基于Modbus協(xié)議與MCX314的自動鉆孔系統(tǒng)設(shè)計

摘要：Modbus協(xié)議由于其開放性、透明性、成本低、易于開發(fā)等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。MCX314運動控制芯片具有高精度的可控性以及接口簡單、編程方便等特點，因此在工業(yè)生產(chǎn)中常被用于伺服電機的精確控制。介紹了Modbus串口協(xié)議的通信原理以及MCX314運動控制芯片的應(yīng)用，并結(jié)合兩者開發(fā)出探作簡單、控制精確、帶有良好人機交互界面的自動鉆孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)以C8051系列單片機為核心微處理器與上位機通信并對運動芯片進行控制，實現(xiàn)了通過觸摸屏對多個鉆孔機同時進行操作的一對多控制，并在工業(yè)生產(chǎn)中通過測試。
關(guān)鍵詞：Modbus；觸摸屏；MCX314；自動鉆孔

0 引言
    在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要對各類器材進行鉆孔、啄鉆，或者進行螺絲攻牙等操作。由于此類操作工作量大、動作繁瑣，通過人工操控效率低、精度不足，因此有必要通過一個具有良好人機交互方式的自動鉆孔系統(tǒng)對鉆頭動作進行控制，實現(xiàn)鉆孔操作的簡單化與自動化。
    在鉆孔過程中需要經(jīng)常觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)或者對運行參數(shù)進行修改，通過觸摸屏良好的人機交互方式可以方便快捷地實現(xiàn)這一目的?，F(xiàn)今多數(shù)觸摸屏控制是基于板載操作系統(tǒng)的平臺上，如ARM-Linux，WinCE，μC／OS等，但此類操作平臺價格較高，且開發(fā)流程復(fù)雜，不適用于在工業(yè)中大規(guī)模生產(chǎn)使用。
    本文基于Modbus串口協(xié)議的威倫觸摸屏與通用型C8051系列單片機作為硬件平臺，結(jié)合MCX314運動控制芯片，實現(xiàn)了一個結(jié)構(gòu)簡單、成本低、有良好人機交互且控制精度高的自動鉆孔系統(tǒng)。

1 自動鉆孔系統(tǒng)架構(gòu)
    為實現(xiàn)良好的人機交互，系統(tǒng)通過觸摸屏實時顯示鉆頭運行狀態(tài)，包括位置，轉(zhuǎn)速，鉆孔速度等參數(shù)，同時可以對轉(zhuǎn)速，鉆孔速度，鉆孔深度，攻牙牙距等參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置完成后通過觸摸屏上的按鍵分別進行自動鉆孔、自動攻牙、啄鉆等操作。
    系統(tǒng)中，鉆頭運行距離以毫米為基本單位，要求達到小數(shù)點后2位的精度，也即10-2mm，對鉆孔速度則以10-2mm／s為最小調(diào)節(jié)精度。最高轉(zhuǎn)速200 r／s，最大鉆孔深度為200 mm。攻牙過程中，牙距值范圍為0．01～1．99。同時要求提供可設(shè)定次數(shù)的啄鉆操作。
    人機交互界面采用臺灣威倫電子公司開發(fā)的MT6100i觸摸屏，使用Modbus協(xié)議與微處理器C8051系列單片機進行通信。微處理器通過總線方式對MCX314運動控制芯片進行控制與參數(shù)讀取。MCX314芯片通過光電耦合驅(qū)動伺服電機，帶動鉆頭，整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)主控板硬件設(shè)計
    主控板以微控制器為核心，實現(xiàn)對運動控制芯片的控制以及與觸摸屏的串口通信，并對運動控制芯片的輸出脈沖進行光電耦合，作為伺服電機的驅(qū)動輸入。
2．1 主控板硬件框圖
    主控板主要由微處理器C8051F040和MCX314運動控制芯片構(gòu)成，兩者通過16位數(shù)據(jù)／地址總線方式通信，MCU通過讀寫運動控制芯片內(nèi)部寄存器對其輸出脈沖的開關(guān)、速率和脈沖量等進行設(shè)置，并經(jīng)過光電耦合電路驅(qū)動伺服電機做出不同的動作。主控板提供RS 232的串行接口作為MCU與觸摸屏的通信接口，通過Modbus協(xié)議由觸摸屏控制MCU對運動控制芯片發(fā)送指令以及讀取數(shù)據(jù)。同時還提供E2PROM作為參數(shù)存儲模塊，可將設(shè)定的運行參數(shù)保存起來，系統(tǒng)啟動時先讀取E2PROM獲取參數(shù)，而無需每次開機都重新設(shè)置參數(shù)。主控板框圖如圖2所示。
2．2 主拉芯片C8051F040
    C8051F040單片機是美國Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯SoC，具有64 KB FLASH、4 352 B RAM，CAN控制器2．0，2個串行接口，5個16位定時器，12位A／D轉(zhuǎn)換器，8位A／D轉(zhuǎn)換器及12位D／A轉(zhuǎn)換器等，它內(nèi)部還帶有JTAG接口，在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行，使調(diào)試變得非常方便。
2．3 運動控制芯片MCX314
    MCX314是日本NOVA公司研制的DSP運動控制專用芯片，通過它可以控制由步進電機驅(qū)動器或由脈沖型伺服電機驅(qū)動的4軸的位置、速度和插補，從而進行定位控制、插補驅(qū)動、任意兩軸的圓弧插補，脈沖速度范圍在1 pps～4 Mpps，可滿足絕大多數(shù)的高速驅(qū)動的需求。在MCX314中對應(yīng)于每軸電機都有4個在驅(qū)動過程中使之減速停止／立即停止的外部輸入信號。通過對這些輸入信號的分配可以進行原點附近的高速檢
索、原點檢索、編碼器Z相檢索等，該芯片還有輸入位置控制信號、報警信號和編碼器信號，而且，在驅(qū)動過程中還可以實時讀取控制器運動軌跡的理論位置、實際位置、驅(qū)動速度、加速度、加減速度狀態(tài)等。
    MCX314運動控制芯片的性能指標如下：
    (1)能夠同時控制4個軸的伺服電機或步進電機；
    (2)輸出的驅(qū)動速度范圍是從1 pps～4 Mpps；
    (3)脈沖輸出頻率的精確度大于±0．1％(在CLK=16 MHz時)；
    (4)圓?。本€插補中，坐標范圍是從當前位置到-8 388 607～+8 388 607間；
    (5)圓弧／直線插補中，插補精度是±0．5 LSB；
    (6)圓?。本€插補中，插補速度范圍是從1 pps～4 Mpps；
    (7)連續(xù)插補的最大驅(qū)動速度是2 MHz。
    為達到系統(tǒng)對速度及位置精度的控制要求，設(shè)計中采用了10-3mm／p的下鉆電機與10-3rad／p的轉(zhuǎn)動電機。

3 軟件設(shè)計
3．1 系統(tǒng)軟件流程
    系統(tǒng)軟件包括觸摸屏軟件與MCU程序。其中觸摸屏軟件設(shè)計包括操作界面與各寄存器地址分配，通過威倫電子公司的配套組態(tài)軟件Easy Builder系列可以方便地完成這部分軟件的設(shè)計與下載。本系統(tǒng)中觸摸屏參數(shù)設(shè)置為：PLC類型為Modbus RTU，通信口類型設(shè)置為RS 232／2W，波特率、數(shù)據(jù)位個數(shù)、效驗位、停止位個數(shù)設(shè)置與MCU系統(tǒng)一致。MCU通過串口中斷接收觸摸屏指令，進而控制運動芯片，其程序主要包括MCU初始化與運動芯片初始化、串口中斷程序、MCX314運動芯片讀／寫驅(qū)動、鉆孔／攻牙／啄鉆操作函數(shù)以及E2PROM讀寫程序。MCU主函數(shù)流程如圖3所示，串口中斷程序流程如圖4所示。

3．2 Modbus協(xié)議
    Modbus協(xié)議是MODICON公司1979年為自己的PLC產(chǎn)品而推出的一個開放式現(xiàn)場總線通信協(xié)議，是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，是一種有效支持控制器之間以及控制器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))與其他設(shè)備之間通信的協(xié)議，現(xiàn)已成為一種通用工業(yè)標準，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以通過該協(xié)議連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)控。
    Modbus協(xié)議定義了一種通用的消息結(jié)構(gòu)，描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的一個過程，包括如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，并制定了消息域和內(nèi)容的公共格式。當在此網(wǎng)絡(luò)上通信時，每個控制器都擁有一個惟一的地址，并識別按地址發(fā)來的消息，最終決定要產(chǎn)生何種動作。如果需要回應(yīng)，則控制器將生成反饋信息并按此協(xié)議格式回應(yīng)。
3．3 Modbus RTU通信模式
    Modbus協(xié)議包括2種傳輸模式，即ASCII碼和RTU模式。控制器可以設(shè)置為2種傳輸模式中的任何一種在標準的Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信。本設(shè)計采用RTU傳輸模式。
    當控制器設(shè)備選用RTU模式通信時，消息中的每個字節(jié)包含2個4位的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是：在同樣的波特率下，能夠比ASCII碼方式傳送更多的數(shù)據(jù)。Modbus RTU主機消息幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

    其中，地址碼代表從機地址，設(shè)置為0，表示廣播消息。功能碼表示主機指令，包括讀／寫控釗狀態(tài)、讀／寫寄存器等。數(shù)據(jù)區(qū)則為讀／寫寄存器地址及讀取位數(shù)。RTU模式采用CRC校驗。
    相應(yīng)的從機返回消息幀結(jié)構(gòu)與主機消息幀結(jié)構(gòu)類似，但是附加了數(shù)據(jù)字節(jié)長度，如表2所示。

3．4 MCX314運動控制芯片控制
    MCU通過16位數(shù)據(jù)／地址總線與MCX314進行通信，可選擇8位／16位數(shù)據(jù)總線格式。本設(shè)計采用了8位數(shù)據(jù)總線格式，在16位總線中分配8位為數(shù)據(jù)線，4位為地址線，4位為時序控制線。
    MCX314是寄存器控制型芯片，對其所有操作都基于寄存器的讀／寫，按照其發(fā)送時序，先發(fā)送地址，后讀取數(shù)據(jù)，其基本讀／寫函數(shù)實現(xiàn)如下：
    讀8位寄存器函數(shù)(寫寄存器函數(shù)與其類似，只需寫完置位P7)：
   
    MCX314內(nèi)部寄存器均為16位，基于以上讀8位寄存器函數(shù)實現(xiàn)讀16位寄存器函數(shù)(寫寄存器函數(shù)類似)：
   
    由于程序分別在串口中斷與主函數(shù)處理指令過程中調(diào)用MCX314讀／寫寄存器函數(shù)，可能導(dǎo)致函數(shù)重入，造成寄存器讀／寫數(shù)據(jù)紊亂，因此在函數(shù)內(nèi)部定義標志位，設(shè)計讀／寫函數(shù)為原子操作，防止函數(shù)重入。
    基于以上讀／寫寄存器函數(shù)可對MCX314進行一系列操作控制，包括寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)、驅(qū)動指令與插補指令。在本設(shè)計中，寫入數(shù)據(jù)及讀取數(shù)據(jù)分別對應(yīng)參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)狀態(tài)的實時顯示；驅(qū)動指令用于鉆孔運動與啄鉆運動；插補指令用于限定牙距的螺絲攻牙運動。通過上述指令實現(xiàn)以下系統(tǒng)操作函數(shù)，即運動芯片初始化函數(shù)、原點搜尋運動函數(shù)、定距手動鉆孔函數(shù)、自動鉆孔函數(shù)、啄鉆函數(shù)、手動攻牙函數(shù)、自動攻牙函數(shù)等。

4 結(jié)語
    利用Modbus串口協(xié)議開放、透明、開發(fā)容易等優(yōu)點，結(jié)合MCX314運動控制芯片的高精度可控性，以及編程方便的總線接口方式，設(shè)計出成本低、操作簡單、人機交互界面友好的觸摸屏自動鉆孔系統(tǒng)。本系統(tǒng)對位置與速度控制可分別精確至1×10-3mm與1×10-3mm／s，最高速度分別為4 000 mm／s與4 000 rad／s，最大鉆孔深度可達8 000 mm，達到了工業(yè)生產(chǎn)中進行自動鉆孔或螺絲攻牙的性能指標，并在工業(yè)生產(chǎn)中通過初步測試，工作穩(wěn)定。由于Modbus協(xié)議具有網(wǎng)絡(luò)控制能力，在實際工業(yè)生產(chǎn)中可并聯(lián)多個鉆孔系統(tǒng)共用一個觸摸屏，通過觸摸屏同時控制不同系統(tǒng)進行不同操作，或者采用廣播模式控制多個系統(tǒng)進行同一操作，進一步實現(xiàn)低成本和自動化。