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XX 工 學 院畢業(yè)設計說明書（論文）作 者: 學 號：學 院: 機械工程學院專 業(yè): 機械設計制造及其自動化題 目: 基于并口控制的數(shù)控機械運動研究指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)年 月畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要并口作為計算機的標準接口之一，已經廣泛應用于各種設備，用戶只需通過簡單的插入操作，就可將幾乎所有的外部設備連接到電腦上，并通過它來實現(xiàn)輸入、輸出或者是雙向連接。并行接口的傳輸?shù)奈粩?shù)，最常用的是8位，可通過接口一次傳送8個數(shù)據位。在計算機領域最常用的并行接口是LTP接口。PC機上的標準并口一般都是一個25針的接口。本課題的原理是將預先設定好的G代碼轉化為EMC2軟件能讀懂的信號，然后EMC2軟件通過計算機并口到驅動板將信號放大給驅動器脈沖信號，驅動器帶動步進電機然后就是雕刻機正常運行。本課題的主要任務就是認真研究關于并口控制的相關知識，以及結合所學知識和現(xiàn)在先進的控制技術，將并口應用于三軸運動控制系統(tǒng)中，再把實驗室中三維步進數(shù)控平臺的固高運動控制器用并口替換。關鍵詞 并口控制，三軸運動控制系統(tǒng)，替換，固高運動控制器畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Research On CNC Machinery MovementBased On The Parallel PortAbstractParallel port as one of the standard interface of the computer, has been widely used in a variety of equipment, just a simple insert operation can almost all external devices connected to the computer, and through it to the input, output, or bidirectional connection. Parallel port of digits, the most common is eight, through the interface a transmission eight data bits. In the field of computer parallel port is the most commonly used LTP interface. PC standard parallel port is usually a 25 injection interface. This topic is principle will predetermined G code into EMC2 software can read of the signal, and then EMC2 software through the computer parallel to the driver board will amplification to drive the pulse signal, drive drive stepping motor and then is carving machine normal operation. The main task of this project is to carefully study the relevant knowledge on the parallel port control, combined with the knowledge and state-of-the-art control technology, the parallel port used in three-axis motion control system, then Googol motion controlleris replaced with the parallel port.Keywords Parallel port control, Axis motion control system, Replace, Googol motion controller目錄1 引言 .11.1 課題簡介 11.2 并口的發(fā)展現(xiàn)狀 12 并口控制原理 .22.1 并口定義 22.2 并口控制特點 22.3 并口的分類 32.3.1 存儲器類 32.3.2 打印機類 32.3.3 加密鎖類 42.4 并口控制原理 42.5 并口控制模式 62.6 并口連接線 72.7 并口連接器 73 并口控制實現(xiàn) .93.1 并口訪問 93.1.1 并口管腳及寄存器 93.1.2 并口的系統(tǒng)資源 .153.1.3 并口的內部結構 .163.2 并口輸出 .174 并口控制應用 204.1 固高運動控制器 .204.2 端子板內部接線 .244.2.1 CN1 引腳與并口引腳 .264.2.2 CN2 引腳與并口引腳 .265 并口控制應用的試驗驗證 286 并口控制應用的未來展望 29結論 .30致謝 .31參考文獻 .3211 引言1.1 課題簡介本次畢業(yè)設計課題為“基于并口控制的數(shù)控機械運動研究”。其主要任務就是認真研究關于并口控制的相關知識，以及結合所學知識和現(xiàn)在先進的控制技術，將并口應用于三軸運動控制系統(tǒng)中，再把實驗室中三維步進數(shù)控平臺的固高運動控制器用并口替換。1.2 并口的發(fā)展現(xiàn)狀并行接口，指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據的接口標準。通常所說的并行接口一般稱為 Centronics 接口，也稱 IEEE1284，最早由 Centronics Data Computer Corporation 公司在 20 世紀 60 年代中期制定。Centronics 公司當初是為點陣行式打印機設計的并行接口。它每次單向并行傳輸 1 字節(jié)數(shù)據，速度高于當時的串行接口，獲得廣泛應用，成為打印機的接口標準。1991 年以后，各大公司為擴大其應用范圍而與其他接口競爭，改進了 Centronics 接口，使它實現(xiàn)更高速的雙向通信，以便能連接磁盤機、磁帶機、光盤機、網絡設備等計算機外部設備（簡稱外設） ，最終形成了IEEE1284-1994 標準，數(shù)據率從 10KB/s 提高到可達 2MB/s。而現(xiàn)在，并口已經成為了計算機配置的標準接口之一，并口在很多領域廣泛應用，成為了數(shù)據采集的通用接口。用戶只需通過簡單的插入操作，就可將幾乎所有的外部設備連接到電腦上，并通過它來實現(xiàn)輸入、輸出或者是雙向連接。打印機仍然是連接到并口上的最常見設備，但外部磁帶機、磁盤驅動器、掃描儀等其他設備也得到了廣泛的應用。便攜式電腦可以使用基于并口的網絡接口或者是游戲操縱桿，許多并口還被用于數(shù)據采集，測試和控制等特殊場合。另外，在很多需要計算機和外設之間進行通信的通用小型設備中，并口也是通信設備的首選。2 并口控制原理2.1 并口定義并行接口，指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據的接口標準。并行接口的傳輸?shù)奈粩?shù)，最常用的是8位，可通過接口一次傳送8個數(shù)據位。在計算機領域最常用的并行接口是LTP接口。PC機上的標準并口一般都是一個25針的接口。22.2 并口控制特點并行接口最基本的特點是在多根數(shù)據線上以數(shù)據字節(jié)為單位與I/O設備或被控對象傳送信息。如打印機接口，A/D，D/A轉移器接口，IEEE-488接口，開關量接口，控制設備接口等。與此相應的有串行接口，它是在一根線上以數(shù)據位為單位與I/O設備或通信設備傳送信息。如CRT，鍵盤及調制解調器接口等。因此，并行口的“并行”含義不是指接口與系統(tǒng)總線一側的并行數(shù)據線而言，而是指接口與I/O設備或被控對象一側的并行數(shù)據線。并行接口適用于近距離傳送的場合。由于各種I/O設備和被控對象多為并行數(shù)據線連接，CPU用并行口來組成應用系統(tǒng)很方便，故使用十分普通。在并行接口中，除了少數(shù)場合之外，一般都要求在接口與外設之間設置并行數(shù)據線的同時，至少還要設置兩根握手信號線，以便互鎖異步握手方式的通信。握手信號線在有些接口芯片中是固定的。在并行接口中，8位或16位是一起行動的，因此，當采用并行接口與外設交換數(shù)據時，即使是只用到其中的一位，也是一次輸入/輸出8位或16位。并行傳送的信息，不要求固定的格式，這與串行傳送的信息有數(shù)據格式的要求不同。從并行接口的電路結構來看，并行口有硬件連接接口和可編程接口之分。硬件連接接口的工作方式及功能用硬件連接來設定，用軟件編程的方法不能改變；如果接口的工作方式及功能可以用軟件編程序的方法改變，就叫可編程接口。并口有如下優(yōu)點：1. 協(xié)議簡單：因為PC機和外設之間的多種狀態(tài)和控制信號可以用硬件表達，因此可以簡化通訊協(xié)議，即PC機與外設之間的通訊通過硬件握手來完成。2. 多種工作模式選擇：一般的主板都支持SPP、EPP、ECP等。3. 性能高：為了克服串口速度慢，IBM等公司開發(fā)了并口，并口能同時通過8條數(shù)據線傳輸信息，速度明顯高于串口，而且在ECP模式下可以通過DMA方式通訊。有些目標系統(tǒng)為了追求低成本和高效率而靈活的時序，沒有專門的CPU來控制系統(tǒng)的運行，而是由目標系統(tǒng)硬件本身來實現(xiàn)控制邏輯。這些系統(tǒng)往往需要使用硬件握手來完成數(shù)據的傳輸，并口相比較串口和USB而言，易于實現(xiàn)硬件握手。因此當通訊距離不長而且需要使用握手進行通訊時，并口不失為一種首選方案。2.3 并口的分類并口類設備可以分為三種類型：存儲器類、打印機類、加密鎖類。32.3.1 存儲器類存儲器類包括常見的 ATA 硬盤、軟驅、光驅等，ATA 其實是 IDE 設備的接口標準，大部分硬盤、光驅、軟驅等等都使用的是 ATA 接口。譬如現(xiàn)在還有大部分使用者用的都是并行 ATA 接口的硬盤，應該對它許多針排線的接口是再熟悉不過了，平常我們說到硬盤接口，就不得不提到 Ultra-ATA/100、Ultra-ATA/133，這表示該硬盤接口的最大傳輸速率為 100MB/s 和 133MB/s，且硬盤是以并行的方式進行數(shù)據傳輸，所以我們也把這類硬盤稱為并行 ATA,它的最大優(yōu)點在于把 CPU 從大量的數(shù)據傳輸中解放出來了，可以把數(shù)據從 HDD 直接傳輸?shù)街鞔娑徽加酶嗟?CPU 資源，從而在一定程度上提高了整個系統(tǒng)的性能。以平行數(shù)據線做為設備與計算機間的連接線，性能較高、不用安驅動、價值較低廉。在硬盤類產品中，由于硬盤類并口技術在處理碼間干擾信號產生反射并疊加到時序靠后的信號中、信號發(fā)送端與接收端產生的時間偏移、串音干擾即限制了傳輸?shù)木嚯x、直流偏置要求的電路復雜程序高等方面有自身的限制而阻礙了向更高速率的發(fā)展，目前的此類并行接口硬盤逐漸由新型的串口硬盤所替代，但由于像軟驅、光驅等產品的接口按現(xiàn)行的并口技術效率已經可長期滿足應用，串口暫時存在著安裝驅動的因素，以及早期由“串口技術”轉為“并口技術”再又回到“新型串口技術”階段還需要長期的論證與實際應用，因此做為存儲類并口技術型設備還有其自身的價值。2.3.2 打印機類打印機(LPT)并行口一般有 25 個引腳，其中包括 8 位數(shù)據線,5 位打印機狀態(tài)線,4位控制線，目前主要有三種打印機類型的并口：“Normal”、“EPP”和“ECP”。其中 Normal 又分為 4bit、8bit、半 8bit 等幾類。 Normal 是一種低速的并口模式，適合打印輸出。EPP 口(Enhanced Paralle Port)，即增強并行口，向下兼容所有在此之前存在的并行接口及外設,是由 Intel、Xircom、Zenith 等一些公司開發(fā)的，目的是在外部設備間進行雙向通訊。ECP 口(Extended Capabilities Port)即擴展并行口，由 Microsoft 和 HP 開發(fā)，它具有和 EPP 一樣的速率和雙向通訊能力，但在多任務環(huán)境下，它能使用 DMA(直接存儲器訪問) 方式，所需緩沖區(qū)也不大?，F(xiàn)階段的主板大都支持以上三種并口模式，為盡量增強并口的性能一般都將并口設定為 ECP+EPP，但如果當連接并口的外設出現(xiàn)兼容性錯誤時，應該將并口設置為 Normal 模式。打印機端口可供利用的資源比較豐富，可以用來實現(xiàn)較高速的雙向數(shù)據通信，而代價又很低。42.3.3 加密鎖類關于并口加密鎖的應用領域較為特殊，常常為一些應用軟件，做為軟件的硬授權進行加密交換算法，達到保護知識產權的效果。這種并口加密鎖的應用有特殊的并口通信協(xié)議，以脈沖形式的握手信號，可有效對抗各種跟蹤調試工具及軟件。更具有代碼移植技術，按傳統(tǒng)加密思想加密后的軟件系統(tǒng)中，軟件部分實際上仍然包含有原軟件系統(tǒng)正常運行時所需要的所有信息（指令算法和數(shù)據）。在經過代碼移植技術加密的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件部分已不完整，解密者即使歷盡千辛萬苦把軟件分析透徹了，軟件系統(tǒng)的正常運行還是離不開軟件狗的支持。該技術將待加密軟件與加密系統(tǒng)緊密配合，將需要保護的軟件完全封裝在黑盒中，通信過程中，將其中的若干根信號線作為數(shù)據傳輸線，若干根作為電源傳輸線；而且每根數(shù)據端口線的作用可以進行動態(tài)再分配。這種方法可以讓端口分析儀幾乎失去作用，抗分析性極強。軟件部分目前只采用內含式加密法分為五個模塊：底層 I/O 操作模塊、用戶接口模塊、反跟蹤模塊、異常處理模塊和全自動操作模塊?，F(xiàn)今由于各類服務器及筆記本接口的發(fā)展，并口加密鎖也逐漸由 USB 口所替代，出現(xiàn)了更多的 USB 口的打印設備、加密鎖設備，但由于USB 口的驅動程序對于系統(tǒng)往往存在著不穩(wěn)定因素，因此兩種接口技術的設備共同存在。2.4 并口控制原理在計算機領域中，接口是微處理器或CPU用來與其他組件之間進行數(shù)據交換的一組信號線。接口的典型應用是連接打印機、調制解調器、鍵盤、顯示器等除系統(tǒng)存儲器之外的幾乎所有組件和設備。大多數(shù)計算機接口都是數(shù)字式的，也就是說，每個信號或者說位，要么是0，要么是1。并口即打印機接口，它和RS一232端口一起構成PC機通信的主要途徑。在一些新型PC機中，可能還有SCSI、USB、lrDA等其他端口，但傳統(tǒng)并口應用的廣泛性和靈活性使其仍然是每臺PC機中不可或缺的部分。并行接口中各位數(shù)據都是并行傳送的，能一次同時輸出或輸入8個高低電平，代表8位二進制，如8條線的電壓分別是：高、低、高、低、高、高、低、低，那就代表二進制：10101100.這些電壓是可以自保持的，就是在你沒有控制它變化時，它可以保持原來的電壓，即所謂的寄存器鎖存功能。電腦可以通過改變并口上各線上電壓的高低，來達到控制外部設備5的目的。如圖2.1所示，圖中的并行接口是一個雙通道的接口，能完成數(shù)據的輸入和輸出。其中，數(shù)據的輸入/輸出是由輸入/輸出緩沖器來實現(xiàn)的，狀態(tài)寄存器提供狀態(tài)信息供CPU查詢，控制寄存器接收來自CPU的各種控制命令。在數(shù)據輸入過程中：輸入設備將數(shù)據送給接口同時使“數(shù)據輸入準備好”有效。接口把數(shù)據送給輸入緩沖寄存器時，使“數(shù)據輸入回答”信號有效，當外設收到應答信號后，就撤消“數(shù)據輸入準備好”和數(shù)據信號。同時，狀態(tài)寄存器中的相應位（“數(shù)據輸入準備好”）有效，以供CPU查詢。當然，也可采用中斷方式，向CPU發(fā)出中斷請求。CPU在讀取數(shù)據后，接口會自動將狀態(tài)寄存器中的“數(shù)據輸入準備好”位復位。然后，CPU進入下一個輸入過程。在數(shù)據輸出過程中：當CPU輸出的數(shù)據送到數(shù)據輸出緩沖寄存器后，接口會自動清除狀態(tài)寄存器中的“輸出準備好”狀態(tài)位，并且把數(shù)據送給輸出設備，輸出設備收到數(shù)據后，向接口發(fā)一個應答信號，告訴接口數(shù)據已收到，接口收到信號后，將狀態(tài)寄存器中的“輸出準備好”狀態(tài)位置“1”。然后，CPU進入下一個輸出過程。圖2.1 并口控制原理圖2.5 并口控制模式隨著PC機設計的快速發(fā)展，生產廠商推出了幾種改進型的并口。這些新型的并口與原始設計兼容，同時加入一些主要以提高速度為目的的新功能。PC機與外圍設備的速度不斷提高，它們所完成的工作越來越復雜，所要交換的信息日益增加，因此，并6口的速度也就日益重要。傳統(tǒng)并口的速度對于向點陣、菊花鏈式打印機傳送代表ASCll字符的字節(jié)而言，已經綽綽有余。但是，現(xiàn)在的打印機要完成在一頁中用不同顏色打印出不同字體、細致的圖表之類的工作，就必須從PC機得到更多的信息，PC機向打印機傳送這些信息的速度越快，打印機就能越迅速地開始處理和打印結果。更快的并口還可以使用戶能用便攜的、以外設形式出現(xiàn)的設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式下只能內置于計算機的組件。如并口磁帶機或磁盤驅動器可以方便地從一個系統(tǒng)移至另一個系統(tǒng)。1.SPP 即標準并口，數(shù)據是半雙工單向傳輸?shù)?，傳輸速度只?150/S，主要功能：為并行端口提供了 8 個數(shù)據線以進行并行的字節(jié)傳輸，計算機能夠通過數(shù)據線向打印機發(fā)送選能信號，以通知打印機準備好接收數(shù)據，打印機接收到數(shù)據后，向計算機發(fā)送一個回應信號（NACK）。2.PS/2 型 即簡單雙向型，對并行接口的一種早期改進方案是由 IBM 的 PS/2 引入的雙向數(shù)據端口，這種雙向端口容許外設每次向 PC 機發(fā)送 8 位信息?，F(xiàn)在，PS/2 型并口是指所有具有雙向數(shù)據端口，但不是后面介紹的 EPP 或 ECP 模式的并行接口。8字節(jié)模式是 PS/2 型并口可以用來實現(xiàn)從外設到 PC 數(shù)據傳輸?shù)囊粋€ 8 位數(shù)據傳輸協(xié)議。3.ECP 即擴充功能并口，它是由 HP 和 microsoft 首先推出的。ECP 是雙向接口，并能以 ISA 總線速度傳送數(shù)據。ECP 有緩沖區(qū)，支持直接存儲器訪問傳輸和數(shù)據壓縮。ECP 傳輸尤其適用打印機、掃描儀及其他需要進行大塊數(shù)據傳送的外設。4.EPP 即增強型并行接口，最早是由芯片廠商 Intel，PC 廠商 Zenith 及并行接口網絡產品生產商 Xircom 研制的。它采用的是雙向數(shù)據線。在 ISA 擴展總線的一個周期，也就是大約 1ms 的時間內，EPP 可以完成包括握手聯(lián)絡在內的一字節(jié)的數(shù)據傳送。而同樣完成這一工作，SPP 或 PS/2 接口則需要使用 4 個總線周期。EPP 可以實現(xiàn)快速轉向，因此它很適合用于磁盤、磁帶驅動器等需要進行雙向數(shù)據傳輸?shù)脑O備。EPP 同樣是模擬 SPP 的，一部分 EPP 還可以模擬 PS/2 型并口工作。5.多模式接口，很多新型接口支持多種模式，可以工作在以上提到的部分或者全部模式下，用戶可以使用配置選擇，使用上述各種接口形式，或者使用其中一些而禁止其他。72.6 并口連接線最早的 Centronics 并口電纜長度為 2 米，且只能支持 10KB/s 的數(shù)據率傳輸，對性能要求不高。為了把數(shù)據率提高到 2MB/s 以上，對 IEEE1284 電纜提出許多特殊要求：1）因為是并行數(shù)據，為避免傳輸時各 BIT 數(shù)據間的串擾，每條數(shù)據線都需要配合一條地線，形成雙絞線結構；2） 每對信號和返回地線間的不平衡特性阻抗為 62 歐±6 歐（在頻帶 4M-16MHz上）；3）線間串擾不超過 10%； 4)電纜有屏蔽層，并與接頭的屏蔽殼連接，使用 360 度包裹。2.7 并口連接器并行接口，通常主機上是25針D型接口，打印機上是36針彈簧式接口（Centronics接口）。IEEE1284 標準規(guī)定了 3 種連接器，分別稱為 A、B、C 型：A 型：25PIN DB-25 連接器，只用于主機端。DB-25 孔型插座（也稱 FEMALE 或母DB-25針形電纜插頭（公頭）頭），用于 PC 機上，外形如附圖：這種 A 型的 DB-25 針型插頭（也稱 MALE 或公頭），因為尺寸較小，也有少數(shù)小型打印機（如 POS 機打印機等）使用（非標準使用），但電纜要短。 圖 2.2 A 型B 型：36PIN 0.085inch 間距的 Champ 連接器，帶卡緊裝置，也稱 Centronics 連接器，只用于外設。36PIN Centronics 插座 36PIN Centronics 插座（SOCKET 或8FEMALE），用于打印機上。圖 2.3 B 型C 型：新增加的 Mini-Centronics 36PIN 連接器，也有稱 MDR36，36PIN 0.050inch間距，帶夾緊裝置，既可用于主機，也可用于外設，應用還不夠普遍，因有競爭力的新的接口標準的不斷出現(xiàn)，普及應用很難。圖 2.4 C 型3 并口控制實現(xiàn)3.1 并口訪問PC 并口又稱打印機接口，與其他通用 I/O 口性質完全一樣，它由一個 25 芯的 D型接口提供 TTL 輸入和輸出信號。一般它有 12 個輸出口和 5 個輸入口可供利用，能夠滿足雕刻機信號的要求，即利用程序通過輸出多通道數(shù)字波形實現(xiàn)對混合式步進電機和電源的控制，以及通過鍵盤信號實現(xiàn)操作人員與控制系統(tǒng)的交互。通過 windows 以及其他軟件等多種方式都可以對并口進行讀寫，其中最直接的方法就是對并口數(shù)據寄存器的讀寫。進行并口通訊，就是和 I/O 端口進行通訊，無論是 windows 還是linux，都是把 I/O 端口的地址映射到進程的內存空間，而且地址可以通過 BOIS 設置，在 linus 中可以通過 Proc 文件系統(tǒng)查看。訪問并口，就是訪問并口的各個寄存器，這樣就有兩種方法，一是在用戶空間使用 C 函數(shù)庫直接訪問 I/O 端口，這是用戶空間驅動；一是先寫內核空間的驅動，再在用戶空間通過內核空間驅動訪問端口，這是內核9空間驅動。寫用戶空間驅動還是內核空間驅動由幾個因素決定。內核空間驅動由于它不可剝奪，因此速度更快；在用戶空間只能按照內核規(guī)定的方式訪問硬件，因此它更加安全；由于在內核中可以訪問任意的地址空間，因此它可以更加靈活和方便的訪問硬件。而用戶空間驅動則更加容易實現(xiàn)，而且調試和運行更加方便，因為它一般不會導致系統(tǒng)的崩潰，并且不需要編譯整個系統(tǒng)，但是往往需要特定的權限才可以訪問硬件?？傊?，如果為了方便可以寫用戶空間驅動，為了效率和安全則應該寫內核驅動空間。本課題的原理是將預先設定好的 G 代碼轉化為 EMC2 軟件能讀懂的信號，然后EMC2 軟件通過計算機并口到驅動板將信號放大給驅動器脈沖信號，驅動器帶動步進電機然后就是雕刻機正常運行如下圖所示。G 代碼 驅動板驅動器 步進電機 雕刻機EMC2輸出脈沖與方向圖 3.1 整體原理圖EMC（增強機器控制）是一款用來控制機床（銑床、車床等）的計算機軟件系統(tǒng)，也是一款開源的自由軟件。當前軟件只許可 GPL 和 LGPL 的版本。軟件具有以下幾個特點：（1） 它提供了幾種不同的用戶界面可供使用，是一種 G 代碼翻譯器；（2） 是一種帶預處理功能的實時運動規(guī)劃系統(tǒng)；（3） 可直接操作底層的機床電器如傳感器、電機驅動器等；（4） 它獨有的“面包板層”可以使用戶像使用“面包板”做電路實驗一樣很容易的創(chuàng)建適合自己機器的獨有配置文件；（5） 是可用梯形圖編程操作的 PLC 軟件；（6） 以上所有這些都集成到一張 Live-CD 上面，易于安裝。10但是這個軟件不提供 CAD 和 CAM 功能，不能畫圖，也不能從圖直接導出 G 代碼。它可以支持 9 軸聯(lián)動并且還可以支持不同的接口。既能夠實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的運動控制，又能控制模擬 PWM 接口的伺服電機。在運動控制方面還具有很多優(yōu)點：刀具半徑和長度補償、路徑偏差可限制在給定的誤差范圍內、車床車螺紋、多軸聯(lián)動、自動適應進給速度、手動進給覆蓋、恒速控制等。通過調整運動學模塊的參數(shù)還可以支持非笛卡爾運動系統(tǒng)。下面是 EMC 的部分圖。圖 3.2 EMC 界面圖11圖 3.3 EMC 界面圖3.1.1 并口管腳及寄存器標準的 PC 并口使用 3 個 8 位的端口寄存器。這些端口寄存器與并口管腳存在對應關系，我們可以通過這 3 個端口寄存器去監(jiān)控并口管腳，這三個端口寄存器依次是數(shù)據寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器。其中每個端口都有自己的端口號，相當于它們的地址。程序通過端口號來訪問端口寄存器。PC 并口 1 的數(shù)據端口號為 3BCH，狀態(tài)端口號為 3BDH，控制端口號為 3BEH；PC 并口 2 的數(shù)據端口號為 378H，狀態(tài)端口號為 379H，控制端口號為 37AH；PC 并口 3 的數(shù)據端口號為 278H，狀態(tài)端口號為 279H，控制端口號為 37AH；1.數(shù)據寄存器：數(shù)據寄存器或稱數(shù)據端口保存了寫入數(shù)據輸出端口的字節(jié)信息。數(shù)據寄存器可以寫入數(shù)據，也可以讀出數(shù)據。寫入的是我們希望從數(shù)據寄存器引腳輸出的數(shù)據，讀出的是我們上次寫進去或原來保留的數(shù)據。對應引腳：2 3 4 5 6 7 8 9（位：D0-D7）信號源是 PC。12表3.1 數(shù)據寄存器2.狀態(tài)寄存器：狀態(tài)端口或稱狀態(tài)寄存器保存的是 5 個輸入（位：S3-S7）的邏輯狀態(tài)。S0-S2 位不出現(xiàn)在并口連接器中。除了 S0 以外，狀態(tài)寄存器是只讀的，讀出的數(shù)據信息是狀態(tài)端口引腳上的邏輯狀態(tài)。S0 是支持 EPP 傳輸并口的超時標志信息。對應引腳：15 14 13 12 11 （S3-S7）信號源是外設。S7：打印機使用該信號表示打印機正處在忙狀態(tài)，不能再接受數(shù)據。S6：當適配器發(fā)出選通信號時，打印機就會產生該信號作為響應。S5：當打印機缺紙時，他就會產生這樣一個信號。S4：當打印機恢復正常操作時，他就會產生這樣一個信號。S3：當打印機出現(xiàn)錯誤時。表3.2 狀態(tài)寄存器133.控制寄存器：控制端口或稱控制寄存器保存了 C0-C3 的 4 位控制信息。控制寄存器通常用來輸出，但也可以作為輸入。要從控制位上讀取外部邏輯信號，首先將向相應的輸出寫入1，然后讀取控制寄存器的值。對應引腳：C0-1 C1-14 C2-16 C3-17。表3.3 控制寄存器在接線時沒有提及的針腳懸空不管。下圖為各個管腳功能：1415表3.4 并口引腳定義PC 并口控制采用并口輸出的方法來實現(xiàn)與外部設備的接口。標準并口具有 12 個輸出位（D0-D7 、C0-C3） ，5 個輸入位（S3-S7） 。由于每路步進電機驅動器需要 2 個數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用 10 個數(shù)字輸出位。通過步進電機驅動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅動步進電機。并口的輸入位用來檢測回零開關信號、限位開關信號以及急停輸入信號。但是由于輸入資源有限，采用將各個軸電機的正負限位和回零信號分別并聯(lián)的方法，每個并聯(lián)位各占用一個并口輸入位。具體結構如圖 3.4：16圖 3.4 并口引腳EMC2的并口有17個引腳可用。對Stepconf Wizard來說，是12個輸出引腳+5個輸入引腳（當然還有其它的并口組合可用，不過不在Stepconf Wizard討論范圍之內）。在這個頁面你能做的是為每個引腳選擇功能（輸出引腳有23種功能可選，輸入引腳有 40種功能可選，具體選哪個要參考你要和并口連接的硬件了）。如果信號電平是反的（0V代表true/active，而5V代表false/inactive），那就要把該引腳的“invert”選項勾上。Output pinout presets ：Sherline機床和Xylotex驅動的并口順序都是固定的，所以EMC2在這個頁面為它們準備了兩個快捷鍵，可以自動設置第 2-9 腳。Inputs and Outputs ：不用的輸入引腳或輸出引腳都要設成“Unused”。External E Stop ： 外部急停開關，要設在某一個輸入引腳上。典型的急停開關回路應使用常閉觸點實現(xiàn)。Homing & Limit Switches ：原點和限位開關，要設在某一個輸入引腳上。Charge Pump ： 電荷泵，有的驅動板需要一個電荷泵信號輸入。這時可以選一個輸出引腳把它設成電荷泵功能，再把該引腳接到驅動板的電荷泵輸入端就可以了。Stepconf會把電荷泵輸出和base thread關聯(lián)起來，電荷泵輸出的頻率將是“maximum step rate”的一半。3.1.2 并口的系統(tǒng)資源(l)尋址并口使用計算機的許多資源。每個接口都占用一個地址段，所不同的只是地址段的長度和位置。許多接口配置有IRQ(中斷請求)等級，而 ECP還可能分配有DMA通道。17并口使用的系統(tǒng)資源不能與包括別的并口在內的其他系統(tǒng)組件所占用的資源相沖突。標準并行接口使用三個連續(xù)地址，通常是下面列出地址范圍中的一個:3BCh，3BDh，3BEh378h，379h，37Ah278h，279h，27Ah其中的第一個地址是接口的基地址，也稱為數(shù)據寄存器地址或簡稱接口地址。第二個地址為接口的狀態(tài)寄存器地址，第三個則是控制寄存器地址。在早期的PC機中，并口基地址是3BCh ，新型系統(tǒng)采用378h作為基地址。但是系統(tǒng)為并口保留了上述的三組地址，只要并口硬件兼容，還是可以將它配置到其中任何一個地址域。通常DOS和Windows系統(tǒng)將第一個接口稱為LPTI，第二個、第三個接口依次稱為LPTZ和LPT3 。盡管第一個接口可以出現(xiàn)在任何一個地址域中，但通常它都放在378h處。(2)中斷大多數(shù)并口都可以檢測來自外設的中斷信號。外設可以通過使用中斷信號，通知PC機它已做好了接收或發(fā)送一個字節(jié)的準備。要使用中斷，首先要為并口配置中斷請求優(yōu)先級(IRQ) 。按照中斷請求優(yōu)先級慣例， LPTI使用IRQ7，LPTZ使用IRQS。但是很多聲卡使用的也是IRQS，由于系統(tǒng)中的空閑IRQ可能很少，有時 IRQ7也被占用。一些并口容許使用上述兩個優(yōu)先級之外的其他IRQ。(3)DMA通道ECP采用直接存儲器訪問(DMA，DirectMemoryAccess) 方式進行并口的數(shù)據傳輸。在DMA 傳輸過程中，CPU 可以處理其他工作，從而提高總體效率。要使用DMA 方式，必須為并口配置0一3個DMA通道。(4)尋找現(xiàn)存接口DOS和WindowS系統(tǒng)可以實現(xiàn)查詢現(xiàn)存接口，檢查其他系統(tǒng)資源的功能。使用Windowsgx時，在“控制面板”中依次點擊“系統(tǒng)” 、 “設備管理器” 、 “端口”選項，接著點開一個端口，就可以找到它的地址分配情況，如果有的話，還將給出端口的IRQ優(yōu)先級和DMA通道。在windows3.1和Dos系統(tǒng)中，可以使用MierosoftDia，ostie(msd.exe) 定位端口，指定IRQ優(yōu)先級和其他系統(tǒng)細節(jié)。183.1.3 并口的內部結構并口在硬件上包含數(shù)據端口、狀態(tài)端口和控制端口，其對應的地址為378h，379h，37燦(通常在一個并口情況下)，其內部結構如圖所示。圖中描述了并口適配器的設計結構。在該適配器和微處理器之間使用PC總線接口進行連接。適配器的輸出連接在一個25針D型連接器上。對于最近PC而言，許多適配器都集成在主板上了，并且還有一些PC使用插入式的適配器進行連接。帶有區(qū)段標記的命令譯碼器專門用來對地址信息進行譯碼。該命令譯碼器使用10根地址線(AO~Ag)、IOR*、IOW* 和CONTROL作為其輸入信號，使用數(shù)據寫、數(shù)據讀、狀態(tài)讀、控制讀、控制寫作為其輸出信號。數(shù)據位DO一D7與緩沖器1、緩沖器2、緩沖器3輸出相連，同時這8個數(shù)據位也是鎖存器1和鎖存器2的輸入驅動信號。只有當口百信號處于低電平時才可以使用這三個緩沖器，否則這三個緩沖器處于高阻狀態(tài)。只有當輸入端口已經準備好數(shù)據，并且輸入時鐘變?yōu)榈碗娖綍r，鎖存器才起作用，并在輸入時鐘的上升沿開始數(shù)據傳輸。除了來自適配器的輸出信號外，狀態(tài)端口的某數(shù)據位還可以在控制端口某一位的控制下產生中斷請求。圖 3.5 并口內部結構193.2 并口輸出并口接受來自計算機的輸出信號然后傳輸給控制器。通過并口可以進行數(shù)據輸出, 也可以進行數(shù)據輸入, 非常適合于一般的數(shù)字 I/O。由于步進電機有極高的轉行精度, 多工作在開環(huán)控制狀態(tài), 因此, 可以利用并口的數(shù)據輸出功能, 取代傳統(tǒng)的步進電機控制電路中的脈沖信號發(fā)生器, 由程序控制并口產生一個數(shù)字脈沖序列, 送于步進電機的驅動電路, 作為電脈沖信號, 控制步進電機轉動。并口的端口設置是由計算機系統(tǒng)設置程序自動配置的, 初始化過程把并行端口配置成 LPT1( 對配有一個并口的通用型微機而言), 分配了相應的中斷資源和不同的數(shù)據地址, 狀態(tài)地址和控制地址: IRQ7、 數(shù)據地址 0378H、 狀態(tài)地址 0379H、 控制地址 037AH。我們采用 PC 并口開環(huán)控制混合式步進電機，由計算機的并口通過編制程序輸出進給脈沖和方向脈沖給驅動器，從而控制混合式步進電機。因為這種方法主要具有以下幾個特點:(1)PC 并口可以在合適的程序控制下產生多通道數(shù)字波形，利用這一特性便可以同時控制多臺混合式步進電機協(xié)調工作。(2)硬件電路設計簡單易行。(3)在編制控制軟件時，可以采用多中國編程方式，不僅具有友好的人機交互界面，且實時性高。(4)利用計算機處理器進行插補運算，速度快、精度高，滿足激勵變化的要求。步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角” ）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差，所以廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行是要有一個電子裝置進行驅動的，這種裝置就是步進電機驅動器。它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。所以步進電機的轉速與脈沖的頻率成正比。因此，只要控制步進電機脈沖信號的頻率就可以對電機精確調速，而控制步進電機脈沖的個數(shù)就可以對電機精確定位。步進電機驅動器還可以對電機的步距角進行細分。步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了。如驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為“電機固有步距角”的十分之一，也就是說：當驅動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機就轉動 1.8°；而用細分驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉動了 0.18°，這就是細分的基本概念。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。要搞清楚步進電機的接20線方式，首先我覺得應該先弄懂步進電機的工作原理。按照常理來說，步進電機接線要根據線的顏色來區(qū)分接線。但是不同公司生產的步進電機線的顏色是不一樣的，特別是國外的步進電機。這樣一來，步進電機的接線就應該用萬用表打表。步進電機內部構造如下圖：圖 3.6 步進電機內部結構通過上圖可知，A，A-是連通的，B，B-是連通的。那么，A 和 A-是一組 a，B和 B-是一組 b。因此要驅動步進電機無非是輪流給 a 組和 b 組線連續(xù)的脈沖，這樣步進電機就能驅動了。不管是兩相四線、四相五線還是四相六線步進電機，內部結構都是如此。至于究竟是四線、五線還是六線，就要看 A 和 A-之間，B 和 B-之間有沒有公共端 com 端。如果 a 組和 b 組各有一個 com 端，則該步進電機為六線。如果 a 組和 b 組的公共端連在一起則是五線的。所以，要弄清步進電機如何接線，只需把 a 和 b 組分開就可以了。分開的方法就是用萬用表測兩根線，如果相通便是一組。本課題用到的步進電機便是兩相四線的，所以只要將這兩相分別如下圖所示接到驅動器對應的 A+，A- 和 B+，B-21上即可。驅動器細分的優(yōu)點主要有：完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑。如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細分驅動器是唯一的選擇。不僅如此，細分還可以提高電機的輸出轉矩。尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高了約 30-40%。還能提高電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機的分辨率也是不言而喻的。在接線驅動器時，應遵循功率線（電機相線，電源線）與弱電信號線分開的原則，以避免控制信號被干擾。在無法分別布線或有強干擾源（變頻器，電磁閥等）存在的情況下，最好使用屏蔽電纜傳送控制信號；采用較高電平的控制信號對抵抗干擾也有一定的意義。為了取得最滿意的驅動效果，需要選取合理的供電電壓和設定電流。供電電壓的高低決定電機的高速性能，而電流設定值決定電機的輸出力矩。供電電壓的選定：一般來說，供電電壓越高，電機高速時力矩越大，越能避免高速時掉步。但另一方面，電壓太高可能損壞驅動器，而且在高電壓下工作時，低速運動振動較大，所以要選用一個合適的電壓值。輸出電流的設定值：對于同一電機，電流設定值越大時，電機輸出力矩越大，但電流大時電機和驅動器的發(fā)熱也比較嚴重。所以一般情況是把電流設成供電機長期工作時出現(xiàn)溫熱但不過熱時的數(shù)值。本課題用到的是四線電機，一般情況下，四線電機的高速度模式是輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值。這兩個引腳是兩個+5V 的高電平這兩個引腳分別是 X 軸的脈沖和方向信號這兩個引腳分別是 Z 軸的脈沖和方向信號這兩個引腳分別是 Y 軸的脈沖和方向信號22圖 3.7 驅動板的實際接線圖驅動板上的綠顏色的線接的是脈沖信號，與驅動器上的脈沖端相連。棕色的線接的方向信號，與驅動器上的方向端相連。至于橙色和藍色的線是驅動板上的兩個+5V的接線端，橙色線是與公共端相連的（公共端接線要求是 TTL 電平） ，而藍色的線在SM-202A 上是與 ENA 端相連的，在 SH-20403 上是與脫機端相連的。這兩個端口的接線要求都是要懸空或者是接高電平（這里接的是高電平） ，否則驅動器就處于自由狀態(tài)。圖 3.8 整體接線圖如上圖所示，計算機與驅動板之間通過計算機并口連接，并由計算機控制板給驅動板提供一個 5V 的電源。然后驅動板通過四根信號線與步進電機驅動器連接在一起，一個 24V 的電源給驅動器提供電流。最后就是步進電機驅動器與雕刻機上的各個軸的步進電機相連以至驅動雕刻機。4 并口控制應用因為固高運動控制器成本較高等原因，結合并口控制的各種優(yōu)點，現(xiàn)用并口控制替換運動控制器控制，且保證實驗臺原有的運動效率。234.1 固高運動控制器固高公司生產的GT運動控制器，可以同步控制四個運動軸，實現(xiàn)多軸協(xié)調運動。本次試驗用到的運動控制器型號是GT400SV-ISA-G。其含義為：GT——系列符號，GT 系列。400——可控軸數(shù),200:2 軸，300:3 軸，400:4 軸。SV——輸出類型，SV：模擬量或脈沖量；SP：脈沖量，有編碼器讀數(shù)功能；SG：高頻脈沖輸出(1MHz) ；SD：占空比可調脈沖輸出；SE：低頻脈沖輸出（256KHz） PCI——PCI總線。ISA——總線類型，ISA：ISA總線；PCI：PCI 總線。G——接口板類型，G：標準型；A：A/D轉換型；R：驅動繼電器型；O：定制型。PCI系列運動控制器的外形結構如圖4.1所示：24圖4.1 PCI系列運動控制器連接器示意圖固高電機控制系統(tǒng)由運動控制器，具有 PCI 插槽的 PC，具有增量式編碼器的步進電機，驅動器，驅動器電源，+12V 到+24V 直流電源（用于接口板電源），原點開關、正負限位開關。聯(lián)接電機和驅動器：在驅動器沒有與控制卡聯(lián)接之前，聯(lián)接驅動器與電機。聯(lián)接控制卡和端子板，關閉計算機電源，取出產品附帶的兩條屏蔽電纜。聯(lián)接控制器的 CN1 與端子板的 CN1，轉接板的 CN2 與端子板的 CN2，如圖 4.2 所示：圖 4.2 運動控制卡和端子板連接示意圖聯(lián)接端子板電源，端子板的 CN3 接外部電源。板上標有+12V～+24V 的端子接+12V～+24V，標有 OGND 的接外部電源地，至于使用的外部電源的具體的電壓值，取決外部的傳感器和執(zhí)行機構的供電要求，使用時應根據實際要求選擇電源。專用輸入包括驅動報警信號、原點信號和限位信號，通過端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)、CN12與驅動器及外部開關相連。CN5的定義見表5，CN12的定義見表4.2，連接方法見圖8。專用輸出包括驅動允許，驅動報警復位。專用輸出通過端子板CN5、CN6、CN7、CN8 與驅動器聯(lián)接。CN5 對應 1 軸，CN6 對應 2 軸，CN7 對應 3 軸，CN8 對應 4 軸。CN5～CN8 的引腳定義相同，見表 4.1，連接方法見圖 4.3。25表 4.1 端子板 CN5（CN6、CN7、CN8）定義表 4.2 端子板 CN12 引腳定義26表4.3 端子板CN9引腳定義表4.4 端子板CN10引腳定義圖 4.3 專用輸入、輸出信號連接圖