1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于 DSP+PIC32 构架的五轴数控单元设计 硬件设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本课题设计了一种五轴数控单元，能产生 5 路独立的步进电机驱动器控制信号。核心芯片由 Microchip公司的 PIC32mx795F512L、 dsPIC33FJ64mc802和 Xilinx公司的 XC3S400 组成。 PIC32 为主控制器， FPGA 实现接口扩展、电机驱动信号输出， dsPIC 做电机的插补计算。人机界面包括 800x600,24 位色触摸屏，旋转编码器，数据直接由触
2、摸屏按键或者旋转编码器输入。外围器件包括 Nor Flash、Sram、 Max3232、 Max485 串口通信芯片， DP83848C 以太物理层转换芯片等，可以实现以太网， USB-OTG 等功能。 关键词 ： PIC32,FPGA,dsPIC,步 进电机 II DSP+PIC32 architecture based on five-axis numerical control unit design the hardware design can Abstract This project designed a five-axis CNC, which can produce 5-w
3、ay independent stepper motor driver control signal. The core chips include Microchips PIC32mx795F512L, dsPIC33FJ64mc802 and Xilinxs XC3S400. PIC32 is the main controller, FPGA realization of interface expansion, the motor drive signal output and dsPIC do motor interpolation calculations. Man-machine
4、 interface, including 800x600, 24 bit color touch screen, rotary encoders. Data directly from the touch-screen buttons or the rotary encoder input. Peripheral devices, including Nor Flash, Sram, Max3232, Max485 serial communication chips, DP83848C Ethernet physical layer conversion chips can be Ethe
5、rnet, USB-OTG functions. Keywords: PIC32, FPGA, dsPIC, Stepper motor III 目录 基于 DSP+PIC32 构架的五轴数控单元设计 硬件设计 . I 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 国内外多轴数控发展现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 4 2 总体设计 简介 . 5 2.1 数控单元整体方案设计图 . 5 2.2 方案比较 . 5 2.3 五轴数控单元整体总体设计 . 6 3 总体方案实现与各模块分析 . 8 3.1 总体
6、方案的实现 . 8 3.2 各模块分析以及注意事项 . 9 3.2.1PIC32 电路 . 9 3.2.2 FPGA 模块 . 11 3.2.3 dsPIC 模块 . 13 3.2.4 串口通信模块 . 14 3.2.5 Sram 与 Flash 模块 . 16 3.2.6 人机界面： . 18 3.2.7 以太与 USB 控制电路 . 20 3.2.8 电机驱动模块 . 24 4、测试结果与演示 . 26 4.1 硬件测试结果： . 26 4.1.1 硬件测试 . 26 4.1.2 频率测试 . 27 4.2 演示软件流程图 . 28 4.3 演示说明 . 29 结论 . 30 参考文献 .
7、 31 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 32 1 1 绪论 1.1 课题的来源 现代工业自动化系统，现代科学技术和现代军事装备中，控制电机已经成为不可或缺的元件。它的应用范围十分广泛，比如舰船方向舵的自动操纵，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、医疗设备、自动记录仪表、电子计算机、录音录像设备的自动控制系统。 对于简单的电机系统，只需单独控制电机的运动，例如阀门的遥控。而对于大型系统，则需要几个 电机的协调工作。一般而言，多轴联动的电机数量越多，能够完成的工作越复杂，但控制难度也越大。 4 传统的多轴电机控制单元都是基于计算机数控技术。近年来
8、，随着嵌入式系统的高速发展，基于灵活性强，高效高性能的数字信号处理器（ DSP）的运动控制器已经出现，需要大量实时计算的先进电机控制系统已经成功地在 DSP控制器上实现了。 在这种契机下，本小组动用现有的资源与技术，拟定设计一种简单的基于DSP+PIC32 构架的五轴数控单元。 1.2 课题的意义 当今数控技术以计算机数控技术 (CNC， Computer Numerical Contr01)为主。计算机数控技术是在硬件数控的基础上发展起来的机床控制技术。整个系统包括计算机、现代控制、微电子、传感检测、机械制造、信息处理和网络通信等技术。 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式
9、计算机为核心的嵌入式系统是继 IT 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式技术（ Embedded Technology） ，其最大的特点是单片化，与计算机相比，体积大大减小，功耗和成本下降，可靠性提高。以 8 位单片机 (或微控制器， MCU)为核心的嵌入式系统早已广泛应用在各个领域，但还不足 以发挥单片机的全部优势，其特点是以 MCU 为核心，与一些简单的传感器及伺服控制、监测、指示和显示等设备配合，实现一定的测量、显示、信息处理及控制等功能。 单片机的功能强大，从信号采集、处理到传输都可以通过单片机来完成。但是，随着网络时代的来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算2 能力
10、，比如音频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面等。普通单片机越来越不能满足需求，开发工作也变得越来越复杂。随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而技术又大大完善， 32 位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的 主流。 4 工业控制操作系统需要严格的实时处理功能，良好的可靠性和开放性，对人机界面、开发环境、可操作性、成本等也有特别的要求。而嵌入式系统正好符合这一要求，在工业控制中体现了以下的优点： 1、实时性。 2、可靠性。 3、良好的人机界面。 4、开放性。 5、开发成本和开发环境。 随着 32 位嵌入式 CPU 价格的下降和性能指标的提高，嵌入式硬件平台不断的完善和发展，
11、嵌入式操作系统的升级和优化，技术支持的不断拓宽，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能，因此嵌入式系统在工业控制领域有着很好的应用前景。 本课题旨在通过方 法创新，在充分研究和学习嵌入式系统技术和多轴联动数控系统控制技术的基础上，将两者加以结合，配合改进的控制算法，设计一种开放式的、响应时间短、控制精度高，同时成本低廉、适应于各种应用场合的小型多轴数控控制卡。 1.3 国内外多轴数控发展现状 多轴自动车床已有 100 多年的历史，而成功地用于生产中则以 1893 年美国阿科美（ ACME ）公司的第一台四轴车床为开端。虽然该车床比较粗糙，但设计新颖，基本上是完善的。 进入 90 年代，多轴车床有了突
12、破性的进展，主要是应用了计算机数控技术。计算机数控多轴车床有很高的 柔性可适应各种复杂零件、不同批量的加工，特别是中批量生产。另外数控多轴车采用伺服电机驱动各刀架可根据零件加下尺寸误差进行刀具补偿，可获得高加工精度。所以，发展数控多轴车床是车床发展的主要趋势。 今天在多轴机床上应用数控技术已经是非常普遍了，而且数控机床的主轴结构形式也多种多样。其中比较典型也比较普遍被应用的就是双主轴车削加工中心，可同时加工两个工件，成倍提高了加工效率。欧洲主要机床企业都开发了此类产品，形式各异，基本上都在 3 轴控制以上，最多的达到 6 轴控制， 53 轴联动。机床采用双刀库、双换刀机构， Z 轴大多采 用滑
13、枕移动式，提高了移动速度和加速度，大多可以各自控制两个主轴移动。大致上在欧洲双主轴车削中心可以分为卧式和立式两类。 其中卧式双主轴车削中心比较典型的代表就是：意大利 RIELL0 集团双主轴滑枕移动式卧式加工中。机床采用上下主轴布置和交换托盘，按用户需求可以在左侧配置另一台双主轴、双托盘，成为两台加工中心组成的机床，所以被称为加工中心平台。机床两个主轴套可分别独自沿 Z 轴移动，上下主轴的刀库和换刀机构分别在机床一侧上下方，托盘和工作台可以在立柱上进行上下运动Y 轴和 B 轴运动，立柱在床身上进行 X 轴运动 。其结构布置和托盘结构如图1.3b 所示 7 。 图 1.3（ a）机床结构布置 （
14、 b）交换托盘结构 立式车削中心的典型代表是：德国 CHIRON 公司 DF12KW 双主轴高速立式加工中心。机床双主轴座沿床身立柱进行 Z 轴运动，工作台交换是绕垂直轴回转 180，交换时间 1.9s。如需要可以选择直线电机高速驱动， NC 转台和摆动回转工作台。其外观如图 1.3c 所示 图 1.3（ c） 立式双主轴数控车床 六主轴的多轴自动车床应以 TORNOS 公司产品为代表。 TORNOS 公司的MultiDECO 32/6C 型多轴车床的外观如图 1.3d 所示： 4 图 1.3（ d） MultiDECO 32/6C 型多轴数控车床 1.4 课题研究的主要内容 本项目拟设计一种
15、 PIC32+DSP 构架的五轴数控控制单元，能输出五路独立的步进电机驱动信号，大屏幕液晶屏触摸控制，基于知识的设计界面。 设计内容： 1、基于 PIC32 微处理器设计； 2、数控原理的学习和插值等控制算法的实现； 3、学习 dsPIC 的工作原理学，设计其电路； 4、 X3S400 FPGA的电路设计，利用 FPGA 实现 PWM 输出和功能扩展； 5、添加 USB 通 信功能；6、添加以太网电路功能。 本课题是一个实战课题，需要设计出完整原理图与 PCB 图，并实际做出PCB 电路板并调试成功。 5 2 总体设计简介 2.1 数控单元整体方案设计图 图 2.1 数控单元总体设计方案 2.
16、2 方案比较 1、 DSP 芯片选择 方案一： 选择 TI 公司的 TMS320C2812。优点： 专 业 电动机控制的 DSP芯片 ， 内部结构为哈佛结构，三级流水线作业 ， 是应用于控制领域的 经典 DSP，高 运算能力和面向电动机的高效控制能力集于一体，轻松将复杂的控制策略实现。 缺点：价格较高，可实现能力较差。 方 案二： Microchip 生产的 dsPIC 系列单片机，它主要针对电机控制，是一种将单片机的特征和数字信号处理器（ DSP）的能力结合在一起的器件。优点：在异步事件的处理能力、精密仿真、开发环境以及外围部件等方面都表现出 DSP强大的性能，而且价格低。缺点：运算能力相较
17、于 2812 弱。 本系统不需要做大量的运算，从成本和可实现角度考虑，选择方案二。 2、人机界面的选择： 方案一：液晶屏选择工业标准 320x240 屏，优点：它应用非常广泛，性能稳定，案例较多，价格低廉。缺点：编程较复杂，对于实现复杂的界面，需要花费大量时 间。 方 案 二 ： 串 口 触 摸 屏 ： 本 设 计 采 用 迪 文 科 技 的 串 口 触 摸 屏DMG80600S104_01WT 作 为 人 机 界 面 显 示 端 与 控 制 端 。 优 点 ：DMG80600S104_01WT 是一种 10.4 寸， 800x600 分辨率， 24 位的串口触摸屏，6 配备 4 线电阻式触摸
18、屏，相较于普通的黑白屏，尺寸大，显示华丽，界面编程相对简单。缺点：价格高。 从产品的定位考虑，决定选择方案二。 3、 USB 控制的选择： 设计的计划中，需要用到 USB 进行通信，包括 U 盘读写（做主机），与 PC机的 USB 通信（做从机）。 方案一： USB-OTG 方式，用 PIC32 内部 的 USB-OTG 外设，在此基础上，设计 USB 电路。 优点：可节省很多硬件资源，软硬件设计简单。缺点：需要用到 USB-OTG线，用户体验较差。 方案二：在 OTG 的思路上引出 2 种 USB 端口。优点：操作简单。缺点：同时连接 2 个 USB 口，将造成混乱！ 方案三：用 2 套 U
19、SB 设备。优点 :可以同时完成 2 项功能。缺点 :设计难度和设计成本增加。 经过可行性等分析，决定选用 USB-OTG 方式作控制。 2.3 五轴数控单元整体总体设计 （ 1） 总体设计的内容 PIC32 为核心控制单元，人机互动，串口通信，以太网， USB-OTG 等外围均由它直接控制。 FPGA通过 8根数据线和 31根控制线与 PIC32进行通讯。 Sram，Flash， dsPIC 等通过 FPGA,由 PIC32 间接控制。 dsPIC 主要用做数字信号处理，以提高整个系统的运算能力。 PWM 等电机控制信号，由 PIC32 控制， FPGA 分频计数后输出，控制外部电机驱动器。
20、另外的一些外部输入输出接口（复位开关、电眼、颜色、离合、刹车等信号）架在 FPGA 上，由 FPGA 或者 PIC32 控制。 （ 2） 各模块简介 核心控制芯片：核心芯片选用 Microchip 公司的 PIC32mx795F512L，它属于 32 位高性能 RISC CPU，带 5 级流水线的 32 位 MIPS32 内核，运行速度快，内部集成多种必须的外围资源。 串口通信：采用 Maxim 公司的 Max3232 与 Max3485，他们各自都是符合RS-232 和 RS-485 的标准串口通信协议的器件。 人机界面：人机界面主要由 2 部分组成，一是带触摸屏功能的彩色液晶屏，还有就是带按键功能的旋转编码器。 以太控制电路： PIC32mx795F512L 自带的以太网 MAC 与 NS 公司的以太物理层转换芯片 DP83848C 连接，经过带变压器 RJ45 HR911105A 口输出。
