水箱施釉机器人的控制系统设计.doc

目 录
毕业设计说明书
GRADUATE DESIGN
设计题目：水箱施釉机器人的控制系统设计

学生姓名：
专业班级：
学 院：
指导教师：

目　　录
目　　录 I
摘　　要 １
Abstract 2
前言 3
1 MCX314主要功能和工作方式介绍 4
1.1 MCX314内部结构和主要功能特征 4
1.2 MCX314工作方式分析 7
1.3五杆机械手实现直线差补的方法 9
1.3.1位模式差补驱动的速度限制 10
1.3.2位模式差补的终止 10
1.3.3利用停止指令中断差补 10
1.3.4利用硬件限制开关中断差补 11
1.3.5向MCX314的寄存器中写入位模式数据 11
1.3.6脉冲输出类型选择 12
1.3.7紧急停止 13
2 PIC单片机的应用 14
2.1 PIC单片机的特点和型号 14
2.1.1 PIC单片机的特点 14
2.1.2 PIC单片机的型号 16
2.2 PIC单片机的内部结构和作用 16
2.2.1 核心部件的名称和作用 16
2.2.2 PIC16F87XA的外围部件及其作用 18
2.2.3 /O端口 19
2.2.4系统时钟 21
2.2.5复位电路 24
2.2.6 监视定时器 25
2.2.7 PSP并行从动端口 26
3 机械结构的运动分析与尺度综合 29
3.1 运动学分析 29
3.1.1 位置逆解模型 29
3.1.2 正置逆解模型 30
3.2尺度综合 31
3.2.1工作空间与尺度参数关系 31
3.2.2 性能指标 32
4 步进电机的脉冲分配 34
4.1 角度关系由程序的实现 34
4.1.1 由程序生成的脉冲分配图 35
4.1.2 由脉冲分配图来得到脉冲分配序列 35
5 编写控制程序 37
5.1 硬件接线电路原理图（附CAD图纸） 37
5.2 编写程序 37
5.2.1程序编写思路 37
结 论 75
致 谢 76
参考文献 77

１

摘 要
摘　　要
针对当前市场上的工业机器人控制系统由于器件本身指令执行速度慢、集成度低,无法提高其速度及精度且对于实现复杂的运动很困难的问题。提出了以基于PIC的单片机作为主控机以运动控制芯片MCX314为运动控制核心的机器人控制系统设计方法，本设计说明书就是以此方法为指导，对卫生陶瓷水箱施釉机器人的控制系统进行了设计，内容主要包括：介绍了基于PIC单片机的主要硬件结构及主要功能和运动控制芯片MCX314的功能特点与原理，还介绍了PIC单片机与运动控制芯片MCX314的接口电路。详细分析介绍了五杆机械手控制系统的软件及硬件电路的设计过程，同时还有对机械结构的运动分析，如何由程序实现双自由度机械手的直线差补脉冲脉冲分配，从而实现机械运动的直线差补程序。

关键词：MCX314 ； 运动控制芯片 ； PIC单片机 ； 机器人

Abstract

全部设计资料联系小企鹅：229780692
KeyWords：MCX314，motion control chip，PIC single-chip microcomputer， robot

11

附 录
前言
当今的工业机器人正朝着高速度、高精度方向发展，而高速度、高精度要通过控制系统的运算能力来实现和保证。在传统的运动控制装置中一般采用微机或单片机作为下位机来实现位置控制，但外围电路连接复杂，计算速度慢，从而导致了控制精度不理想，随着工业技术的发展，对机电设备的运行控制提出了性新的要求，如在机器人控制系统中要求实现高速度和高精度的位置伺服或轨迹跟踪控制以获得控制系统的高精度和高效率。
MCX314是台湾生产的能够同时控制四个轴的可编程运动控制芯片，主要用于步进电机和伺服电机的控制。它以脉冲形式进行输出能实现对步进电机和伺服电机的高速而精确的位置控制、差补控制和速度控制等。同时在设计中以基于PIC单片机作为主控机就可实现更高速度和精度的控制以及更简单的外围电路接线，因为PIC单片机不仅采用哈佛体系结构，而且还采用了哈佛总线结构变于实现指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。
本次设计相比于现在市场上居于主导地位的MCS-51系列单片机有着很大的优势，本次设计采用的单片机和运动控制芯片大大简化了控制电路的搭接，尤其是在编写程序上更是大大简化了编程语句，节省了设计时间，减少了工作量。
本次设计采用了基于PIC单片机和MCX314运动控制芯片设计而成的控制系统，本文对设计中遇到的功能和问题进行了详细的介绍。

1 MCX314主要功能和工作方式介绍
1.1 MCX314内部结构和主要功能特征
图1为MCX314As的功能框图。由相同功能的X,Y,Z和U轴的控制部分和插补计数部分组成。

主要功能如下:
(1) 进行独立的四轴驱动: 一个芯片可以分别控制四个马达驱动轴的运动，并且四个轴的功能完全相同。
(2) 驱动速度控制: 驱动脉冲的输出速度可以从1PPS到4MPPS，每个驱动轴可以进行常速度驱动、直线加/减速驱动、S曲线加/减速驱动。加/减速驱动可以使用自动或手动两种操作方式。脉冲输出的频率精确度小于10.1%(在CLK为16MHz时)，驱动脉冲的输出速度可以在驱动过程中自由改变。
(3) S曲线加/减速驱动: 每个轴可以用S曲线进行加/减速设定，使用S曲线命令还可以对抛物线加/减速驱动输出脉冲进行设定。此外，对于定量驱动，MCX314提供了专门的方法避免在S曲线加/减速过程中发生三角波形。1.1.4 2轴/3轴线性插补驱动:可以选择4个轴中的任何2个轴或3个轴进行线性插补驱动。插补坐标范围是从当前位置到一8388607一+8388607之间的任何位置;在整个指定的线性插补范围内，插补精度是士0.5LSB;插补驱动脉冲输出速度可以从1PPS到4MPPS。在线性插补过程中，不一定要指定常用轴作为主轴，这一点与其他插补形式不同。
(4) 圆弧插补驱动: 可以选择4个轴中的任何2个轴进行圆弧插补驱动。插补的坐标范围、精度和速度与直线插补驱动相同。
(5) 2轴/3轴位模式插补驱动: 收到CPU计算的位模式插补数据后，可以用指定的驱动速度连续输出插补脉冲，用这种方式可以产生任何形状插补曲线。
(6) 连续插补驱动: 不同的插补模式可以连续使用，如直线插补、圆弧插补、直线插补。连续插补的最大驱动速度是2MHz。
(7) 固定矢量速度控制: 这是一种在插补驱动时保持插补轴合成速度的功能，2轴同时输出脉冲时，第2轴可以设定为1.414倍的脉冲周期;3轴同时输出脉冲时，第3轴可以设定为1.723倍脉冲周期。
(8) 位置控制: 每个轴有2个32位位置计数器，一个用于芯片内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数器，另一个用于管理从外部编码器来的脉冲的实际位置计数器。
(9) 比较寄存器和软件限位功能: 每个轴有2个32位比较寄存器，用于与逻辑位置计数器或者实际位置计数器位置大小的比较。在驱动过程中，可以从状态寄存器读出比较寄存器和逻辑/实际位置之间的大小关系。大小关系有变化时，就产生中断，并且可以启动这2个比较寄存器作为软件限位。
(10) 外部信号驱动: 每个轴可以使用外部信号进行+/一方向的定量驱动和连续驱动。这个功能使各个轴在手动操作时可以减轻CPU的负担，并且使操作可以顺利运行。
(11) 输入输出信号: 每个轴分别有4路输入信号，用于在驱动过程中进行减速和停止操作;有8路输出信号，在不同情况下输出信号的作用有所不同。
(12) 伺服马达反馈信号:每个轴可以接收伺服马达驱动器的信号，如2相编码信号、在位信号和报警信号等。
(13) 中断产生功能: 可以由如下情况产生中断:直线加/减速的定速驱动开始和完毕时;驱动结束时;位置计数器和比较计数器之间的大小发生变化时等等。另外，连续插补驱动和位模式插补驱动过程中发生下一个数据请求时也会产生中断。
(14) 实时监控功能: 在驱动过程中，可以实时从相应的寄存器中读出逻辑位置、实际位置、驱动速度、加速度和加/减速状态(加速中、定速中、减速中)。
(15) 实时监控功能: 在驱动过程中，可以实时从相应的寄存器中读出逻辑位置、实际位置、驱动速度、加速度和加/减速状态(加速中、定速中、减速中)。
(16) 8位/16位数据总线: 根据实际需要可以选择8位或16位的数据总线。MCX314可以与8位或16位CPU相连接。使用不同的设置，进行8位或16位数据操作。
1.2 MCX314工作方式分析
MCX314与外部交换数据，主要通过16位可写寄存器WRO-WR7及16位可读寄存器RRO-RR7与外部交换数据。这些寄存器可以以16位数据总线访问，也可以以8位数据总线访问。当以16位数据总线访问时，地址线为A2, Al, A0;假如用8位数据总线访问时，地址线为A3, A2, Al, A0,其中通过A3把A2, Al, AO所选择的16位寄存器分成低8位和高8位的8位寄存器。
主要控制寄存器及指令系统如下：
（1）命令寄存器（WRO ）
MCX314As中各轴的WRO寄存器用来进行各轴设定和命令寄存，它包括轴设定的各位、命令字设定的各位以复位命令的各位。在向此寄存器写人轴设定字和命令字后，它将立即执行。某些命令在写人WRO之前应先写人WR6和WR7
（2）模式寄存器1(WRl)
4轴都有各自的状态寄存器1，写哪个寄存器取决于NOP指令的指定或写前的情况。WRl可以控制输人信号IN3-INO的使能，并用于设定减速状态和比较结果寄存器。
（3）模式寄存器2(WR2)
WR2设定外部限位开关输人、反馈计数器脉冲类型及伺服驱动的反馈信号。
（4）模式寄存器3(WR3)
4个轴都有各自的WR3。读哪个状态寄存器取决于已被指定的轴或NOP指令指定的轴。WR3可用于操作手动减速、单独减速、S曲线加/减速、外部操作模式设定和通用输出OUT7-OUT4的设定。
(5) 输出寄存器(WR4)
该寄存器用于设定4轴的输出信号nOUT3 -nOUTO。它也可以被用作16位的通用输出。若某位置0，将会输出低电平;置1将会输出高电平。
(6) 差补模式寄存器（WR5）
该寄存器被用于指定差补轴，包括直线定速模式、单步输出差补模式和中断请求。
（7） 数据寄存器WR6/WR7
数据寄存器WR6/WR7在操作与数据相关的命令时使用。在将命令写入WR0之前，应先将数据写入WR6和WR7：WR6用来存放数据的低字，WR7用来存放数据的高字。
（8）主状态寄存器(RR0 )
该寄存器用来显示各轴驱动和错误的状态。此外，它还显示插补、连续插补的就绪信号、圆插补的象限和BP插补的栈计数。
（9）状态寄存器1(RR1,RR2,RR3 )
每个轴都有状态寄存器RR1,RR2和RR3。读取哪个状态寄存器，取决于写人MCX314的命令。命令10FH表示X轴，20FH表示Y轴，40FH表示Z轴，80FH表示U轴。
RR1主要显示各轴的运动状态和限位信号状态。RR2主要显示各轴出错的原因。RR3他主要显示中断的来源。
（10）输入寄存器(RR4/RR5 )
RR4和RR5为通用寄存器。如果寄存器的数据位为0，则输出为低电平;若数据位为1，则输出为高电平。
（11）数据寄存器(RR6/RR7 )
RR6和RR7是数据寄存器并对相应的数据读取命令。RR6存放低16位(D15-DO),RR7存放高16位(D31-D16)。
（12）写数据命令
设置驱动参数如加速度、驱动速度、输出脉冲数时，要用写数据命令，以将这些参数/数据写人MCX314As。如果同时指定多轴，可以对不同的轴同时写人相同的数据。如果数据长度是2B，只需把数据写人WR6。如果数据长度大于2B，则高16位写人WR7，低16位写人WR6。数据写人数据寄存器后，向WRO写人命令设定轴，然后执行命令。
（13）读取数据指令
数据读取命令用来读取各轴寄存器的值。当向WRO写入读命令后，数据将出现在RR6和RR7中，要读取的数据是二进制的，负值为二进制补码形式。
（14）驱动命令
驱动命令将控制MCX314As以不同的方式输出驱动脉冲。当向WRO写人命令代码并指定控制轴后，该命令被立即执行。可以同时用同一命令指定多轴。运行时，每个轴的RRO的nDRV位将置为1,当运行结束时，nDRV位置0。
（15）插补命令
插补命令由2轴或3轴直线插补、顺时针/逆时针圆弧插补、2轴或3轴位模式插补和其他有关命令组成。当向WR0写人插补命令时，置WR0的D8-D1位为1，因为对于插补命令没有必要指定轴。在执行插补命令之前，必须先执行以下2步通过设置WR5的D5-D0位来指定要插补的轴，设定主轴的速度参数。
特殊的，在使用位模差补的时候，WR2、WR3、WR4、WR5、WR6、WR7以及RR2、RR3、RR4、RR5、RR6、RR7将作为专用于位模式差补的数据寄存器，不在实现原来的功能。
1.3五杆机械手实现直线差补的方法
本次设计中的机器人为五杆双自由度机器人，因此单纯的使用单片机的普通的直线差补程序是无法实现去其直线运动的。考虑到这个问题，于是在本次设计中就用到了MCX314运动动控制芯片中特有的位模式差补方法。这种方法可以实现各种复杂的轨迹运动，功能强大。下面详细介绍了位模式差补的使用方法以及其相关功能。
MCX314可以从主CPU中接收差补数据然，后以一定的速度输出脉冲。主CPU指定2轴或3轴差补，产生所要求的脉冲数据，然后将指令写入MCX314中，MCX314就按照一定的速度输出脉冲。
每个对主CPU有两个指令缓冲器，一个用于正方向差补，一个用于反方向差补。在位模差补状态下，主CPU可以向MCX314中写入2轴或3轴的差补指令。
如果从CPU来的位模式指令的一个位为“1”，MCX314将在该单位时间内输出一个脉冲；如果位值是“0”，它在单位时间内将不会输出任何脉冲。
1.3.1位模式差补驱动的速度限制
在位模式差补下，MCX314的最大脉冲输出速度是4PPS。但是，如果位模差补数据多于48位时，这个最大速度还取决于主CPU的处理速度。例如，在一个X—Y轴的位模式差补中，如果主机CPU需要100µs来更新X轴和Y轴的16位指令，那么最大速度应该是16脉冲数/100µs=160kPPS。
1.3.2位模式差补的终止
有两种终止位模式差补的方法。
（1） 在ax1的缓冲存储其中写入一个终止代码。
如果主CPU向+/-方向缓冲寄存器中都写入“1”位模式差补将结束（如下图所示），停止执行中止代码后，SC将自动清零。

D15

D0
BP1P
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0

D15

BP1M
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1

（2） 主CPU停止向MCX314中写入任何数据。
当SC=0并且没有新指令写入时，MCX314将停止输出脉冲，位模式差补随之结束。
1.3.3利用停止指令中断差补
如果向正在执行位模式差补的主轴（ax1）写入一个立即停止指令，或者一个减速停止指令，差补驱动将会中止。而且主机CPU再次将位模式差补设为有效，MCX314将继续进行位模式差补。如果主机CPU希望在写入停止指令后完成差补，它必须清除MCX314中的所有位模式差补数据；否则，差补操作有可能被这些数据扰乱。
1.3.4利用硬件限制开关中断差补
当任意一根轴的任意硬件限制处于有效状态时，差补驱动将被中止，如果主机CPU希望在这个时候完成差补，它必须清除MCX314中的所有位模式差补数据。
1.3.5向MCX314的寄存器中写入位模式数据
不管是通过16位还是8位的地址总线访问，位摸差补数据的缓冲区的地址映射如表2—2所列。
表2—2 16位地址总线位模式差补寄存器的地址映射
地址
寄存器名称
说明
有相同地址的寄存器
A2
A1
A0
0
0
0

WR0
0
0
1

nWR1
0
1
0
BP1P
ax1正方向指令数据
nWR2
0
1
1
BP1M
ax1负方向指令数据
nWR3
1
0
1
BP2P
Ax2正方向指令数据
nWR4
1
0
1
BP2M
Ax2正负向指令数据
nWR5
1
1
0
BP3P（注意）
Ax3正方向指令数据
nWR6
1
1
1
BP3M（注意）
Ax3正负向指令数据
nWR7

表2—3所列是8位地址总线位模式差补寄存器的地址映射
地址
寄存器名称
地址
寄存器名称
A3
A2
A1
A0
A3
A2
A1
A0
0
0
0
0

1
0
0
0
BP2PL
0
0
0
1

1
0
0
1
BP2PH
0
0
1
0

1
0
1
0
BP2ML
0
0
1
1

1
0
1
1
BP2MH
0
1
0
0
BP1PL
1
1
0
0
BP3PL
0
1
0
1
BP1PH
1
1
0
1
BP3PH
0
1
1
0
BP1ML
1
1
1
0
BP3ML
0
1
1
1
BP1MH
1
1
1
1
BP3MH