基于C8051和μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機床嵌控制器設(shè)計
在數(shù)控機床系統(tǒng)中,功能模塊可分為兩大部分:一部分是實時性要求不高的功能,例如人機界面交互管理等;另一部分是實時性要求高的功能,主要有伺服控制、插補計算等。根據(jù)這一特點,該系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu),利用 IPC豐富的軟件資源,提供圖形化的人機交互環(huán)境;利用嵌入式執(zhí)行控制器的高實時性和穩(wěn)定性,實現(xiàn)快速、可靠的控制,充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點。兩級之間用串行口進行實時通信。本文主要介紹嵌入式執(zhí)行控制器的實現(xiàn)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/236643.htm1 數(shù)控機床系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)控機床系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,IPC作為上位機,安裝有專用軟件,實現(xiàn)人機交互;C8051020 芯片及其外圍電路構(gòu)成的嵌入式執(zhí)行控制器作為下位機,負責(zé)實時、可靠的控制。執(zhí)行控制器通過串行口接收上位機的命令信息(包括:插補命令、開關(guān)量控制命令),再將這些信息轉(zhuǎn)換成控制信號輸送給相應(yīng)的執(zhí)行部件。例如,將插補命令轉(zhuǎn)換成一連串的插補信號,輸送給電機控制部件;將開關(guān)量控制命令轉(zhuǎn)換成輸出信號,通過I/O驅(qū)動隔離接口板輸送給相應(yīng)的開關(guān)控制器。執(zhí)行控制器同時還有2個檢測任務(wù):一個是刀具是否運動到各軸限位點的檢測,另一個是間隙電壓的檢測。這兩個信息將為運動時的自動調(diào)節(jié)控制提供依據(jù)。執(zhí)行控制器還負責(zé)將運行中的狀態(tài)信息組裝成幀,實時地傳送給上位機。
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要使用μC/OS-Ⅱ,首先就必須把這個內(nèi)核成功地移植到C805lF020上。μC/OS-Ⅱ的移植主要是對OS_CPU.H,OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_ C.C三個文件進行修改,下面就具體的修改內(nèi)容做介紹。
2.1 OS_CPU.H文件的修改
OS_CPU.H包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義。其中,需要修改的部分如下:
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2.2 OS_CPU_A.ASM文件的修改
該文件包含4個匯編語言函數(shù)。
(1)OSStartHighRdy()函數(shù)在多任務(wù)系統(tǒng)啟動函數(shù)OSStart()中調(diào)用。作用是設(shè)置系統(tǒng)運行標(biāo)志位OSRunning=TRUE;將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針Load到SP中,并強制中斷返回。
(2)OSCtxSw()函數(shù)是在任務(wù)級切換函數(shù)中調(diào)用的。作用是保存當(dāng)前任務(wù)的環(huán)境變量,將當(dāng)前SP存入任務(wù)TCB中,載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP,恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量,中斷返回。這樣就完成了任務(wù)級的切換。
(3)OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用。作用是實現(xiàn)中斷級任務(wù)切換。
(4)OSTIcklSR()系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù),其周期的大小決定了內(nèi)核所能給應(yīng)用系統(tǒng)提供的最小時間間隔服務(wù)。該中斷由C8051F020的TO定時器完成,設(shè)置定時時間為20 ms。修改代碼如下:
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其中:TOVAL是16位定時器T0的時間常數(shù),該系統(tǒng)采用25 MHz的外接晶振,模式1(16位)定時。
2.3 OS_CPU_C.C文件的修改
該文件中定義10個C函數(shù),如下:
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其中,最重要的是OSTaskStklnit(),它的作用是初始化堆棧,返回堆棧的最低地址、堆棧的長度,方便匯編語言實現(xiàn)任務(wù)的切換。其他9個函數(shù)是暫無具體功能,其功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)內(nèi)核擴展時添加。
3 基于μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計
3.1 執(zhí)行控制器的軟件結(jié)構(gòu)
如圖2所示,系統(tǒng)總體分為3個功能塊,即:與IPC的通信、命令解釋和命令執(zhí)行。其中,通信有發(fā)送和接收兩方面內(nèi)容;命令解釋時,直接執(zhí)行開關(guān)量控制命令;命令執(zhí)行中,需要進行插補計算、檢測間隙電壓和限位開關(guān)狀態(tài)及加工監(jiān)測。
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3.2 任務(wù)劃分及其優(yōu)先級的確足
(1)發(fā)送任務(wù)
嵌入式執(zhí)行控制器發(fā)送給IPC的信息有2種:聯(lián)絡(luò)信號和運行中的狀態(tài)信息。嵌入式執(zhí)行控制器處于待命狀態(tài)時,定期向IPC發(fā)送聯(lián)絡(luò)信號,用于確定IPC是否正常工作。若IPC運行正常,則IPC收到聯(lián)絡(luò)信號后,會回送給嵌入式執(zhí)行控制器一個應(yīng)答信號,若發(fā)送的多次聯(lián)絡(luò)信號都未收到應(yīng)答,則認為IPC出錯。嵌入式執(zhí)行器處于加工狀態(tài)時,將運行中的狀態(tài)信息以固定格式定期向IPC發(fā)送。IPC收到信息后,將其轉(zhuǎn)換成圖形、文字等信息顯示出來,提供給操作員,便于實時掌握加工狀態(tài),發(fā)送任務(wù)的實時性要求低。
(2)接收任務(wù)
嵌入式執(zhí)行控制器接收IPC機發(fā)送的聯(lián)絡(luò)、應(yīng)答和命令3種信息,若接收到聯(lián)絡(luò)信號或應(yīng)答信號,則接收任務(wù)直接處理(發(fā)送應(yīng)答信號或刷新聯(lián)絡(luò)狀態(tài)位);若既不是聯(lián)絡(luò)信號也不是應(yīng)答信號,則認為是命令信息,接收任務(wù)將命令完整接收后,關(guān)閉寫接收緩沖區(qū),激活命令解釋任務(wù)。接收任務(wù)是由通信口接收中斷觸發(fā)的,其實時性要求高。
(3)命令解釋任務(wù)
命令解釋任務(wù)首先對接收緩沖區(qū)的命令信息進行校驗和解釋,處理完成后,清空并開放接收緩沖區(qū),允許新命令的接收。這樣做的目的是不在接收緩沖區(qū)中積壓多條命令,在當(dāng)前命令解釋完成之前,不接收新命令,以提高嵌入式執(zhí)行控制器對命令的響應(yīng)速度。根據(jù)命令執(zhí)行時間的長短,將命令分為開關(guān)量控制命令和插補命令2 種。開關(guān)量控制命令的執(zhí)行時間短,因此在命令解釋后直接執(zhí)行,以減少任務(wù)切換的時間消耗。插補命令是加工命令,運行時間長,采用專門的加工監(jiān)控任務(wù)來執(zhí)行,命令解釋任務(wù)只負責(zé)在命令解釋完成后激活加工監(jiān)控任務(wù)。命令解釋任務(wù)的實時性要求高。
(4)加工監(jiān)控任務(wù)
加工監(jiān)控任務(wù)根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)(手動方式或自動方式)激活插補計算任務(wù),并進行加工狀態(tài)的監(jiān)控。手動工作方式下,操作員在PC機上手動控制刀具向 -x,+x,-y,+y,-z,+z六個方向運動、刀具返回基準(zhǔn)點、端面找正和孔中心定位等操作。自動工作方式下,操作員向控制器傳送直線、圓弧的運動命令,控制器自動完成該線形的運動。加工監(jiān)控任務(wù)的實時性要求較高。
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