单片机与mpc006运动控制芯片模块组成的运动控制系统

摘要：采用单片机stc89C2051和mpc006运动控制芯片模块作为控制系统的核心，控制三路步进电机做运动实验。单片机发送指令给mpc006微型运动控制模块，模块信号输出给步进驱动器作高速度运动。可以定点运动，直线插补和圆弧插补。

 1．引言

运动控制的应用在国内已有十几年的历史，技术也相当成熟。通常运动控制都需要用到运动控制卡，运动控制器等产品，但这些产品价格高昂，使用复杂，也不适合由单片机构成的控制系统。而如果直接采用单片机来做运动控制，由于运动控制对系统性能要求非常高，单片机速度资源有限，难以设计出性能优良的运动控制模型。因此，本文采用单片机和专业的mpc006运动控制芯片模块构成运动控制系统。

MPC006运动控制芯片模块采用新型FPGA设计，集成实用运动控制功能，可与普通单片机通过串口通讯对步进电机和伺服电机控制。具有如下特点：

◆   串口通讯，仅需使用几条指令，简单可靠。

◆   单模块最高六轴输出，多个模块组网工作可达120轴。

◆   最大脉冲输出频率为2MHz，脉冲输出使用脉冲+方向方式。

◆   最高六轴独立运动控制，任意两轴直线插补，任意两轴圆弧插补。 

◆   每轴一路硬件回原点。

◆   模块带1000条指令缓存深度，指令先进先出，无需高速通讯。

◆  模块体积小巧，仅3.5*2.5*1.5cm,双排直插30脚封装。

2，系统硬件设计

硬件系统由四部分构成：

（1）       单片机部分

单片机与模块只需三根线连接，用作串口通讯的RXD和TXD，用作模块缓存满输出的BUSY信号。P3.7引出一按键作为测试使用。

（2）       mpc006运动控制芯片模块部分

mpc006运动控制芯片模块采用5V电源供电，ＲＸＤ，TXD，BUSY与单片机连接。X0，X1，X2可作为三路电机的原点信号，P1，D1为1轴的脉冲和方向信号。P2，D2为2轴的脉冲和方向信号。P3，D3为3轴的脉冲和方向信号。

（3）原点信号输入部分

原点采用光藕隔离输入，输入端可接NPN型光电开关来作为原点信号。

（4）       信号输出部分

输出采用NPN晶体管极电极开路输出，分别接到电机驱动器脉冲和方向信号输入端。

3，系统软件设计

MPC006运动控制芯片模块与单片机串口通讯速率为115200bps,数据位为8位，停止位1位，无校验。

单片机与mpc006运动控制模块采用串口应答式通讯，单片机作主机，单片机每发送一条指令给mpc006运动控制芯片模块，mpc006运动控制芯片模块返回以0x68开始的固定长度为10个字节的数据串。单片机可以取出需要的数据。一般情况需接收到mpc006运动控制模块返回的数据后单片机才能发送下一条指令。如果程序中不接收模块返回的数据，需间隔5MS以上才能发送下一条指令。

单片机发送和接收指令的数据格式如下：

#include <reg52.h>

//-----STC89C2051-------

sfr IPH           =0XB7;         

sfr   CCON     =0XD8;

sfr   CMOD    =0XD9;

sfr   CL          =0XE9;

sfr   CH         =0XF9;

sfr   CCAP0L =0XEA;

sfr   CCAP0H =0XFA;

sfr   CCAPM0       =0XDA;

sfr   CCAPM1       =0XDB;

sfr P3M1= 0XB1;

sfr P3M0= 0XB2;

sfr P1M1= 0X91;

sfr P1M0= 0X92;

sfr WAKE_CLKO= 0X8f;

sfr BRT     =0x9c;

sfr AUXR     =0x8E;

sfr AUXR1   = 0xA2;    

sfr WDT_CONTR = 0xc1;           

sfr T2MOD  = 0xC9;             

//////////////////

sbit busy = P3^2;

sbit s1     =     P3^7;

 void initial()

{

       P3M1 = 0x00; 

       P3M0 = 0x80;

       P1M1 = 0x00; 

       P1M0 = 0xf9;                                   

}

/*void init_uart()     //串口1使用硬件波率发生器

{

  PCON &= 0x7f;  //波特率不倍速

   SCON = 0x50;  //8位数据,可变波特率

   BRT = 0xFD;      //设定独立波特率发生器重装值 波特率115200bps

   AUXR |= 0x04;  //独立波特率发生器时钟为Fosc,即1T

   AUXR |= 0x01;  //串口1选择独立波特率发生器为波特率发生器

   AUXR |= 0x10;  //启动独立波特率发生器

} */

void init_uart() //串口1使用定时器1重装值为波率

{

       AUXR = 0x54; //使能独立波特率发生器，独立波特1个计1次，T1不分频,串口1选择定时器重装值为波率

        SCON = 0x50;       //uart1方式1，允许接收

        TMOD |= 0x20;     //T1，方式2

        TL1 = 0xFD;         //115200波率

           TH1 = 0xFD;         //115200波率

        TR1 = 1;   //T1开启

}

/*

串口发送一个字节，需根据所使用的单片机作适当更改。

*/

 void USART_Txbyte(unsigned char i)

{

    SBUF   =   i;

    while(TI ==0); //等待发送完成

    TI     =   0;  //清零串口发送完成中断请求标志

}

/*

串口接收模块返回的10个字节数据，需根据所使用的单片机作适当更改。

*/

 void receive(unsigned char *buf)

{

unsigned char i;

for(i=0;i<10;i++)

   {

   while(RI==0);

     RI=0;

   buf[i]=SBUF;

   }

}

/*

串口发送一串数据。

*/

void USRAT_transmit(unsigned char *fdata,unsigned char len)

{

   unsigned char i;                                                                            

   for(i=0;i<len;i++)

   {

      USART_Txbyte(fdata[i]);        

   }

}    

/*

函数名:    inp_move

功能：二轴直线插补

参数：

cardno    卡号

no1   X轴轴号

no2   Y轴轴号

pulse1,pulse2                       X-Y轴移动的距离,范围（-8388608~+8388607）

mode  0：相对位移  1：绝对位移 

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char inp_move(unsigned char cardno,unsigned char no1 ,unsigned char no2 , long pulse1  ,long pulse2 ,unsigned char mode )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x0F;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0x7;

OutByte[4] = no1;

OutByte[5] = no2;

OutByte[6] = pulse1>>24;

OutByte[7] = pulse1 >>16;

OutByte[8] = pulse1>> 8;

OutByte[9] = pulse1;

OutByte[10] = pulse2 >>24;

OutByte[11] = pulse2 >>16;

OutByte[12] = pulse2 >>8;

OutByte[13] = pulse2 ;

OutByte[14] = mode;

OutByte[15] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4]+OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] + \

OutByte[12] +OutByte[13] +OutByte[14];

USRAT_transmit(OutByte,16);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: inp_arc

功能：二轴圆弧插补

参数：

cardno     卡号

no1         参与插补X轴的轴号

no2         参与插补Y轴的轴号

x,y          圆弧插补的终点位置（相对于起点），范围（-8388608~+8388607）                      

i,j           圆弧插补的圆心点位置（相对于起点），范围（-8388608~+8388607）

mode      0：顺时针插补   1：逆时针插补

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char inp_arc(unsigned char cardno ,unsigned char no1,unsigned char no2, long X , long y, long i, long j,unsigned char mode )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x17;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0x8;

OutByte[4] = no1;

OutByte[5] = no2;

OutByte[6] = X >>24;

OutByte[7] = X >>16;

OutByte[8] = X >>8;

OutByte[9] = X ;

OutByte[10] = y >>24;

OutByte[11] = y >>16;

OutByte[12] = y >>8;

OutByte[13] = y ;

OutByte[14] = i >>24;

OutByte[15] = i >>16;

OutByte[16] = i >>8;

OutByte[17] = i ;

OutByte[18] = j >>24;

OutByte[19] = j >>16;

OutByte[20] = j >>8;

OutByte[21] = j ;

OutByte[22] = mode;

OutByte[23] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] + \

OutByte[12] +OutByte[13] +OutByte[14] +OutByte[15] +OutByte[16] +OutByte[17] +OutByte[18] +OutByte[19] +OutByte[20] +OutByte[21] +OutByte[22] ;

USRAT_transmit(OutByte,24);      

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名:  set_speed

功能：设置轴速度

参数：

cardno     卡号

axis  轴号(1-6)

acc     加速时间（ms）

dec     减速时间（ms）

startv     启动频率为：值*频率倍率（Hz）

speed      运行频率为：值*频率倍率（Hz）

range      频率倍率（1-100）

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char set_speed(unsigned char cardno ,unsigned char axis ,unsigned int acc  ,unsigned int dec  ,unsigned int startv ,unsigned int speed ,unsigned char range)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0xe;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 1;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = acc >>8;

OutByte[6] = acc ;

OutByte[7] = dec >>8;

OutByte[8] = dec ;

OutByte[9] = startv >>8;

OutByte[10] = startv ;

OutByte[11] = speed >>8;

OutByte[12] = speed ;

OutByte[13] = range;

OutByte[14] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] + OutByte[12] +OutByte[13] ;

USRAT_transmit(OutByte,15);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: set_soft_limit

功能：设置轴软件限位

参数：

cardno     卡号

axis         轴号(1-6)

mode   0：解除软件限位  1:启用软件限位

pulse1            负方向限位脉冲值，范围（-268435455~0）                        

pulse2            正方向限位脉冲值，范围（0~+268435455）

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char set_soft_limit(unsigned char cardno ,unsigned char axis ,unsigned char mode, long pulse1 , long pulse2 )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0xE;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x13;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = mode;

OutByte[6] = pulse1 >>24;

OutByte[7] = pulse1 >>16;

OutByte[8] = pulse1 >>8;

OutByte[9] = pulse1 ;

OutByte[10] = pulse2 >>24;

OutByte[11] = pulse2 >>16;

OutByte[12] = pulse2 >>8;

OutByte[13] = pulse2 ;

OutByte[14] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] +OutByte[10] +OutByte[11] +

OutByte[12] +OutByte[13] ;

USRAT_transmit(OutByte,15);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: set_hard_limit

功能：设置轴硬件限位

参数：

cardno     卡号

axis         轴号(1-6)

mode   0：解除软件限位  1:启用软件限位

dir    0：反方向  1：正方向

number  端口号（0-9）  X0-X9

value   状态（0,1） 0： 输入低电平   1： 输入高电平

返回值：

0 失败      1  成功

*/

unsigned char set_hard_limit(unsigned char cardno ,unsigned char axis ,unsigned char mode, unsigned char dir, unsigned char number, unsigned char value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x9;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x10;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = mode;

OutByte[6] = dir;

OutByte[7] = number;

OutByte[8] = value ;

OutByte[9] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] ;

USRAT_transmit(OutByte,10);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: pmove

功能：单轴运行

参数：

cardno     卡号

axis         轴号(1-6)

pulse      输出的脉冲数 >0：正方向移动        <0：负方向移动   范围（-268435455~+268435455）

mode      0：相对位移  1：绝对位移   2：连续位移

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char pmove(unsigned char cardno ,unsigned char axis,long pulse , unsigned char mode)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0xA ;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 2      ;

OutByte[4] = axis;

OutByte[5] = pulse >>24;

OutByte[6] = pulse >>16;

OutByte[7] = pulse >>8;

OutByte[8] = pulse ;

OutByte[9] = mode ;

OutByte[10] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] +OutByte[9] ;

USRAT_transmit(OutByte,11);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: wait_delay

功能：等待延时数

参数：

cardno     卡号

value     延时量（1-10000）MS

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char wait_delay(unsigned char cardno ,unsigned int value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x6 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0xE ;

OutByte[4] = value >>8;

OutByte[5] = value ;

OutByte[6] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5];

USRAT_transmit(OutByte,7);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名:   set_command_pos

功能： 设置轴逻辑位置或编码器值

参数：

cardno     卡号

axis  轴号(1-8)

pulse      位置脉冲数，范围（-268435455~+268435455）

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char set_command_pos(unsigned char cardno ,unsigned char axis, long value )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x9 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x12 ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] = value >>24;

OutByte[6] = value >>16;

OutByte[7] = value >>8;

OutByte[8] = value ;

OutByte[9] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] ;

USRAT_transmit(OutByte,10);

receive(inbuf);

return 1;

}

 /*

函数名: wait_pulse

功能：等待轴脉冲数

参数：

cardno     卡号

axis  轴号(1-6)

pulse      位置脉冲数，范围（-268435455~+268435455）

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char wait_pulse(unsigned char cardno ,unsigned char axis, long value )

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x9 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x19;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] = value >>24;

OutByte[6] = value >>16;

OutByte[7] = value >>8;

OutByte[8] = value ;

OutByte[9] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] +OutByte[6] +OutByte[7] +OutByte[8] ;

USRAT_transmit(OutByte,10);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: write_bit

功能：写输出口状态

参数：

cardno     卡号

number  端口号（0-14）  Y0-Y14

value   状态（0,1） 0 输出低电平   1 输出高电平

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char write_bit(unsigned char cardno , unsigned char number, unsigned char value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x6  ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 3      ;

OutByte[4] = number;

OutByte[5] = value;

OutByte[6] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5] ;

USRAT_transmit(OutByte,7);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: sudden_stop

功能： 轴停止

参数：

cardno     卡号

axis    停止的轴号（1-8）   1-6：1-6轴停   7：直线插补轴停    8：圆弧插补轴停

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char sudden_stop(unsigned char cardno ,unsigned char axis)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68;

OutByte[1] = 0x5;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 0x17 ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] ;

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: wait_in

功能： 等待输入口状态

参数：

cardno     卡号

number  端口号（0-9）  X0-X9

value   状态（0,1） 0 输入低电平   1 输入高电平

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char wait_in( unsigned char cardno, unsigned char number, unsigned char value)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x6  ;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0xF  ;

OutByte[4] = number ;

OutByte[5] = value ;

OutByte[6] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] +OutByte[5];

USRAT_transmit(OutByte,7);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名: wait_stop

功能：等待轴停止

参数：

cardno      卡号

axis   需要等待停止的轴号  1-6：1-6轴停   7：直线插补轴停    8：圆弧插补轴停

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char wait_stop(unsigned char cardno ,unsigned char axis)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x5 ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 9      ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4];

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return 1;

}

/*

函数名:  get_number

功能：获取唯一序列号

参数：

cardno     卡号

返回值： 32位序列号

*/

unsigned long get_number(unsigned char cardno )

{

unsigned  long tmp=0;

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68 ;

OutByte[1] = 0x4 ;

OutByte[2] = cardno;

OutByte[3] = 0xC ;

OutByte[4] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] ;

USRAT_transmit(OutByte,5);

receive(inbuf);

tmp= (unsigned long)inbuf[4]<<24;

tmp+= (unsigned long)inbuf[5]<<16;

tmp+= (unsigned long)inbuf[6]<<8;

tmp+= (unsigned long)inbuf[7];

return tmp;

//return(((unsigned long)inbuf[4]<<24)+((unsigned long)inbuf[5]<<16)+((unsigned long)inbuf[6]<<8)+((unsigned //long)inbuf[7]));

}

/*

函数名: get_status

功能：获取各轴工作状态

参数：

cardno     卡号

返回值： 8位二进制，1-6位分别代表1-6轴状态，第7位为直线插补状态，第8位为圆弧插补状态。0表示停止中，1表示运行中。

*/

unsigned char get_status( unsigned char cardno)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 0x4  ;

OutByte[2] = cardno ;

OutByte[3] = 5 ;

OutByte[4] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] ;

USRAT_transmit(OutByte,5);

receive(inbuf);

return inbuf[4];

}

/*

函数名: get_command_pos

功能： 获取轴逻辑位置或编码器值

参数：

cardno     卡号

axis   轴号

返回值：      位置脉冲数，范围（-268435455~+268435455）

*/

long  get_command_pos( unsigned char cardno, unsigned char axis)

{

long tmp=0;

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 0x5  ;

OutByte[2] = cardno  ;

OutByte[3] = 6       ;

OutByte[4] = axis ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] ;

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

tmp= (long)inbuf[5]<<24;

tmp+= (long)inbuf[6]<<16;

tmp+= (long)inbuf[7]<<8;

tmp+= (long)inbuf[8];

return tmp;

//return(((unsigned long)inbuf[5]<<24)+((unsigned long)inbuf[6]<<16)+((unsigned long)inbuf[7]<<8)+((unsigned //long)inbuf[8]));

}

/*

函数名: set_cardno

功能：设置卡号

参数：

cardno     卡号（1-128）模块地址    （250 ） 重启

返回值：

0 失败           1  成功

*/

unsigned char set_cardno(unsigned char cardno)

{

unsigned char OutByte[25];

unsigned char inbuf[12];

OutByte[0] = 0x68  ;

OutByte[1] = 5       ;

OutByte[2] = 0        ;

OutByte[3] = 0xFA ;

OutByte[4] = cardno ;

OutByte[5] =OutByte[1] +OutByte[2] +OutByte[3] +OutByte[4] ;

USRAT_transmit(OutByte,6);

receive(inbuf);

return 1;

}

void main(void) 

{

   //initial();

   init_uart();

   //set_cardno(1);               //设卡号为1

       pmove(1,1,100000,0);  

   while(1)

        {

        if(!s1)//按键按下

          {

           set_speed(1 ,1,1000,1000,10,200,100);   // 设1轴速度

        set_speed(1 ,2,1000,1000,10,200,100);   // 设2轴速度

        set_speed(1 ,3,1000,1000,10,200,100);   // 设3轴速度

         /*1轴回原点*/

         pmove(1,1,-1000000,0);               //   1轴运动

         wait_in(1,0,1);                           //   等待X0为高

         sudden_stop(1,1);                      //      1轴停止

        set_command_pos(1,1,0);             //        设1轴此时坐标为0

              pmove(1,2,3200,0);                //   2轴运动

              wait_stop(1 ,2);                //等待2轴停止

              wait_delay(1,5000);           //延时5秒

              pmove(1,3,-3200,0);               // 3轴运动 

            while(!s1);

          }

        }

}

正在下载，请等待……

下载附件需0积分！