EtherCAT超高速實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡XPCIE1032H上位機(jī)C#開(kāi)發(fā)（十三）

XPCIE1032H功能簡(jiǎn)介

XPCIE1032H是一款基于PCI Express的EtherCAT總線運(yùn)動(dòng)控制卡，可選6-64軸運(yùn)動(dòng)控制，支持多路高速數(shù)字輸入輸出，可輕松實(shí)現(xiàn)多軸同步控制和高速數(shù)據(jù)傳輸。

XPCIE1032H集成了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，結(jié)合MotionRT7運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)軟核，解決了高速高精應(yīng)用中，PC Windows開(kāi)發(fā)的非實(shí)時(shí)痛點(diǎn)，指令交互速度比傳統(tǒng)的PCI/PCIe快10倍。

XPCIE1032H支持PWM，PSO功能，板載16進(jìn)16出通用IO口，其中輸出口全部為高速輸出口，可配置為4路PWM輸出口或者16路高速PSO硬件比較輸出口。輸入口含有8路高速輸入口，可配置為4路高速色標(biāo)鎖存或兩路編碼器輸入。

XPCIE1032H搭配MotionRT7實(shí)時(shí)內(nèi)核，使用本地LOCAL接口連接，通過(guò)高速的核內(nèi)交互，可以做到更快速的指令交互，單條指令與多條指令一次性交互時(shí)間可以達(dá)到3-5us左右。

?XPCIE1032H與MotionRT7實(shí)時(shí)內(nèi)核的配合具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.支持多種上位機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所有系列產(chǎn)品均可調(diào)用同一套API函數(shù)庫(kù)；

2.借助核內(nèi)交互，可以快速調(diào)用運(yùn)動(dòng)指令，響應(yīng)時(shí)間快至微秒級(jí)，比傳統(tǒng)PCI/PCIe快10倍；

3.解決傳統(tǒng)PCI/PCIe運(yùn)動(dòng)控制卡在Windows環(huán)境下控制系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性問(wèn)題；

4.支持一維/二維/三維PSO（高速硬件位置比較輸出），適用于視覺(jué)飛拍、精密點(diǎn)膠和激光能量控制等應(yīng)用；

5.提供高速輸入接口，便于實(shí)現(xiàn)位置鎖存；

6.支持EtherCAT總線和脈沖輸出混合聯(lián)動(dòng)、混合插補(bǔ)。

?使用XPCIE1032H和MotionRT7進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，通常需要進(jìn)行以下步驟：

1.安裝驅(qū)動(dòng)程序，識(shí)別XPCIE1032H；

2.打開(kāi)并執(zhí)行文件“MotionRT710.exe”，配置參數(shù)和運(yùn)行運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)內(nèi)核；

3.使用ZDevelop軟件連接到控制器，進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控。連接時(shí)請(qǐng)使用PCI/LOCAL方式，并確保ZDevelop軟件版本在3.10以上；

4.完成控制程序開(kāi)發(fā)，通過(guò)LOCAL鏈接方式連接到運(yùn)動(dòng)控制卡，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制。



?與傳統(tǒng)PCI/PCIe卡和PLC的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比：

我們可以從測(cè)試對(duì)比結(jié)果看出，XPCIE1032H運(yùn)動(dòng)控制卡配合實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核MotionRT7，在LOCAL鏈接（核內(nèi)交互）的方式下，指令交互的效率是非常穩(wěn)定，當(dāng)測(cè)試數(shù)量從1w增加到10w時(shí)，單條指令交互時(shí)間與多條指令交互時(shí)間波動(dòng)不大，非常適用于高速高精的應(yīng)用。

XPCIE1032H控制卡安裝

關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源。

打開(kāi)計(jì)算機(jī)機(jī)箱，選擇一條空閑的XPCIE卡槽，用螺絲刀卸下相應(yīng)的擋板條。

將運(yùn)動(dòng)控制卡插入該槽，擰緊擋板條上的固定螺絲。

XPCIE1032H驅(qū)動(dòng)安裝與建立連接參考往期文章EtherCAT超高速實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡XPCIE1032H上位機(jī)C#開(kāi)發(fā)（一）：驅(qū)動(dòng)安裝與建立連接。

一、C#語(yǔ)言進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

1.解壓下載的安裝包找到“ Zmcaux.cs ”，“ zauxdll.dll ”，“ zmotion.dll ”放入到項(xiàng)目文件中。 （

1）“Zmcaux.cs”放在項(xiàng)目根目錄文件中，與bin目錄同級(jí)。

（2）“zauxdll.dll”，“zmotion.dll”放在bin → Debug。

2.用vs打開(kāi)新建的項(xiàng)目文件，在右邊的解決方案資源管理器中點(diǎn)擊顯示所有，然后鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊zmcaux.cs文件，點(diǎn)擊包括在項(xiàng)目中。

3.雙擊Form1.cs里面的Form1，出現(xiàn)代碼編輯界面，在文件開(kāi)頭寫(xiě)入using cszmcaux,并聲明控制器句柄g_handle。

二、PC函數(shù)介紹

PC函數(shù)手冊(cè)也在光盤(pán)資料里面，具體路徑如下：“光盤(pán)資料8.PC函數(shù)函數(shù)庫(kù)2.1Motion函數(shù)庫(kù)編程手冊(cè) V2.1.pdf”。

指令11	ZAux_FastOpen
指令原型	int32 __stdcall ZAux_FastOpen(int type, char *pconnectstring, uint32 uims ,ZMC_HANDLE * phandle)
指令說(shuō)明	與控制器建立連接, 可以指定連接的等待時(shí)間
輸入?yún)?shù)	參數(shù)名 描述 type 連接類(lèi)型 type: 1-COM 2-ETH 4-PCI 5-LOCAL pconnectstring 連接字符串: COM口號(hào)/IP地址 uims 連接超時(shí)時(shí)間 uims;單位ms
輸出參數(shù)	參數(shù)名 描述 phandle 控制器連接句柄
返回值	成功返回值為0，非0詳見(jiàn)錯(cuò)誤碼說(shuō)明。
指令示例	串口連接: ZMC_HANDLE phandle;//控制器連接句柄 Char comID[32]= "0";//串口ID ZAux_FastOpen(1, comID,1000 ,&phandle); 網(wǎng)口連接例子： ZMC_HANDLE phandle;//控制器連接句柄 Char EthID[32]= "192.168.0.11";//網(wǎng)口ID ZAux_FastOpen(2, EthID,1000 ,&phandle); LOCAL接口連接例子： ZMC_HANDLE phandle;//控制器連接句柄 ZAux_FastOpen(5, "LOCAL1",1000,&phandle);
詳細(xì)說(shuō)明	type設(shè)置為5,zmotion.dll版本要在3.8.8.50以上。

指令3	ZAux_Direct_Cam
指令原型	int32 __stdcall ZAux_Direct_Cam(ZMC_HANDLE handle,int iaxis, int istartpoint, int iendpoint, float ftablemulti, float fDistance)
指令說(shuō)明	電子凸輪，CAM指令根據(jù)存儲(chǔ)在TABLE中的數(shù)據(jù)來(lái)決定軸的運(yùn)動(dòng)。
輸入?yún)?shù)	參數(shù)名 描述 handle 連接標(biāo)識(shí)。 iaxis 軸號(hào)。 istartpoint 起始點(diǎn)TABLE編號(hào)，存儲(chǔ)第一個(gè)點(diǎn)的位置。 iendpoint 結(jié)束點(diǎn)TABLE編號(hào)。 ftablemulti 位置乘以這個(gè)比例，一般為脈沖當(dāng)量。 fDistance 參考運(yùn)動(dòng)的距離，用來(lái)計(jì)算總運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
輸出參數(shù)	/
返回值	成功返回值為0，非0詳見(jiàn)錯(cuò)誤碼說(shuō)明。
指令示例	凸輪表例程
詳細(xì)說(shuō)明	注：兩個(gè)或多個(gè)CAM指令可以同時(shí)使用同一段TABLE數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作。 運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間由設(shè)置速度和第四個(gè)參數(shù)決定，運(yùn)動(dòng)的實(shí)際速度根據(jù)TABLE軌跡與時(shí)間自動(dòng)匹配。 TBALE數(shù)據(jù)需要手動(dòng)設(shè)置，第一個(gè)數(shù)據(jù)為引導(dǎo)點(diǎn)，建議設(shè)為0。 TABLE數(shù)據(jù)*table multiplier這個(gè)比例=發(fā)出的脈沖數(shù)。 請(qǐng)確保指令傳遞的距離參數(shù)*units是整數(shù)個(gè)脈沖，否則出現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)有細(xì)微誤差。

指令227	ZAux_Direct_SetTable
指令原型	int32 __stdcall ZAux_Direct_SetTable(ZMC_HANDLE handle,int tabstart, int numes, float *pfValue)
指令說(shuō)明	把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到TABLE中。
輸入?yún)?shù)	參數(shù)名 描述 handle 連接句柄。 tablestart 操作TABLE開(kāi)始的起始編號(hào) numes 寫(xiě)的個(gè)數(shù) pfValue 數(shù)據(jù)列表
輸出參數(shù)	/
返回值	成功返回值為0，非0詳見(jiàn)錯(cuò)誤碼說(shuō)明。
指令示例	Table寄存器的使用
詳細(xì)說(shuō)明	是控制器自帶的一個(gè)超大數(shù)組，數(shù)據(jù)類(lèi)型為32位浮點(diǎn)型（4系列及以上為64位浮點(diǎn)數(shù)），掉電不保存。

三、C#進(jìn)行自定義電子凸輪曲線的運(yùn)動(dòng)

自定義電子凸輪曲線的運(yùn)動(dòng)人機(jī)交互界面如下。

可根據(jù)需求，選擇導(dǎo)入對(duì)應(yīng)凸輪表數(shù)據(jù)或使用自定義數(shù)據(jù)。

1.在Form1的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用接口ZAux_FastOpen（），使在系統(tǒng)初始化的時(shí)候自動(dòng)鏈接控制器。

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    zmcaux.ZAux_OpenEth(IP_List.Text, out g_handle);
    if (g_handle != (IntPtr)0)
    {
        timer1.Enabled = true;
        //設(shè)置鏈接狀態(tài)按鈕
        status.BackColor = System.Drawing.Color.Green;
        status.Text = "已鏈接";
    }
    else
    {
        MessageBox.Show("控制器鏈接失敗，請(qǐng)檢查MotionRT7是否開(kāi)啟!", "警告");
        //設(shè)置鏈接狀態(tài)按鈕
        status.BackColor = System.Drawing.Color.Red;
        status.Text = "已斷開(kāi)";
    }
}

2.通過(guò)定時(shí)器更新參數(shù)信息。

//定時(shí)器
private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e)
{
    if(g_handle != null)
    {
        float dpos = 0, speed = 0;
        zmcaux.ZAux_Direct_GetDpos(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text),ref dpos);
        label_dpos.Text = Convert.ToString(dpos);
        zmcaux.ZAux_Direct_GetSpeed(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text), ref speed);
        label_speed.Text = Convert.ToString(speed);
    }
    else
    {
        status.BackColor = System.Drawing.Color.Red;
        status.Text = "已斷開(kāi)";
    }
}

3.利用提前加載好的凸輪表數(shù)據(jù)，利用cam指令進(jìn)行凸輪運(yùn)動(dòng)。

//凸輪表運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)
private void button3_Click(object sender, EventArgs e)
{
    if (g_handle == null)
        return;
    zmcaux.ZAux_Direct_SetUnits(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text),Convert.ToSingle(textBox_unit.Text));
    zmcaux.ZAux_Direct_SetSpeed(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text), Convert.ToSingle(textBox_speed.Text));
    zmcaux.ZAux_Direct_SetAccel(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text), Convert.ToSingle(textBox_accel.Text));
    zmcaux.ZAux_Direct_SetDecel(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text), Convert.ToSingle(textBox_decel.Text));
    zmcaux.ZAux_Direct_SetAtype(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text), 1);
    //進(jìn)行電子凸輪運(yùn)動(dòng)
    //設(shè)置運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為5s
    zmcaux.ZAux_Direct_Cam(g_handle, Convert.ToInt32(textBox_axis.Text),0, CamNum, Convert.ToSingle(textBox_unit.Text), Convert.ToSingle(textBox_speed.Text)*5);
}

4.外部導(dǎo)入凸輪表數(shù)據(jù)加載。

private void button_data_Click(object sender, EventArgs e)
{
    dataGridView_data.Columns.Clear();
    DataGridViewTextBoxColumn ActPos = new DataGridViewTextBoxColumn();
    ActPos.Name = "ActPos";
    ActPos.DataPropertyName = "ActPos";
    ActPos.HeaderText = "位置";
    dataGridView_data.Columns.Add(ActPos);
    OpenFileDialog ZaoLangFile = new OpenFileDialog();
    ZaoLangFile.Filter = "文本文件(*.txt;)| *.txt;| 所有文件| *.*; ";
    ZaoLangFile.ValidateNames = true;
    ZaoLangFile.CheckPathExists = true;
    ZaoLangFile.CheckFileExists = true;
    if (ZaoLangFile.ShowDialog() == DialogResult.OK)
    {
        string strFileName = ZaoLangFile.FileName;
        //其他代碼
        //FileStream FileRead = new FileStream(strFileName, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.Read);
        string DataTest = File.ReadAllText(strFileName);
        string[] strArray = DataTest.Split(new string[] { "
" }, StringSplitOptions.None);
        for (int i = 0; i < strArray.Length - 1; i++)
        {
            int index = dataGridView_data.Rows.Add();
            dataGridView_data.Rows[index].Cells[0].Value = strArray[i];
        }
        float[] Tablelist = new float[strArray.Length];
        for (int i = 0; i < strArray.Length - 1; i++)
        {
            Tablelist[i] = Convert.ToSingle(strArray[i]);
        }
        zmcaux.ZAux_Direct_SetTable(g_handle,0,strArray.Length,Tablelist);
        //記錄當(dāng)前寫(xiě)入凸輪表數(shù)據(jù)有多少
        CamNum = strArray.Length - 2;
    }
}

5.自定義凸輪表數(shù)據(jù)加載。

private void button6_Click(object sender, EventArgs e)
{
    dataGridView_data.Columns.Clear();
    DataGridViewTextBoxColumn ActPos = new DataGridViewTextBoxColumn();
    ActPos.Name = "ActPos";
    ActPos.DataPropertyName = "ActPos";
    ActPos.HeaderText = "位置";
    dataGridView_data.Columns.Add(ActPos);
    float[] CustomTable = new float[100];
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        CustomTable[i] = (float )((Math.Sin(Math.PI*2*i/100) / (Math.PI*2)) + i / 100) * 500;
        int index = dataGridView_data.Rows.Add();
        dataGridView_data.Rows[index].Cells[0].Value = CustomTable[i];
    }
    zmcaux.ZAux_Direct_SetTable(g_handle, 0, 100, CustomTable);
    CamNum = 100;
}

四、調(diào)試與監(jiān)控

01 電子凸輪

1.組成部分

電子凸輪是利用構(gòu)造的凸輪曲線來(lái)模擬機(jī)械凸輪，以達(dá)到機(jī)械凸輪系統(tǒng)相同的凸輪軸與主軸之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)控制器控制伺服電機(jī)來(lái)模擬機(jī)械凸輪的功能，不需要另外安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，電子凸輪又稱(chēng)Electronic CAM。

2.工作原理

電子凸輪屬于多軸同步運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是基于主軸外加一個(gè)或多個(gè)從軸系統(tǒng)，是在機(jī)械凸輪的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，電子凸輪多用于周期性的曲線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。 如下圖，機(jī)械凸輪按照凸輪的輪廓可以得出一段轉(zhuǎn)動(dòng)角度與加工位置運(yùn)動(dòng)軌跡，此軌跡為弧線，將該段弧線分解成無(wú)數(shù)個(gè)直線軌跡，組合起來(lái)得到一串趨近于弧線運(yùn)動(dòng)軌跡，電子凸輪直接將此段軌跡運(yùn)動(dòng)參數(shù)裝入運(yùn)動(dòng)指令，即可控制軸走出目標(biāo)軌跡。

設(shè)置一段電子凸輪的運(yùn)動(dòng)程序裝入控制器，通過(guò)編碼器將位置信號(hào)反饋給控制器，控制器將接收到的位置信號(hào)進(jìn)行處理后輸出給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器控制多個(gè)軸同步運(yùn)動(dòng)完成預(yù)設(shè)軌跡。

3.優(yōu)點(diǎn)

（1）電子凸輪的使用使機(jī)器的控制精度提高，控制距離加遠(yuǎn)，故障率降低，可靠性提高； （2）簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加靈活，使調(diào)試和維修變得簡(jiǎn)便。

（3）電子凸輪用軟件來(lái)控制信號(hào)，改變程序的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)就能改變運(yùn)動(dòng)曲線，應(yīng)用靈活性高，工作可靠，操作簡(jiǎn)單，不需要額外安裝機(jī)械構(gòu)件，因而不存在磨損的情況。

02 同步跟蹤

同步追蹤是一種常見(jiàn)的凸輪應(yīng)用，其動(dòng)作與“追剪”類(lèi)似，都是要求從軸（伺服）的位置在工作時(shí)與主軸同步，差別是“追剪”主要用于連續(xù)料的定長(zhǎng)切割，而“同步追蹤”則用于隨機(jī)料（也就是物品出現(xiàn)的時(shí)機(jī)不固定），因此啟動(dòng)信號(hào)是根據(jù)感測(cè)器，觸發(fā)后只追蹤一次，設(shè)定的距離到達(dá)便自動(dòng)回到起始位置，等下次觸發(fā)信號(hào)收到才會(huì)再次追蹤，常應(yīng)用于流水線，例如同步噴漆，瓶罐注料，物品夾取等應(yīng)用。

03 自動(dòng)凸輪

自動(dòng)凸輪是凸輪運(yùn)動(dòng)的一種，主要針對(duì)兩個(gè)軸之間的主從跟隨運(yùn)動(dòng)，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置幾個(gè)相關(guān)參數(shù)，便可以構(gòu)建主軸與從軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，位置關(guān)系不是存儲(chǔ)于TABLE表中，靠指令參數(shù)設(shè)置每段跟隨距離和變速過(guò)程，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中從軸的速度自動(dòng)計(jì)算以匹配主軸，常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程有跟隨加速、減速、同步。

自動(dòng)凸輪指令有MOVELINK、MOVESLINK、FLEXLINK等，常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)合有追剪、飛剪、輪切。

本例程介紹為CAM凸輪表運(yùn)動(dòng)的使用。

ZAux_Direct_Cam(ZMC_HANDLE handle,int iaxis, int istartpoint, int iendpoint,float ftablemulti, float fDistance) ZAux_Direct_Cam()指令根據(jù)存儲(chǔ)在TABLE中的數(shù)據(jù)來(lái)決定軸的運(yùn)動(dòng)，這些Table數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡的位置，是相對(duì)于運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)的絕對(duì)位置。

注：兩個(gè)或多個(gè)ZAux_Direct_Cam指令可以同時(shí)使用同一段TABLE數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作。

運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間由設(shè)置速度和第四個(gè)參數(shù)決定，運(yùn)動(dòng)的實(shí)際速度根據(jù)TABLE軌跡與時(shí)間自動(dòng)匹配。 TBALE數(shù)據(jù)需要手動(dòng)設(shè)置，第一個(gè)數(shù)據(jù)為引導(dǎo)點(diǎn)，建議設(shè)為0。

TABLE數(shù)據(jù)*ftablemulti這個(gè)比例=發(fā)出的脈沖數(shù)。

請(qǐng)確保指令傳遞的距離參數(shù)*units是整數(shù)個(gè)脈沖，否則出現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)有細(xì)微誤差。

如下圖，是運(yùn)動(dòng)為造浪設(shè)備運(yùn)動(dòng)的某段軌跡數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)入凸輪表數(shù)據(jù)加載到控制器的table凸輪表中，運(yùn)動(dòng)出來(lái)的實(shí)際軌跡，并在設(shè)置的指定時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)完成。

如下圖，運(yùn)行數(shù)據(jù)為內(nèi)部自定義sin波形的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，波形可以從圖中看出，運(yùn)動(dòng)小線段數(shù)據(jù)指定時(shí)間內(nèi)軌跡運(yùn)行完成。

審核編輯：劉清