王曉初，陳科

(廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

全自動IC芯片焊線機又稱超聲波金線邦定機，是一款利用超聲波焊線技術(shù)，在壓力和超聲波能量的共同作用下，用細小的金線連接IC芯片電極與框架上的焊盤，從而實現(xiàn)封裝前芯片(硅片)內(nèi)部引線焊接的機電一體化設(shè)備。而基于PCI總線和MCX314的2塊四軸運動控制卡是這設(shè)備上的運動控制中心，由它控制完成焊頭的Z軸及XY 工作臺上料及下料、焊接等功能部件的運動。

1 運動控制系統(tǒng)的硬件組成

焊線機的運動控制模塊的整個硬件結(jié)構(gòu)為“PC+電機伺服系統(tǒng)”，電機伺服系統(tǒng)主要由控制卡、功率驅(qū)動器、伺服電機、位置和速度檢測傳感器等構(gòu)成。文中主要介紹其中的運動控制卡的設(shè)計，該部分是伺服控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。運動控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 運動控制系統(tǒng)框圖

PCI (Peripheral Component Interconnect，即外圍部件互聯(lián))總線作為一種先進的高性能32/64位局部總線，非常適合于顯示卡、網(wǎng)卡、多功能擴展卡等高速外設(shè)，它已取代原先的ISA 總線的主導(dǎo)地位，成為工業(yè)控制計算機的主流總線。目前實現(xiàn)PCI總線接口的方案有兩種:一是采用可編程邏輯器件實現(xiàn)，二是采用專門的接口芯片實現(xiàn)。采用可編程邏輯器件的優(yōu)點是編程比較靈活，只需要開發(fā)要使用的功能，而不必開發(fā)符合協(xié)議的所有功能，而且這種方法實現(xiàn)的成本比較低廉，但由于PCI總線通信的實現(xiàn)過程比較復(fù)雜，所以實現(xiàn)難度較大，并且設(shè)計周期長。采用專用接口芯片可以降低開發(fā)的難度，而且使用方便可靠，開發(fā)周期短，適用于較大批量生產(chǎn)，文中采用專用的PCI總線接口芯片。

圖2 控制卡結(jié)構(gòu)圖

運動控制卡的PCI總線采用32位的數(shù)據(jù)傳輸方式，并且以插卡的形式嵌入到工業(yè)控制計算機中，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，PCI總線最高工作頻率可達33MHz。PCI接口芯片采用PLX 公司的PCI9052，專用運動控制芯片采用日本諾華公司的MCX314，卡上邏輯功能的實現(xiàn)采用Altera 公司主流的PLD 產(chǎn)品——MAX II系列EPM240T100C5N芯片，運動控制卡與外設(shè)接口均采用光電隔離。

2 運動控制卡的硬件原理設(shè)計

工業(yè)控制計算機通過PCI總線向MCX314 發(fā)送相關(guān)指令實現(xiàn)對電機的運動控制，通過讀取MCX314 特定寄存器中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的監(jiān)控。

2.1 PCI總線接口

在一個PCI應(yīng)用系統(tǒng)中，如果某設(shè)備能夠取得總線控制權(quán)，就稱其為“主設(shè)備”;而被主設(shè)備選中以進行通信的設(shè)備稱為“從設(shè)備”或“目標設(shè)備”，這類設(shè)備沒有總線控制權(quán)限。對于相應(yīng)的接口信號線，通常分為必備的和可選的兩大類。PCI總線接口圖如圖3所示，其中控制卡只作為目標設(shè)備與工控機進行通信，使用47條信號線便可實現(xiàn)PCI總線的電氣規(guī)范，工控機利用這些信號線對PCI 總線進行數(shù)據(jù)、地址和狀態(tài)控制。為了使PCI總線上的信號傳輸有一個較小的傳輸延遲時間，在PCI總線與PCI9052 接線之間加入了驅(qū)動芯片CBTD3384，該芯片為兼容TTL 電平的10位高速總線轉(zhuǎn)換開關(guān)。

圖3 PCI總線接口圖

PCI9052是PLX技術(shù)公司為擴展適配板卡而推出的能提供一種混合的高性能PCI總線目標(從)模式的接口芯片，共有160個引腳，采用QFP/PQFP 封裝，是由PCI BUS接口邏輯、LOCAL BUS接口邏輯、串行EEPROM接口邏輯和內(nèi)部邏輯組成。PCI9052是從模式芯片，要根據(jù)需要正確設(shè)置其EEPROM的參數(shù)，使得系統(tǒng)上電時能正確初始化PCI9052的內(nèi)部寄存器。其中，只有對PCI Configuration Registers 和PCI Local Registers 正確設(shè)定后，才能使計算機上的存儲空間地址和卡上的局部存儲空間地址形成一一映射的關(guān)系，這里所謂的映射就是把一個地址連接到另一個地址。因此，工控機通過訪問PCI 地址空間便可以訪問運動控制卡的局部地址空間，進而正確調(diào)用卡上資源或獲取卡上信息。

2.2 控制卡局部總線與MCX314接口

PCI9052 支持從PCI總線到局部總線的內(nèi)存映射(Memory-mapped)和I/O 映射 (I/O-mapped)的突發(fā)信息傳輸，并且可以實現(xiàn)兩個局部總線中斷到PCI中斷的轉(zhuǎn)換。通過對PCI9052 配置寄存器的設(shè)置，PCI的局部總線可以工作在數(shù)種模式之下，例如C模式、J模式、ISA模式、C/ISA模式等，文中所設(shè)計的局部總線的工作模式為C模式。

專用運動控制芯片MCX314為QFP/PQFP 144 引腳封裝，是一個用于實現(xiàn)4軸運動控制的集成電路。其4軸控制中的4個軸都有相同的功能，并且允許最多3軸聯(lián)動，對于恒速驅(qū)動、線性或S曲線驅(qū)動都有著相同的操作方法，并且它的所有功能都是由特定的寄存器控制，例如命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和配置寄存器等。運動控制卡上局部總線和MCX314的接線框圖如圖4所示。

圖4 局部總線和MCX314 接線框圖

控制卡上實現(xiàn)邏輯控制部分的EPM240T100C5N芯片為QFP/PQFP 100 引腳封裝，并且包含80個通用I/O，內(nèi)核工作電壓為3.3 V。該芯片在卡上需完成的功能分為兩部分，一部分是用以產(chǎn)生MCX314的片選和中斷邏輯，當檢測到MXC314的BUSYN 信號為高電平時，由LA4 和CS0#兩信號譯碼成片選信號CSN，從而可以對MCX314 進行數(shù)據(jù)的讀寫。LINTI1信號的有效電平被配置寄存器設(shè)置為高電平，而INTN的有效電平為低電平，故在INTN 信號端加上一個非門邏輯作為D 觸發(fā)器的上升沿觸發(fā)時鐘，在INTN 有效即從高電平到低電平轉(zhuǎn)換時，D 觸發(fā)器被觸發(fā)，從而使LINT1 高電平有效而向PCI 產(chǎn)生中斷請求;另一部分是用以手動模式下手輪脈沖波形的產(chǎn)生，圖中nEXPP/nEXPM為相應(yīng)脈沖信號。

2.3 MCX314的控制原理

MCX314的脈沖輸出有2個引腳，分別為nPP/PLS 和nPP/DIR，其輸出脈沖有兩種類型:一種是CW/CCW類型，另外一種是Pulse/DIR類型。在CW/CCW模式下，進行正方向驅(qū)動時，驅(qū)動脈沖從nPP輸出;進行負方向驅(qū)動時，驅(qū)動脈沖從nPM輸出。在Pulse/DIR模式下，nPP 負責輸出驅(qū)動脈沖，而nPM 則負責輸出方向信號。輸出脈沖類型的選擇是通過設(shè)置MCX314 內(nèi)部寄存器WR2的D6位來完成的。

MCX314的脈沖輸出接口如圖5所示，MCX314的脈沖輸出引腳nPP/PLS 和nPP/DIR 經(jīng)數(shù)字隔離器ADuM1410 隔離，然后由差分驅(qū)動芯片26LS31輸出差分信號nP+P/nP+N 和nP－P/nP－N，該差動信號連接至伺服電機驅(qū)動器，經(jīng)功率放大，進而驅(qū)動伺服電機。

圖5 脈沖輸出接口

MCX314的通用輸出接口電路圖如圖6所示，MCX314的通用輸出nOUT [7..4]信號，通過光電隔離后經(jīng)達林頓管IC (ULN2803)驅(qū)動輸出，在系統(tǒng)復(fù)位后每個輸出信號均為OFF 狀態(tài)，該通用輸出信號可以用于清除伺服驅(qū)動器的誤差計數(shù)器及警報復(fù)位(Alarm reset)。

圖6 通用輸出接口電路

編碼器的接口電路如圖7所示，編碼器的三相A、/A，B、/B，Z、/Z 六路信號分別連接至nECAP、nECAN、nECBP、nECBN、nINOP、nINON 作為MCX314的輸入，并且在信號輸入端加入高速光電耦合IC (HCPL-M600)將其進行隔離。

圖7 編碼器三相接口電路

報警及到位等信號接口電路如圖8所示，伺服驅(qū)動器的如 nINPOS、nALARM 等信號經(jīng)光耦(LTV-357T)進行隔離后送入MCX314。此光耦隔離IC 用法簡單，響應(yīng)時間短，性能可靠。由于光耦的前端是發(fā)光二極管，最大電流不能超過15 mA，為了使通過光耦前端發(fā)光二極管的電流恒定，在設(shè)計中，除在電路中接入限流電阻外還在相應(yīng)位置反接了穩(wěn)壓二極管。

圖8 報警及到位信號接口電路

控制卡原理圖采用自底向上的設(shè)計方法，設(shè)計完成后共計10個模塊，分別為PCI總線模塊、局部總線模塊、電源模塊、邏輯控制模塊、手動模式模塊、驅(qū)動器接口模塊以及X、Y、Z 及U軸控制模塊，最后由此10個模塊綜合成包含輸入輸出互聯(lián)的方塊電路圖。

3 運動控制卡的PCB設(shè)計

原理圖設(shè)計完成并編譯成功后便可生成網(wǎng)絡(luò)表，然后進行PCB的設(shè)計。從EMC (電磁兼容)設(shè)計的角度出發(fā)，PCB 板的EMC設(shè)計是EMC系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，而PCB 板EMC設(shè)計的開始階段就是層的設(shè)置，層設(shè)計形式的不合理，就可能產(chǎn)生諸多的噪聲而形成EMI 干擾和自身的EMC 問題，所以合理的層布局與電路設(shè)計同樣重要。

運動控制卡中包含4種電源模塊，分別為外部輸入的+24 V (用于外部開關(guān)量的電源輸入)、PCI 插槽提供的+5 V、及由此5 V 經(jīng)2個DC-DC轉(zhuǎn)換器電源模塊轉(zhuǎn)換而來的3.3 V 和5 V，2個DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器分別采用AMS 公司的AMS117_3.3 和MINMAX的MAU250系列。板卡中地系統(tǒng)有2個，由電源模塊MAU250 隔離。板卡系統(tǒng)中主控制芯片MCX314的工作頻率為16 MHz，32位PCI總線時鐘頻率最高達33 MHz，此兩種工作頻率尚未達到高速信號的范疇。但考慮到板上電路復(fù)雜、電源種類多樣、布線空間小、布線密度大的實際情況，最后采用六層板設(shè)計，并且采用0.152 4 mm/0.152 4 mm的最小線寬/間距布線。在如表1所示(注:S 代表信號層，G 代表地層，P代表電源層)的6層設(shè)計中的4種疊層方案中選擇方案3，因為該方案中信號層與地層相鄰，平板電容大，有利于電源去耦。另外，信號層與地層相鄰，能保證信號有充分的回流面積。

表1 六層板疊層方案

各種多層板卡，中間層的添加方法分為兩種，一種是Add Plane (添加電源層、地層)，另一種是Add Layer (添加信號層)。Plane層是不能走信號線的，只能敷銅，可以分割，而且在分割的過程中，一種電源是不能被另一種電源完全包圍。中間所添加信號層就像頂層底層一樣是可以用來布線的，其所畫的線就代表一條條的銅線。內(nèi)電層和信號層相反，它畫線的地方就代表沒有銅線，相當于說如果這一層沒有布線的話，那就說明這一層就是整塊的銅皮。所設(shè)計的運動卡中，2、4、5 三層采用了Add Plane方法，并且每層都分割為兩大部分，隔離線寬為2.032 mm，第3層為中間信號層，這層承擔了大部分信號走線。

4 結(jié)束語

基于PCI總線的運動控制卡種類繁多，觀其結(jié)構(gòu)，有“FPGA+DSP”和“PCI接口芯片+DSP”等模式。焊線機中的運動控制板卡采用“PCI9052+MCX314”模式設(shè)計，設(shè)計完成后的板卡配合相應(yīng)軟件經(jīng)調(diào)試后，已成功應(yīng)用于廣州科技攻關(guān)項目——全自動IC芯片焊線機。

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