現(xiàn)場總線運動控制模塊的設(shè)計及其在PLC系統(tǒng)中的應(yīng)用
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1 運動控制模塊的研制
本設(shè)計中,運動控制模塊負責電機的驅(qū)動、多軸聯(lián)動、G代碼解釋等工作，是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”。因此運動控制器的性能直接關(guān)系到整個機床的性能。
1.1 總體結(jié)構(gòu)
為實現(xiàn)高性能數(shù)控計算，系統(tǒng)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，主控MCU負責G代碼讀寫與解釋、人機界面、網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)；NC運動控制MCU（即運動控制芯片）作為一個專用數(shù)字芯片，負責三軸電機的速度控制、定位、多軸直線和圓弧插補等任務(wù)，以保證運動控制模塊在完成復雜的工作時仍能提供良好的性能。運動控制模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。
模塊采用SD卡作為G代碼文件的存儲器。SD卡具有大容量、小體積、支持熱插拔等特點，尤其是其兼容SPI總線讀寫，省去了主控制器作為USB盤讀寫的硬件，降低了成本。
運動控制模塊具有現(xiàn)場總線通信功能，支持RS-485和CAN總線2種現(xiàn)場總線物理層規(guī)范。以可靠性為設(shè)計原則，總線接口與主控制器進行了電氣隔離，并加入保護元件提高其抗瞬態(tài)干擾能力。圖2、圖3分別是模塊RS-485和CAN總線的隔離接口原理圖。其中使用了TI公司的高速數(shù)字隔離器ISO7221進行數(shù)字信號的電氣隔離，同時在接口端設(shè)置了瞬態(tài)抑制二極管（TVS管）進行保護，確保了硬件在各種環(huán)境下的可靠性。
1.2 Cortex-M3與STM32簡介
ARM Cortex-M3是一種基于ARM7架構(gòu)的最新ARM嵌入式內(nèi)核，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線(馮諾伊曼結(jié)構(gòu)下,數(shù)據(jù)和指令共用1條總線）,在成本和功耗方面，Cortex-M3具有相當好的性能。
基于Cortex-M3核的STM32F103系列MCU,運行于最高72 MHz的總線頻率,可以獲得1.25 DMIPS/MHz的運算性能、單周期乘法指令、硬件除法器，帶有容量至少為32 KB的Flash及6 KB的SRAM、2個12位A/D、7通道DMA、6路16位定時器及PWM、SPI、I2C、USART、USB、CAN等高性能模塊，并具有最高18 MHz輸出頻率的高速GPIO。在電機和運動控制的應(yīng)用中，可以充分發(fā)揮其先進內(nèi)核的性能和豐富的模塊資源特性。
1.3 工作流程
運動控制器工作流程總體示意圖如圖4所示。
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