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摘要：本文開發出一套小型計算機數控系統。在硬件上,由上位機和下位機兩部分構成。上位機采用PC機或工控機,主要實現與用戶交互.,完成數據處理。下位機采用MCS-51單片機系統,主要實現通訊及強實時信號的處理。下位機控制軟件使用了嵌入式實時操作系統μC/OS-II進行開放式數控系統的開發。軟件設計部分,上位機采用Visual Basic為開發工具,下位機采用C51、51匯編。 1 引言 隨著科技的進步,數字控制技術、數控系統得到飛速發展。機床的計算機數控系統就是這些機電一體化技術最具代表性的系統。計算機數控系統是由計算機承擔數控中的命令發生器與控制器的數控系統。計算機接收的位置運動的指令,將其生成各坐標軸的位置命令并實時輸出給各坐標軸的控制器,控制器按控制策略控制各軸伺服系統,使驅動器驅動執行機構,帶動機器的各坐標軸按給定命令運動。 2 微型計算機數控系統總體介紹 微型數控(CNC)系統的硬件分成了兩大部分,PC 機部分和一塊用MCS-51 單片機開發的硬件電路板,這兩部分是使用串行口RS-232 連接起來的。(本文下面提到的上位機、下位機分別指PC 機、單片機系統)上位機上的軟件負責實現本系統的用戶操作界面、零件加工程序的輸入、譯碼、速度計算等功能,最后形成一組供下位機插補計算用的數據信息。下位機除了處理一些實時性強的機床信號外,主要任務就是根據上位機指令執行機床控制和插補運算,輸出機床的控制信號。微型數控系統的簡單結構如圖1。 3 上位機軟件設計 3.1 上位機軟件總體設計框圖 上位機軟件的開發是使用運行在Windows 操作系統下的VisualBasic 工具完成的,選用VisualBasic 是因為它的簡單易用,而且對于本系統的開發具有足夠強大的功能。上位機軟件的結構如圖2。 從圖 2 中可以清楚地看出上位機軟件的基本功能。首先,上位機軟件提供了一個零件加工程序的編輯窗口,按照系統預先設定的語法編寫零件加工程序,然后編譯,如果沒有錯誤提示的話,編譯的程序就可以送到下位機開始加工了;如果程序中有語法錯誤,則系統會給出提示,幫助修改。其次,上位機模擬機床控制面板的主要功能按鍵,通過鼠標點擊這些按鍵完成相應的機床控制,如機床的啟動、停止,主軸X、Y 方向的位置調整等等。另外,上位機接收并顯示來自下位機的信息。 3.2 譯碼 譯碼的功能是將輸入的零件加工程序翻譯成本系統能識別的信息。不同的系統有不同的數據格式。一般用戶輸入的數控加工程序采用ISO 標準碼編制,譯碼就是把用戶標準的數控加工程序轉換為本系統能識別的數據格式。 零件加工程序輸入之后,點擊“Compile”按鈕將開始進入譯碼模塊。譯碼模塊主要由兩個嵌套的循環來實現,外循環針對零件加工程序的所有數據段,處理一個數據段執行一次循環;內循環針對一個數據段(把一個數據段看成是山若干個用空格分開的字符串組成)包含的各個字符串,處理一個字符串執行一次循環。因為對于一個數據段,譯碼模塊用一次循環處理,所以譯碼模塊首先計算零件加工程序中總共有多少個數據段,并用變量記錄這個數,作為循環控制的條件。然后進入循環,對每個數據段進行處理。首先取第一個數據段,再讀取第一個字特串的第一個字符,接下來是一個Switch 語句判斷讀到的是個什么字符。根據零件加工程序編寫的語法規范,循環執行,直到所有數據段處理完畢。最后形成譯碼結果,保存在一個字符數組當中。為零件加工的開始做好了準備。整個譯碼處理過程思路清晰,結構簡單,而且以后可以很方便的擴展數控編程功能,只要在Switch 語句中添加Case 項就可以實現。 3.3 異步串行通信 本系統采用了 RS-232 異步串行通信從上位機向下位機輸入數據。在設計PC-MCU 通信協議時,PC 是主控者,單片機主要是被動接收PC 發來的數據等內容。PC 發送給單片機的內容有三種,一種是機床控制命令,一種是用于插補的數據,還有一種端口測試命令。單片機發送給PC 機的主要是機床狀態信息、端口測試返回和數據正確接收的確認幀。 本通信協議的設計思想是基于幀傳輸方式。即向 RS-232 串口發送命令信號、數據信號時,是一幀一幀傳送的。為了數據可靠傳輸,傳送每幀數據時進行數據累加和校驗,如果傳送出錯,要求重新傳送。連續傳送三次錯誤,系統就退出通信并提示串口傳送失敗。 3.4 數控加工程序編寫 本系統要求零件加工程序的編寫采用ISO 標準代碼,并結合上位機軟件作了些約定: 1.輸入格式的約定,要求每個數據段中不同代碼部分之間用空格隔開,每一段用“#”作為結束標志符。結束符和代碼之間也用空格隔開。 2.在零件加工程序中允許出現的字符是:G、M、S、T、F、X、Y、I、K、#以及數字,正負號,小數點等。 3.G、M 后只能跟兩位數字,其它字母后的數字不限。 4.每段中允許有不同組的G 碼,M 碼,若屬于同一組則出錯。 5.整個零件加工程序以“END”,作為結束段。 下面有一個小程序作為例子來說明這些約定,供參考。 G00 X010 Y000# G01 X026 Y010# G01 X010 Y014# G03 X013 Y-13 113 K00 # G01 X000 Y000# End 由于使用的是標準代碼,至于各條語句的具體含義在此不多介紹。 4 下位機設計 4.1 下位機硬件設計 下位機硬件結構采用 MCS-51 單片機作為處理機,由于控制軟件采用了代碼公開的實時嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ,所需代碼空間至少在8K 字節以上,所需數據空間也超過了該系列CPU 內部所能提供的數量,所以必須擴展外部存儲空間,考慮到以后系統擴展,目前使用了一個32K 字節的EPROM 和一個8K 字節的RAM 作為系統運行的存儲空間。代碼公開的實時嵌入式操作系統。μC/OS-Ⅱ可以移植到許多的微處理器上,前提是該處理器必須要有堆棧指針,有CPU 內部寄存器入、出棧指令。μC/OS-Ⅱ是為嵌入式應用而設計的,很適合用在這種小型的系統中。 由于單片機內部的存儲器不能滿足實際需要,因此需要從外部進行擴展,配置外部存儲器,包括程序存儲器EPROM 和數據存儲器RAM。本系統根據實際軟件需要,并考慮到系統今后的擴展,采用了32KEPROM27C256 作為系統外部程序存儲器,采用8K 靜態RAM6264 作為外部數據存儲器。采用靜態RAM 設計時,無需外部刷新電路,因此與CPU 的接口簡單。 考慮到微型數控系統與機床的信息交換,只有一個八位端口是不夠用的,因此要進行系統I/O 擴展。選用了可編程控制的外圍并行接口8255A。由于外圍I/O 芯片與外部數據存儲空間是統一編址的,它不僅占用數據存儲器的地址單元,而且使用數據存儲器的讀寫控制指令和讀寫指令,這就要求硬件設計中要考慮數據存儲器與外圍I/O 芯片的地址譯碼。 RS232 串行通信接口選擇最簡單的應用接法,只用了三根線,即串行接收RXD、串行發送TXD 和接地線GND。將“串行發送”和“串行接收”交叉連接,地線直接相連,其余信號線都不用。用軟件來實現通信的“握手”、空閑檢測等功能。選用了MAX232 串口通信信號轉換芯片來實現RS232 與TTL 的電平轉換和正負邏輯電平的轉換。 4.2 系統抗干擾設計 形成干擾的因素有三個:干擾源、傳播路徑和敏感器件。成為干擾源的都是一些電壓或電流變化比較快的器件或信號;傳播路徑是指從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介;敏感器件是容易被干擾的器件,如A/D、D/A 轉換器,數字IC 等。抗干擾設計的原則是抑制干擾源,切斷傳播路徑,增強敏感器件的抗干擾能力。采取的主要措施是電路板上每個 IC 并接一個0.01μF 高頻電容,以減少IC 對電源的影響。電容的引線要盡量短。布線時避免90 度折線,減少高頻噪音發射。盡量使晶振和單片機的引腳靠近,晶振外殼接地。布線時盡量加粗電源線和地線,可降低耦合噪音。單片機閑置的I/O 口接地或接電源。另外選擇好的電源,對減少干擾很有幫助。 4.3 下位機軟件設計 本系統使用μC/OS-Ⅱ實時嵌入式操作系統開發單片機控制軟件。其軟件流程如下: 1.系統初始化 下位機上電或是復位以后,系統將從程序代碼空間的首地址0x0000 開始執行,如果用C語言編寫MCS-51 程序的話,就是從Main()函數的開始處執行。程序首先執行整個單片機系統的軟硬件初始化,包括操作系統的初始化和硬件定時器、串口等初始化。示意圖如4。 2.創建任務 初始化完成之后,下位機就進入到了正常工作階段了。這個時候內存中有了開始創建的4個任務,分別是任務serialOperate,解析接收到的上位機命令;任務interpolation,插補計算,輸出控制信號;任務misc 處理M 碼及其他空閑任務OSTaskIdle。起初由于沒有接收到上位機的各種命令,系統處于就緒等待狀態。這個時候,μC/OS-Ⅱ中優先級別最低的默認任務-空閑任務OSTaskIdle()得到了運行。空閑任務不作任何有意義的工作。 3.中斷處理 當上位機通過串口向下位機發送工作指令時,下位機產生串口中斷接收信息,等接收到一個完整的幀之后,串口中斷服務程序將從Serylnt()中通過語句OSSemPost(seRecSem)發出信號量seRecSem。這個時候正在等待這這個信號量的任務serialOperate 接收到信號量它將在中斷服務程序退出之后恢復運行。 5 本文作者創新點 本文的主要目的是進行計算機數控系統的研究,并且進行微型數控系統的實際開發工作。這是一個綜合、復雜的機電一體化系統。上位機數控系統軟件的開發,采用了Windows作為開發平臺,VisualBasic 作為開發工具,主要是考慮到Windows 良好的用戶界面以及其廣泛的應用,操作人員只要使用過Windows 操作系統就能很容易操作該軟件。本系統上位機和下位機的通信采用了串行RS-232 接口,這種串行通信接口使用簡單,編程容易,而且上、下位機的硬件都能支持。下位機控制軟件采用了μC/OS-Ⅱ多任務實時操作系統,該實時操作系統的使用改變了傳統數控系統的軟件開發流程。 |
