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。

　　人機交互界面采用臺灣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。