摘要：为了使3D打印机的多个伺服电机运动得更快、更精确，提出一种依据PCIE总线运动操控系统的解决计划，并规划完善了整个运动操控系统的硬件架构。该系统的立异之处在于硬件部分经过PI3EQX5801对PCIE总线信号进行加强处理，使PCIE总线信号在经过长达1～3 m的传输后仍坚持高度的有用性。实践运用标明，此系统具有呼应时刻短、定位精确的特色，满意规划要求。
导言
现在3D打印机在工业、民用范畴得到广泛运用，跟着3D打印技能的改造，3D打印不仅在传统的制作职业体现出特殊的发展潜力，而且其魅力延伸至食物制作、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们日子休戚相关的范畴。经过比照各种芯片功用，选用PEX8311与X7043协同作业，PEX8311芯片对 PCIE总线信号进行译码，生成16路总线数据和地址信号，这些操控信号可用于X7043运控操控芯片，确保一起对最多4台伺服电机进行实时同步的操控。实验进程中发现即便3D打印机与主控机相距3 m，误码率仍在万分之一以下，对3D打印机的运动操控功用有显着进步。
1 总体规划
该套计划的系统结构图如图1所示，在整个规划中，用户操控主机，向下发送指令，指令信息最早抵达PCIE板卡，指令经过处理(如打包)依照PCIE总线协议发送到信号加强转接板，该板需刺进机箱内部插槽(金手指)，经过信号加强芯片，对PCIE总线信号加强，P13EQX5801芯片对信号重驱动后，信号能传输的有用间隔将大大添加。
总线信号中的读/写信息都是以高频差分对的办法传输，对特征阻抗的要求十分高，依照PCI2.0总线协议，差分对在PCB走线时不能超过15 cm，只要进行重驱动，才能使PCIE总线信号抵达打印机的运动操控模块，不然在线路传输中信号将被搅扰而失真，不能实现主机对3D打印机运动操控系统的实时操作。
运动操控系统硬件主要由上位机、工控机、P13EQX5801重驱动电路、PEX8311解析电路、X7043操控电路和3台伺服电机驱动系统组成，图2 所示即为整个系统结构。上位机为用户供给操作界面，工控机则用来发送上位机下达的指令给下位机，PCIE总线信息首要经过PI3EQX5801进行重驱动处理，以使信号在进行远间隔传输后不失真。在多轴运控操控电路板上装有PEX8311、X7043和CPLD芯片，PEX8311对传输过来的总线进行信号解析，发生能被X7043运用的数据总线、地址总线和操控总线信号，CPLD用于收集编码信号和来自伺服电机驱动器的信号，从而精确操控电机运转状况。侧重介绍具有立异含义的PI3EQX5801的运用。
2 PI3EQX5801的电路规划
PI3EQX5801特性：兼容PCIe 2.0协议，可调理量化接纳器，两路5.0 Gbps差分信号对，100 Ω匹配电阻差分输入端，为引脚加强的装备输出且能操控摆幅输出，单通道的输入信号检测和去噪，主动接纳检测，低电压作业为-330 mW(3.3 V)/-150 mW(1.5 V)，选用TQFN(4×4 mm)20引脚封装。
这款低功耗、高功用的信号驱动器是为PCIE 2.0协议特别研发的，芯片供给可编程量化器，去加剧，具有输出起伏操控功用，经过按捺系统内多样的物理前言发生的搅扰来优化芯片的功用。芯片支撑两路100 Ω特征阻抗的差分信号输入/输出，运用户平台上的AS%&&&&&%协议信号在经过转化组织、导线或长途数据线路后仍有用。
当通道使能时，EN#=0，开端操作，通道的输入信号极性决议输出极性，而不论输出是否激活。当输入通道的信号下降到阈值(Vth-)以下时，输出也被驱动到相同的电压。别的在有信号条件下，当EN#=1时，芯片会进入低功耗的待机方式。PI3EQX5801还包含一个彻底可编程的I2C总线接口。当 I2C总线操控方式使能时，I2C EN=1，量化、输出摇摆和去加剧功用的设置可以经过修改相应的寄存器得到调整。
特别注意的是该芯片的输出振幅设置，当信号频率为2.5 GHz时，电阻的选型可依据表1进行挑选，在默许情况下输出的振幅为被加强。
数据发送周期以主操控器发生的一位开端位开端，芯片在辨认这个开端位后，将监督下一位信息，看该数据是否与它的地址匹配。当发现匹配后，在接下来的时钟信号里，它将回应一个读或写的数据。每字节后都必须跟着一位应对位，除非最终的一个字节以一位中止位完毕。在一个发送周期中，跟着地址字节的第一个数据字节是伪字节或填充字节，并不被PI3EQX5801运用。这个字节是为了兼容运用10位地址的系统而发生的。数据传输中最早传输最重要的数据。
重驱动的电路规划参阅了百利通公司给出的规范图，为了让电路具有对其他设备的适用性，保留了官方装备时需求的各个电阻，在做PCB板时加入了拨码开关，可以依据不同需求进行方式挑选。
3 PEX8311规划
PEX8311起到桥梁作用，它将PCIE总线变成一般的部分总线信号。芯片支撑3种不同的总线协议或方式。因为该芯片引脚满足满意本操控系统的规划要求，所以该系统中运用C(非复用)方式，一共96个引脚。作为Local总线的主控方，PEX8311供给了一个32位的地址用于数据传输，8位数据传输时，LAD[31：0]供给字节地址;16位数据传输时，LAD[31：1]供给字地址，LAD[0]为0;32位数据传输时，LAD[31：2]供给双字地址，LAD[1：0]为00。作为Local总线的从控方，主控方以32位地址拜访PEX8311，LAD[1：0]疏忽，在ADS#有用期间、LCLK上升沿抵达时或许ALE有用时，输入的地址被锁存入PEX8311中。
在一个数据周期中，作为Local总线的主控方，PEX8311经过总线数据宽度拜访办法可以供给8/16/32位数据传输通道;作为Local总线的从控方，32位的数据总线被用来读取/写入PEX8311。
PEX8311上电后接纳PCIE协议信息完结本身的初始化，对部分总线进行读写操作。初始化进程代码如下：
4 X7043电路规划
X7043作为大规模%&&&&&%，能发生操控伺服电机和步进电机速度和方位的脉冲序列，最多能操控4个轴。芯片单元包含一个S形或线性的加快/减速脉冲发生器、一个线性插值除法器、一个依据形或三角形驱动的减速点主动计算器、多个编码器和计数器的输入脚(可用作当时方位计数器或误差计数器)，一个回原点的传感器接口、一个限位传感器接口、一个伺服驱动接口、一个8位多用途的输进口和一个8位多用途的输出口。输入为PEX8311解码后的数据信号，包含16位地址和8位数据，因为X7043只要8位输入，所以咱们只用到了16位地址线中的8位。
X7043具有多种指令办法，别离对应多种功用，发送指令代码时，代码先进入指令寄存器中。该系统最常用的指令代码有00h、01h、指数驱动，这样的驱动办法随同加快和减速进程，电时机先加快到最高速度，在最高速运转必定时刻后进入减速状况，抵达方针方位时刚好中止。电机转速状况如图3所示。
X7043运用前需先下载运用文件，对需求的功用进行装备，详细装备办法参阅官方的运用手册。
梯形正弦加快度设置公式：
Tsg=f×K×R5/131 072
梯形正弦减速度设置公式：
Tsg=f×K×R6/131 072。
其间，K代表速度分辨率，K=f/65536×R0;f为参阅时钟频率;R0频率系数寄存器值;R5为加快度设置寄存器值;R6是减速度设置寄存器值。
PEX8311写给X7043的程序代码如下：
实验中，对伺服驱动器输出数值进行收集，并对各轴的方针方位与实践方位进行剖析，调整梯形规划算法并优化上位机程序，以进步电机呼应速度。实践作用图如图4所示。
图中预设是反向220 r/min，粗线是实践转速，细线为设置转速，可以看出电机的转停没有较大的冲击，而且可以到达很高的操控精度。
结语
此运动操控系统选用具有高速数据处理才能的芯片，对从上位机下发的指令信号进行一整套的解析，在3D打印机的多轴操控实验中取得了很好作用，这套系统也可用于多轴操控的其他设备中。作为新计划，轴的运动速度及精度与进口3D打印机比较还有必定距离。若要到达国外高档3D打印机的打印精度，还需在操控算法上进行深入研究。现在，3D打印机在国内运用市场前景很宽广，这套运动操控系统为高精度、高效率的3D打印机规划供给了新思路。
