基于Modbus协议与MCX314的自动钻孔系统设计

　　本文基于Modbus串口协议的威伦触摸屏与通用型C8051系列单片机作为硬件平台，结合MCX314运动控制芯片，实现了一个结构简单、成本低、有良好人机交互且控制精度高的自动钻孔系统。

　　1 自动钻孔系统架构

　　为实现良好的人机交互，系统通过触摸屏实时显示钻头运行状态，包括位置，转速，钻孔速度等参数，同时可以对转速，钻孔速度，钻孔深度，攻牙牙距等参数进行设置，设置完成后通过触摸屏上的按键分别进行自动钻孔、自动攻牙、啄钻等操作。

　　系统中，钻头运行距离以毫米为基本单位，要求达到小数点后2位的精度，也即10-2mm，对钻孔速度则以10-2mm/s为最小调节精度。最高转速200 r/s，最大钻孔深度为200 mm。攻牙过程中，牙距值范围为0.01～1.99。同时要求提供可设定次数的啄钻操作。

　　人机交互界面采用台湾威伦电子公司开发的MT6100i触摸屏，使用Modbus协议与微处理器C8051系列单片机进行通信。微处理器通过总线方式对MCX314运动控制芯片进行控制与参数读取。MCX314芯片通过光电耦合驱动伺服电机，带动钻头，整体系统框架如图1所示。

　　2 系统主控板硬件设计

　　主控板以微控制器为核心，实现对运动控制芯片的控制以及与触摸屏的串口通信，并对运动控制芯片的输出脉冲进行光电耦合，作为伺服电机的驱动输入。

　　2.1 主控板硬件框图

　　主控板主要由微处理器C8051F040和MCX314运动控制芯片构成，两者通过16位数据/地址总线方式通信，MCU通过读写运动控制芯片内部寄存器对其输出脉冲的开关、速率和脉冲量等进行设置，并经过光电耦合电路驱动伺服电机做出不同的动作。主控板提供RS 232的串行接口作为MCU与触摸屏的通信接口，通过Modbus协议由触摸屏控制MCU对运动控制芯片发送指令以及读取数据。同时还提供E2PROM作为参数存储模块，可将设定的运行参数保存起来，系统启动时先读取E2PROM获取参数，而无需每次开机都重新设置参数。主控板框图如图2所示。

　　2.2 主拉芯片C8051F040

　　C8051F040单片机是美国Cygnal公司生产的完全集成的混合信号系统级芯SoC，具有64 KB FLASH、4 352 B RAM，CAN控制器2.0，2个串行接口，5个16位定时器，12位A/D转换器，8位A/D转换器及12位D/A转换器等，它内部还带有JTAG接口，在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行，使调试变得非常方便。

　　2.3 运动控制芯片MCX314

　　MCX314是日本NOVA公司研制的DSP运动控制专用芯片，通过它可以控制由步进电机驱动器或由脉冲型伺服电机驱动的4轴的位置、速度和插补，从而进行定位控制、插补驱动、任意两轴的圆弧插补，脉冲速度范围在1 pps～4 Mpps，可满足绝大多数的高速驱动的需求。在MCX314中对应于每轴电机都有4个在驱动过程中使之减速停止/立即停止的外部输入信号。通过对这些输入信号的分配可以进行原点附近的高速检[page]

　　索、原点检索、编码器Z相检索等，该芯片还有输入位置控制信号、报警信号和编码器信号，而且，在驱动过程中还可以实时读取控制器运动轨迹的理论位置、实际位置、驱动速度、加速度、加减速度状态等。

　　MCX314运动控制芯片的性能指标如下：

　　(1)能够同时控制4个轴的伺服电机或步进电机;

　　(2)输出的驱动速度范围是从1 pps～4 Mpps;

　　(3)脉冲输出频率的精确度大于±0.1%(在CLK=16 MHz时);

　　(4)圆弧/直线插补中，坐标范围是从当前位置到-8 388 607～+8 388 607间;

　　(5)圆弧/直线插补中，插补精度是±0.5 LSB;

　　(6)圆弧/直线插补中，插补速度范围是从1 pps～4 Mpps;

　　(7)连续插补的最大驱动速度是2 MHz。

　　为达到系统对速度及位置精度的控制要求，设计中采用了10-3mm/p的下钻电机与10-3rad/p的转动电机。

　　3 软件设计

　　3.1 系统软件流程

　　系统软件包括触摸屏软件与MCU程序。其中触摸屏软件设计包括操作界面与各寄存器地址分配，通过威伦电子公司的配套组态软件Easy Builder系列可以方便地完成这部分软件的设计与下载。本系统中触摸屏参数设置为：PLC类型为Modbus RTU，通信口类型设置为RS 232/2W，波特率、数据位个数、效验位、停止位个数设置与MCU系统一致。MCU通过串口中断接收触摸屏指令，进而控制运动芯片，其程序主要包括MCU初始化与运动芯片初始化、串口中断程序、MCX314运动芯片读/写驱动、钻孔/攻牙/啄钻操作函数以及E2PROM读写程序。MCU主函数流程如图3所示，串口中断程序流程如图4所示。

3.2 Modbus协议

　　Modbus协议是MODICON公司1979年为自己的PLC产品而推出的一个开放式现场总线通信协议，是应用于电子控制器上的一种通用语言，是一种有效支持控制器之间以及控制器经网络(如以太网)与其他设备之间通信的协议，现已成为一种通用工业标准，不同厂商生产的控制设备可以通过该协议连成工业网络，集中监控。

　　Modbus协议定义了一种通用的消息结构，描述了控制器请求访问其他设备的一个过程，包括如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，并制定了消息域和内容的公共格式。当在此网络上通信时，每个控制器都拥有一个惟一的地址，并识别按地址发来的消息，最终决定要产生何种动作。如果需要回应，则控制器将生成反馈信息并按此协议格式回应。[page]

　　3.3 Modbus RTU通信模式

　　Modbus协议包括2种传输模式，即ASCII码和RTU模式。控制器可以设置为2种传输模式中的任何一种在标准的Modbus网络上通信。本设计采用RTU传输模式。

　　当控制器设备选用RTU模式通信时，消息中的每个字节包含2个4位的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，能够比ASCII码方式传送更多的数据。Modbus RTU主机消息帧结构如表1所示。

　　其中，地址码代表从机地址，设置为0，表示广播消息。功能码表示主机指令，包括读/写控钊状态、读/写寄存器等。数据区则为读/写寄存器地址及读取位数。RTU模式采用CRC校验。

　　相应的从机返回消息帧结构与主机消息帧结构类似，但是附加了数据字节长度，如表2所示。

　　3.4 MCX314运动控制芯片控制

　　MCU通过16位数据/地址总线与MCX314进行通信，可选择8位/16位数据总线格式。本设计采用了8位数据总线格式，在16位总线中分配8位为数据线，4位为地址线，4位为时序控制线。

　　MCX314是寄存器控制型芯片，对其所有操作都基于寄存器的读/写，按照其发送时序，先发送地址，后读取数据，其基本读/写函数实现如下：

　　读8位寄存器函数(写寄存器函数与其类似，只需写完置位P7)：

　　MCX314内部寄存器均为16位，基于以上读8位寄存器函数实现读16位寄存器函数(写寄存器函数类似)：

　　由于程序分别在串口中断与主函数处理指令过程中调用MCX314读/写寄存器函数，可能导致函数重入，造成寄存器读/写数据紊乱，因此在函数内部定义标志位，设计读/写函数为原子操作，防止函数重入。

　　基于以上读/写寄存器函数可对MCX314进行一系列操作控制，包括写入数据、读取数据、驱动指令与插补指令。在本设计中，写入数据及读取数据分别对应参数设置与系统状态的实时显示;驱动指令用于钻孔运动与啄钻运动;插补指令用于限定牙距的螺丝攻牙运动。通过上述指令实现以下系统操作函数，即运动芯片初始化函数、原点搜寻运动函数、定距手动钻孔函数、自动钻孔函数、啄钻函数、手动攻牙函数、自动攻牙函数等。

　　4 结语

　　利用Modbus串口协议开放、透明、开发容易等优点，结合MCX314运动控制芯片的高精度可控性，以及编程方便的总线接口方式，设计出成本低、操作简单、人机交互界面友好的触摸屏自动钻孔系统。本系统对位置与速度控制可分别精确至1×10-3mm与1×10-3mm/s，最高速度分别为4 000 mm/s与4 000 rad/s，最大钻孔深度可达8 000 mm，达到了工业生产中进行自动钻孔或螺丝攻牙的性能指标，并在工业生产中通过初步测试，工作稳定。由于Modbus协议具有网络控制能力，在实际工业生产中可并联多个钻孔系统共用一个触摸屏，通过触摸屏同时控制不同系统进行不同操作，或者采用广播模式控制多个系统进行同一操作，进一步实现低成本和自动化。