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　　本文基于Modbus串口協議的威倫觸摸屏與通用型C8051系列單片機作為硬件平臺，結合MCX314運動控制芯片，實現了一個結構簡單、成本低、有良好人機交互且控制精度高的自動鉆孔系統。

　　1 自動鉆孔系統架構

　　為實現良好的人機交互，系統通過觸摸屏實時顯示鉆頭運行狀態，包括位置，轉速，鉆孔速度等參數，同時可以對轉速，鉆孔速度，鉆孔深度，攻牙牙距等參數進行設置，設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。

　　系統中，鉆頭運行距離以毫米為基本單位，要求達到小數點后2位的精度，也即10-2mm，對鉆孔速度則以10-2mm/s為最小調節精度。最高轉速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。同時要求提供可設定次數的啄鉆操作。

　　人機交互界面采用***威倫電子公司開發的MT6100i觸摸屏，使用Modbus協議與微處理器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讀取。MCX314芯片通過光電耦合驅動伺服電機，帶動鉆頭，整體系統框架如圖1所示。

　　2 系統主控板硬件設計

　　主控板以微控制器為核心，實現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運動控制芯片構成，兩者通過16位數據/地址總線方式通信，MCU通過讀寫運動控制芯片內部寄存器對其輸出脈沖的開關、速率和脈沖量等進行設置，并經過光電耦合電路驅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協議由觸摸屏控制MCU對運動控制芯片發送指令以及讀取數據。同時還提供E2PROM作為參數存儲模塊，可將設定的運行參數保存起來，系統啟動時先讀取E2PROM獲取參數，而無需每次開機都重新設置參數。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公司生產的完全集成的混合信號系統級芯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轉換器，8位A/D轉換器及12位D/A轉換器等，它內部還帶有JTAG接口，在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行，使調試變得非常方便。

　　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動器或由脈沖型伺服電機驅動的4軸的位置、速度和插補，從而進行定位控制、插補驅動、任意兩軸的圓弧插補，脈沖速度范圍在1 pps～4 Mpps，可滿足絕大多數的高速驅動的需求。在MCX314中對應于每軸電機都有4個在驅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、驅動速度、加速度、加減速度狀態等。

　　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)圓弧/直線插補中，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)圓弧/直線插補中，插補速度范圍是從1 pps～4 Mpps;

　　(7)連續插補的最大驅動速度是2 MHz。

　　為達到系統對速度及位置精度的控制要求，設計中采用了10-3mm/p的下鉆電機與10-3rad/p的轉動電機。

　　3 軟件設計

　　3.1 系統軟件流程

　　系統軟件包括觸摸屏軟件與MCU程序。其中觸摸屏軟件設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軟件Easy Builder系列可以方便地完成這部分軟件的設計與下載。本系統中觸摸屏參數設置為：PLC類型為Modbus RTU，通信口類型設置為RS 232/2W，波特率、數據位個數、效驗位、停止位個數設置與MCU系統一致。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/寫驅動、鉆孔/攻牙/啄鉆操作函數以及E2PROM讀寫程序。MCU主函數流程如圖3所示，串口中斷程序流程如圖4所示。

　　3.2 Modbus協議

　　Modbus協議是MODICON公司1979年為自己的PLC產品而推出的一個開放式現場總線通信協議，是應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網絡(如以太網)與其他設備之間通信的協議，現已成為一種通用工業標準，不同廠商生產的控制設備可以通過該協議連成工業網絡，集中監控。

　　Modbus協議定義了一種通用的消息結構，描述了控制器請求訪問其他設備的一個過程，包括如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，并制定了消息域和內容的公共格式。當在此網絡上通信時，每個控制器都擁有一個惟一的地址，并識別按地址發來的消息，最終決定要產生何種動作。如果需要回應，則控制器將生成反饋信息并按此協議格式回應。

　　3.3 Modbus RTU通信模式

　　Modbus協議包括2種傳輸模式，即ASCII碼和RTU模式。控制器可以設置為2種傳輸模式中的任何一種在標準的Modbus網絡上通信。本設計采用RTU傳輸模式。

　　當控制器設備選用RTU模式通信時，消息中的每個字節包含2個4位的十六進制字符。這種方式的主要優點是：在同樣的波特率下，能夠比ASCII碼方式傳送更多的數據。Modbus RTU主機消息幀結構如表1所示。

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　　其中，地址碼代表從機地址，設置為0，表示廣播消息。功能碼表示主機指令，包括讀/寫控釗狀態、讀/寫寄存器等。數據區則為讀/寫寄存器地址及讀取位數。RTU模式采用CRC校驗。

　　相應的從機返回消息幀結構與主機消息幀結構類似，但是附加了數據字節長度，如表2所示。

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　　3.4 MCX314運動控制芯片控制

　　MCU通過16位數據/地址總線與MCX314進行通信，可選擇8位/16位數據總線格式。本設計采用了8位數據總線格式，在16位總線中分配8位為數據線，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，按照其發送時序，先發送地址，后讀取數據，其基本讀/寫函數實現如下：

　　讀8位寄存器函數(寫寄存器函數與其類似，只需寫完置位P7)：

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　　MCX314內部寄存器均為16位，基于以上讀8位寄存器函數實現讀16位寄存器函數(寫寄存器函數類似)：

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　　由于程序分別在串口中斷與主函數處理指令過程中調用MCX314讀/寫寄存器函數，可能導致函數重入，造成寄存器讀/寫數據紊亂，因此在函數內部定義標志位，設計讀/寫函數為原子操作，防止函數重入。

　　基于以上讀/寫寄存器函數可對MCX314進行一系列操作控制，包括寫入數據、讀取數據、驅動指令與插補指令。在本設計中，寫入數據及讀取數據分別對應參數設置與系統狀態的實時顯示;驅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。通過上述指令實現以下系統操作函數，即運動芯片初始化函數、原點搜尋運動函數、定距手動鉆孔函數、自動鉆孔函數、啄鉆函數、手動攻牙函數、自動攻牙函數等。

　　4 結語

　　利用Modbus串口協議開放、透明、開發容易等優點，結合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。本系統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，達到了工業生產中進行自動鉆孔或螺絲攻牙的性能指標，并在工業生產中通過初步測試，工作穩定。由于Modbus協議具有網絡控制能力，在實際工業生產中可并聯多個鉆孔系統共用一個觸摸屏，通過觸摸屏同時控制不同系統進行不同操作，或者采用廣播模式控制多個系統進行同一操作，進一步實現低成本和自動化。