缓慢，尤其在C PU方面几乎一片空白，这意味着我国制造业处于国外的控制之下，很难打破已形成的垄断，国内工业一旦用上“外国芯”将会形成长期依赖，要超越国外企业，必须使用国产芯片。
计算机数控（CNC）是本世纪 70 年代发展起来的控制新技术。它综合了计算机、自动控制、测量技术、机械制造等领域的最新成就，数控技术的先进与否直接代表了一个国家的机械工业水平。
1.1 数控系统的发展及国内外现状
目前一种新型的结构为运动控制器+PC，即采用以 PC 为硬件平台的数控系统。其中最主要的部件是计算机和控制运动的控制器。控制器本身具有CPU，同时开放包括通信端口、结构在内的大部分地址空间，辅以通用的 DLL 同 PC 结合得最为紧密。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资料，目前已达到远程控制等先进水平[2]。
1.2 国产芯片CMC介绍
CMC芯片是将组态处理、程序存储、信号输入输出、控制算法、通讯接口等全部集成在一個芯片中的产品，实现的主要功能可以简述为：片内逻辑控制和运动控制，程序处理及调度管理，数字量信号处理，多种数据接口通信。使用芯片的组态软件进行逻辑控制程序和运动控制程序的编程，将编写的程序下载到芯片的片内存储器中。根据用户的程序，对输入的各种信号（包括从通信接口传入的信号）进行处理运算， 并进行相应的信号输出。逻辑控制主要包括对上层用户编写并经过编译的逻辑控制程序进行执行处理。运动控制主要包括对上层用户编写并经过编译的运动控制程序（如 G 代码）进行执行处理。数字量处理主要包括开关信号、频率信号处理，脉冲信号输入输出，PWM 输出，正交编码器输入等。芯片集成了 Flash、SRAM、通用定时器、PLL、实时钟，以及以太网 MAC、UART、CAN、SPI、I2C 等多种通信接口。
2 运动控制模块概述
2.1 CMC芯片详细参数介绍
主控芯片选用浙大中控研发的CMC运动控制芯片。CMC芯片包括基本GPIO、测试功能、以太网 MAC 、外部中断功能、脉冲输入输出PIPO、运动控制、串口通信、I2C通信、SPI 通信、CAN 通信、实时钟、电源等功能。芯片具有一个外部高速时钟 （2～15MHz） 输入接口、 一个外部 32.768KHz 时钟输入接口，分别作为系统输入时钟，RTC 输入时钟。外部输入时钟皆为有源晶振。通过芯片内 PLL 可将系统输入时钟进行倍频，倍频后的系统时钟可达 24～100MHz。PLL上电后默认为 bypass 模式，即外部时钟直接输入，不经过 PLL 倍频。上电后，PLL 复位时间至少需要 5us，稳定时间需要 100us。配置系统时钟的步骤如下：1、配置 PLL；2、使系统进入停止模式；3、唤醒系统进入工作模式；4、完成配置。CMC芯片有 4 种工作模式，分别为运行模式、等待模式、休眠模式和停止模式。片内包含512KBytes FLASH，共有 4个完全相同的但是分别独立编程的定时器。定时器在设定了预定值后，开始进行自减操作，直到减至 0，则停止减数操作并送出中断信号。芯片包含脉冲输入输出/计数器，由 4 个 16 位自动装载高级计数器构成，它适用于多种场合，包括测量输入信号的脉冲长度、脉冲个数；或者产生输出波形。GPIO共有64 个 GPIO 口通用输入输出端口，每个端口的默认状态为悬空，用户可以根据需求配置成输入，输出或者高阻。支持 5 种复位方式，分别为上电复位、软件复位、看门狗复位、外部复位和 JTAG。其逻辑控制主要实现对基于 IEC61131-3 的逻辑控制任务的调度和逻辑控制程序的执行处理。芯片采用 LQFP（Low-profile Quad Flat Package）薄型四方扁平式封装，本体尺寸为28×28×1.4mm，管脚间距为 0.5mm。
2.2 运动控制模块简介
运动控制模块是基于10/100M以太网的通用型运动控制器，可支持多个控制器和PC组成控制网络，应用于各种需要独立运行的场合。此运动控制模块基于CMC芯片的硬件结构，插补算法、脉冲信号的产生及加速和减速控制、I/O信号的检测处理，均由硬件和固件实现，确保了运动控制高速、高精度及系统稳定。该系列控制器最多可控制4个步进或伺服电机，具有曲线速度控制、多轴直线插补、两轴圆弧插补、连续曲线插补等高级功能。通过简单的编程即可开发出稳定可靠的高性能连续轨迹运动控制系统。 CMC运动控制模块除了电机控制端口外，还提供了丰富的I/O 接口和通讯接口，包括64路扩展I/O接口、4路16位高精度A/D、 D/A接口、MCP键盘、PWM输出、编码器接口、手摇脉冲发生器接口、网络接口、串行口、CAN接口。用户可通过网口与PC机通信；可以通过串口连接其它设备，如：HMI触摸屏。
CMC运动控制模块通过四路脉冲输出接口控制伺服电机实现主机要求的运动。运动控制器是由主机发送的運动控制命令驱动其工作的。运动控制器提供 ST语言函数库，实现主机与运动控制器的通讯。用户通过主机程序调用相应的库函数，将运动控制器相关参数和运动轨迹描述传递给运动控制器，也就是发出运动控制命令，运动控制器将根据主机的要求，自动完成轨迹规划、安全检测、采样刷新等复杂运算和操作。计算结果转换成脉冲控制电机运动。
运动控制器还提供四路伺服电机驱动器报警信号（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器使能信号（每轴一路）输出，四路伺服电机驱动器复位信号（每轴一路）输出以及三十二路通用数字量输出接口、三十二路通用数字量输入接口。实现复杂灵活的运动控制[4]。
2.3 CMC运动控制模块电源与时钟拓扑结构
CMC通过一个10MHz的有源晶振提供时钟信号，网络PHY芯片由25MHz的有源晶振提供时钟信号。IMP811芯片提供整体复位信号，低电平有效。
模块电源由外部24V开关电源提供，通过TPS54383芯片转换成3.3V和5.3V电源，5.3V电压通过高抑制比的TPS7A8101芯片转换为5.0V电压，为AD、DA提供纯净电源。通过NCV1117DT18T5G将5V将为1.8VCMC内核电压。通过NCP1403SNTxG将5V升压、降压为±15V电压，提供偏置电压。
3 CMC运动控制模块测试
在组态软件中通过调用单轴控制模块，配置相应参数，可以控制电机转速、方向等参数，观察电机输出状态变化；
1. 使用功能块控制电机运动经测试可以实现电机速度、加速度、方向、启停等参数或状态控制，可以用该功能块配合手摇使用实现手摇运动控制模式或者配合键盘使用实现点动功能。
2. 使用G代码进行电机控制，经测试能够实现电机的运动控制，速度、方向、脉冲数都能按照G代码的运动参数执行。
4 小结
因国产CMC芯片还是初级阶段，功能还有所不足，芯片封装大，之后会增加更多功能，采用GBA封装，缩小芯片尺寸，降低功耗，附加自有知识产权，降低成本，增加产品竞争力。
参考文献
[1] 刘国政芯片超石油成我国第一大进口商品[N]. 经济参考报
[2] 罗云山. PLC在制造业产品自动化检验中的应用[J].装备应用与研究
[3] 张红岩. 基于运动控制卡的开放式数控系统的开发[D]. 长安大学
[4] 刘汉忠周伯荣李宏胜. 简易单轴运动控制器的设计[J].制造业自动化
致谢
感谢基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）“基于CMC的装备数控系统的研制与应用”课题（课题编号：2012AA041706），对本文的支持。
关键词：CMC； 运动控制； 国产芯片
Research and Application of Motion Control Module Based on CMC
Abstract： In order to reduce the dependence of foreign chips， expand the scope of domestic chip， this paper takes the domestic CMC chip as the core， and develops the motion control system technology in ST language. It is the design idea of the system of the domestic CMC chip.
Keywords： CMC； Motion control； Domestic chip
1. 引言
全球半导体市场规模达3200亿美元，全球54%的芯片都出口到中国，但国产芯片的市场份额只占10%。全球77%的手机是中国制造，但其中不到3%的手机芯片是国产的。我国芯片产业长期被国外厂商控制，不仅每年进口需要消耗2000多亿美元外汇，超过了石油和大宗商品，是第一大进口商品。而且，受制于人的技术设备直接制约了我国产业的发展[1]。我国芯片产业一直发展缓慢，尤其在C PU方面几乎一片空白，这意味着我国制造业处于国外的控制之下，很难打破已形成的垄断，国内工业一旦用上“外国芯”将会形成长期依赖，要超越国外企业，必须使用国产芯片。
计算机数控（CNC）是本世纪 70 年代发展起来的控制新技术。它综合了计算机、自动控制、测量技术、机械制造等领域的最新成就，数控技术的先进与否直接代表了一个国家的机械工业水平。
1.1 数控系统的发展及国内外现状
目前一种新型的结构为运动控制器+PC，即采用以 PC 为硬件平台的数控系统。其中最主要的部件是计算机和控制运动的控制器。控制器本身具有CPU，同时开放包括通信端口、结构在内的大部分地址空间，辅以通用的 DLL 同 PC 结合得最为紧密。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资料，目前已达到远程控制等先进水平[2]。
1.2 国产芯片CMC介绍
CMC芯片是将组态处理、程序存储、信号输入输出、控制算法、通讯接口等全部集成在一個芯片中的产品，实现的主要功能可以简述为：片内逻辑控制和运动控制，程序处理及调度管理，数字量信号处理，多种数据接口通信。使用芯片的组态软件进行逻辑控制程序和运动控制程序的编程，将编写的程序下载到芯片的片内存储器中。根据用户的程序，对输入的各种信号（包括从通信接口传入的信号）进行处理运算， 并进行相应的信号输出。逻辑控制主要包括对上层用户编写并经过编译的逻辑控制程序进行执行处理。运动控制主要包括对上层用户编写并经过编译的运动控制程序（如 G 代码）进行执行处理。数字量处理主要包括开关信号、频率信号处理，脉冲信号输入输出，PWM 输出，正交编码器输入等。芯片集成了 Flash、SRAM、通用定时器、PLL、实时钟，以及以太网 MAC、UART、CAN、SPI、I2C 等多种通信接口。
2 运动控制模块概述
2.1 CMC芯片详细参数介绍
主控芯片选用浙大中控研发的CMC运动控制芯片。CMC芯片包括基本GPIO、测试功能、以太网 MAC 、外部中断功能、脉冲输入输出PIPO、运动控制、串口通信、I2C通信、SPI 通信、CAN 通信、实时钟、电源等功能。芯片具有一个外部高速时钟 （2～15MHz） 输入接口、 一个外部 32.768KHz 时钟输入接口，分别作为系统输入时钟，RTC 输入时钟。外部输入时钟皆为有源晶振。通过芯片内 PLL 可将系统输入时钟进行倍频，倍频后的系统时钟可达 24～100MHz。PLL上电后默认为 bypass 模式，即外部时钟直接输入，不经过 PLL 倍频。上电后，PLL 复位时间至少需要 5us，稳定时间需要 100us。配置系统时钟的步骤如下：1、配置 PLL；2、使系统进入停止模式；3、唤醒系统进入工作模式；4、完成配置。CMC芯片有 4 种工作模式，分别为运行模式、等待模式、休眠模式和停止模式。片内包含512KBytes FLASH，共有 4个完全相同的但是分别独立编程的定时器。定时器在设定了预定值后，开始进行自减操作，直到减至 0，则停止减数操作并送出中断信号。芯片包含脉冲输入输出/计数器，由 4 个 16 位自动装载高级计数器构成，它适用于多种场合，包括测量输入信号的脉冲长度、脉冲个数；或者产生输出波形。GPIO共有64 个 GPIO 口通用输入输出端口，每个端口的默认状态为悬空，用户可以根据需求配置成输入，输出或者高阻。支持 5 种复位方式，分别为上电复位、软件复位、看门狗复位、外部复位和 JTAG。其逻辑控制主要实现对基于 IEC61131-3 的逻辑控制任务的调度和逻辑控制程序的执行处理。芯片采用 LQFP（Low-profile Quad Flat Package）薄型四方扁平式封装，本体尺寸为28×28×1.4mm，管脚间距为 0.5mm。
2.2 运动控制模块简介
运动控制模块是基于10/100M以太网的通用型运动控制器，可支持多个控制器和PC组成控制网络，应用于各种需要独立运行的场合。此运动控制模块基于CMC芯片的硬件结构，插补算法、脉冲信号的产生及加速和减速控制、I/O信号的检测处理，均由硬件和固件实现，确保了运动控制高速、高精度及系统稳定。该系列控制器最多可控制4个步进或伺服电机，具有曲线速度控制、多轴直线插补、两轴圆弧插补、连续曲线插补等高级功能。通过简单的编程即可开发出稳定可靠的高性能连续轨迹运动控制系统。 CMC运动控制模块除了电机控制端口外，还提供了丰富的I/O 接口和通讯接口，包括64路扩展I/O接口、4路16位高精度A/D、 D/A接口、MCP键盘、PWM输出、编码器接口、手摇脉冲发生器接口、网络接口、串行口、CAN接口。用户可通过网口与PC机通信；可以通过串口连接其它设备，如：HMI触摸屏。
CMC运动控制模块通过四路脉冲输出接口控制伺服电机实现主机要求的运动。运动控制器是由主机发送的運动控制命令驱动其工作的。运动控制器提供 ST语言函数库，实现主机与运动控制器的通讯。用户通过主机程序调用相应的库函数，将运动控制器相关参数和运动轨迹描述传递给运动控制器，也就是发出运动控制命令，运动控制器将根据主机的要求，自动完成轨迹规划、安全检测、采样刷新等复杂运算和操作。计算结果转换成脉冲控制电机运动。
运动控制器还提供四路伺服电机驱动器报警信号（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器使能信号（每轴一路）输出，四路伺服电机驱动器复位信号（每轴一路）输出以及三十二路通用数字量输出接口、三十二路通用数字量输入接口。实现复杂灵活的运动控制[4]。
2.3 CMC运动控制模块电源与时钟拓扑结构
CMC通过一个10MHz的有源晶振提供时钟信号，网络PHY芯片由25MHz的有源晶振提供时钟信号。IMP811芯片提供整体复位信号，低电平有效。
模块电源由外部24V开关电源提供，通过TPS54383芯片转换成3.3V和5.3V电源，5.3V电压通过高抑制比的TPS7A8101芯片转换为5.0V电压，为AD、DA提供纯净电源。通过NCV1117DT18T5G将5V将为1.8VCMC内核电压。通过NCP1403SNTxG将5V升压、降压为±15V电压，提供偏置电压。
3 CMC运动控制模块测试
在组态软件中通过调用单轴控制模块，配置相应参数，可以控制电机转速、方向等参数，观察电机输出状态变化；
1. 使用功能块控制电机运动经测试可以实现电机速度、加速度、方向、启停等参数或状态控制，可以用该功能块配合手摇使用实现手摇运动控制模式或者配合键盘使用实现点动功能。
2. 使用G代码进行电机控制，经测试能够实现电机的运动控制，速度、方向、脉冲数都能按照G代码的运动参数执行。
4 小结
因国产CMC芯片还是初级阶段，功能还有所不足，芯片封装大，之后会增加更多功能，采用GBA封装，缩小芯片尺寸，降低功耗，附加自有知识产权，降低成本，增加产品竞争力。
参考文献
[1] 刘国政芯片超石油成我国第一大进口商品[N]. 经济参考报
[2] 罗云山. PLC在制造业产品自动化检验中的应用[J].装备应用与研究
[3] 张红岩. 基于运动控制卡的开放式数控系统的开发[D]. 长安大学
[4] 刘汉忠周伯荣李宏胜. 简易单轴运动控制器的设计[J].制造业自动化
致谢
感谢基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）“基于CMC的装备数控系统的研制与应用”课题（课题编号：2012AA041706），对本文的支持。