一種基于MCS51的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著科技的進(jìn)步,數(shù)字控制技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)得到飛速發(fā)展。機(jī)床的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)就是這些機(jī)電一體化技術(shù)最具代表性的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)控中的命令發(fā)生器與控制器的數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)接收的位置運(yùn)動(dòng)的指令,將其生成各坐標(biāo)軸的位置命令并實(shí)時(shí)輸出給各坐標(biāo)軸的控制器,控制器按控制策略控制各軸伺服系統(tǒng),使驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),帶動(dòng)機(jī)器的各坐標(biāo)軸按給定命令運(yùn)動(dòng)。

2 微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體介紹

微型數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的硬件分成了兩大部分,PC 機(jī)部分和一塊用MCS-51 單片機(jī)開發(fā)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(jī)、下位機(jī)分別指PC 機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng))上位機(jī)上的軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的用戶操作界面、零件加工程序的輸入、譯碼、速度計(jì)算等功能,最后形成一組供下位機(jī)插補(bǔ)計(jì)算用的數(shù)據(jù)信息。下位機(jī)除了處理一些實(shí)時(shí)性強(qiáng)的機(jī)床信號(hào)外,主要任務(wù)就是根據(jù)上位機(jī)指令執(zhí)行機(jī)床控制和插補(bǔ)運(yùn)算,輸出機(jī)床的控制信號(hào)。微型數(shù)控系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)如圖1。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)框圖

上位機(jī)軟件的開發(fā)是使用運(yùn)行在Windows 操作系統(tǒng)下的VisualBasic 工具完成的,選用VisualBasic 是因?yàn)樗暮唵我子?而且對于本系統(tǒng)的開發(fā)具有足夠強(qiáng)大的功能。上位機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)如圖2。

從圖 2 中可以清楚地看出上位機(jī)軟件的基本功能。首先,上位機(jī)軟件提供了一個(gè)零件加工程序的編輯窗口,按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的語法編寫零件加工程序,然后編譯,如果沒有錯(cuò)誤提示的話,編譯的程序就可以送到下位機(jī)開始加工了;如果程序中有語法錯(cuò)誤,則系統(tǒng)會(huì)給出提示,幫助修改。其次,上位機(jī)模擬機(jī)床控制面板的主要功能按鍵,通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊這些按鍵完成相應(yīng)的機(jī)床控制,如機(jī)床的啟動(dòng)、停止,主軸X、Y 方向的位置調(diào)整等等。另外,上位機(jī)接收并顯示來自下位機(jī)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(tǒng)能識(shí)別的信息。不同的系統(tǒng)有不同的數(shù)據(jù)格式。一般用戶輸入的數(shù)控加工程序采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)碼編制,譯碼就是把用戶標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控加工程序轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。

零件加工程序輸入之后,點(diǎn)擊“Compile”按鈕將開始進(jìn)入譯碼模塊。譯碼模塊主要由兩個(gè)嵌套的循環(huán)來實(shí)現(xiàn),外循環(huán)針對零件加工程序的所有數(shù)據(jù)段,處理一個(gè)數(shù)據(jù)段執(zhí)行一次循環(huán);內(nèi)循環(huán)針對一個(gè)數(shù)據(jù)段(把一個(gè)數(shù)據(jù)段看成是山若干個(gè)用空格分開的字符串組成)包含的各個(gè)字符串,處理一個(gè)字符串執(zhí)行一次循環(huán)。因?yàn)閷τ谝粋€(gè)數(shù)據(jù)段,譯碼模塊用一次循環(huán)處理,所以譯碼模塊首先計(jì)算零件加工程序中總共有多少個(gè)數(shù)據(jù)段,并用變量記錄這個(gè)數(shù),作為循環(huán)控制的條件。然后進(jìn)入循環(huán),對每個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行處理。首先取第一個(gè)數(shù)據(jù)段,再讀取第一個(gè)字特串的第一個(gè)字符,接下來是一個(gè)Switch 語句判斷讀到的是個(gè)什么字符。根據(jù)零件加工程序編寫的語法規(guī)范,循環(huán)執(zhí)行,直到所有數(shù)據(jù)段處理完畢。最后形成譯碼結(jié)果,保存在一個(gè)字符數(shù)組當(dāng)中。為零件加工的開始做好了準(zhǔn)備。整個(gè)譯碼處理過程思路清晰,結(jié)構(gòu)簡單,而且以后可以很方便的擴(kuò)展數(shù)控編程功能,只要在Switch 語句中添加Case 項(xiàng)就可以實(shí)現(xiàn)。

3.3 異步串行通信

本系統(tǒng)采用了 RS-232 異步串行通信從上位機(jī)向下位機(jī)輸入數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)PC-MCU 通信協(xié)議時(shí),PC 是主控者,單片機(jī)主要是被動(dòng)接收PC 發(fā)來的數(shù)據(jù)等內(nèi)容。PC 發(fā)送給單片機(jī)的內(nèi)容有三種,一種是機(jī)床控制命令,一種是用于插補(bǔ)的數(shù)據(jù),還有一種端口測試命令。單片機(jī)發(fā)送給PC 機(jī)的主要是機(jī)床狀態(tài)信息、端口測試返回和數(shù)據(jù)正確接收的確認(rèn)幀。

本通信協(xié)議的設(shè)計(jì)思想是基于幀傳輸方式。即向 RS-232 串口發(fā)送命令信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí),是一幀一幀傳送的。為了數(shù)據(jù)可靠傳輸,傳送每幀數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)累加和校驗(yàn),如果傳送出錯(cuò),要求重新傳送。連續(xù)傳送三次錯(cuò)誤,系統(tǒng)就退出通信并提示串口傳送失敗。

3.4 數(shù)控加工程序編寫

本系統(tǒng)要求零件加工程序的編寫采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)代碼,并結(jié)合上位機(jī)軟件作了些約定:

1.輸入格式的約定,要求每個(gè)數(shù)據(jù)段中不同代碼部分之間用空格隔開,每一段用“#”作為結(jié)束標(biāo)志符。結(jié)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(xiàn)的字符是:G、M、S、T、F、X、Y、I、K、#以及數(shù)字,正負(fù)號(hào),小數(shù)點(diǎn)等。

3.G、M 后只能跟兩位數(shù)字,其它字母后的數(shù)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(cuò)。

5.整個(gè)零件加工程序以“END”,作為結(jié)束段。

下面有一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)代碼,至于各條語句的具體含義在此不多介紹。

4 下位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采用 MCS-51 單片機(jī)作為處理機(jī),由于控制軟件采用了代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ,所需代碼空間至少在8K 字節(jié)以上,所需數(shù)據(jù)空間也超過了該系列CPU 內(nèi)部所能提供的數(shù)量,所以必須擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間,考慮到以后系統(tǒng)擴(kuò)展,目前使用了一個(gè)32K 字節(jié)的EPROM 和一個(gè)8K 字節(jié)的RAM 作為系統(tǒng)運(yùn)行的存儲(chǔ)空間。代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。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(nèi)部寄存器入、出棧指令。μC/OS-Ⅱ是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,很適合用在這種小型的系統(tǒng)中。

由于單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器不能滿足實(shí)際需要,因此需要從外部進(jìn)行擴(kuò)展,配置外部存儲(chǔ)器,包括程序存儲(chǔ)器EPROM 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際軟件需要,并考慮到系統(tǒng)今后的擴(kuò)展,采用了32KEPROM27C256 作為系統(tǒng)外部程序存儲(chǔ)器,采用8K 靜態(tài)RAM6264 作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。采用靜態(tài)RAM 設(shè)計(jì)時(shí),無需外部刷新電路,因此與CPU 的接口簡單。

考慮到微型數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的信息交換,只有一個(gè)八位端口是不夠用的,因此要進(jìn)行系統(tǒng)I/O 擴(kuò)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是統(tǒng)一編址的,它不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址單元,而且使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫控制指令和讀寫指令,這就要求硬件設(shè)計(jì)中要考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yīng)用接法,只用了三根線,即串行接收RXD、串行發(fā)送TXD 和接地線GND。將“串行發(fā)送”和“串行接收”交叉連接,地線直接相連,其余信號(hào)線都不用。用軟件來實(shí)現(xiàn)通信的“握手”、空閑檢測等功能。選用了MAX232 串口通信信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)RS232 與TTL 的電平轉(zhuǎn)換和正負(fù)邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

4.2 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

形成干擾的因素有三個(gè):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(hào);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(zhuǎn)換器,數(shù)字IC 等?？垢蓴_設(shè)計(jì)的原則是抑制干擾源,切斷傳播路徑,增強(qiáng)敏感器件的抗干擾能力。采取的主要措施是電路板上每個(gè) IC 并接一個(gè)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(shí)避免90 度折線,減少高頻噪音發(fā)射。盡量使晶振和單片機(jī)的引腳靠近,晶振外殼接地。布線時(shí)盡量加粗電源線和地線,可降低耦合噪音。單片機(jī)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)單片機(jī)控制軟件。其軟件流程如下:

1.系統(tǒng)初始化

下位機(jī)上電或是復(fù)位以后,系統(tǒng)將從程序代碼空間的首地址0x0000 開始執(zhí)行,如果用C語言編寫MCS-51 程序的話,就是從Main()函數(shù)的開始處執(zhí)行。程序首先執(zhí)行整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件初始化,包括操作系統(tǒng)的初始化和硬件定時(shí)器、串口等初始化。示意圖如4。

2.創(chuàng)建任務(wù)

初始化完成之后,下位機(jī)就進(jìn)入到了正常工作階段了。這個(gè)時(shí)候內(nèi)存中有了開始創(chuàng)建的4個(gè)任務(wù),分別是任務(wù)serialOperate,解析接收到的上位機(jī)命令;任務(wù)interpolation,插補(bǔ)計(jì)算,輸出控制信號(hào);任務(wù)misc 處理M 碼及其他空閑任務(wù)OSTaskIdle。起初由于沒有接收到上位機(jī)的各種命令,系統(tǒng)處于就緒等待狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候,μC/OS-Ⅱ中優(yōu)先級(jí)別最低的默認(rèn)任務(wù)-空閑任務(wù)OSTaskIdle()得到了運(yùn)行?？臻e任務(wù)不作任何有意義的工作。

3.中斷處理

當(dāng)上位機(jī)通過串口向下位機(jī)發(fā)送工作指令時(shí),下位機(jī)產(chǎn)生串口中斷接收信息,等接收到一個(gè)完整的幀之后,串口中斷服務(wù)程序?qū)腟erylnt()中通過語句OSSemPost(seRecSem)發(fā)出信號(hào)量seRecSem。這個(gè)時(shí)候正在等待這這個(gè)信號(hào)量的任務(wù)serialOperate 接收到信號(hào)量它將在中斷服務(wù)程序退出之后恢復(fù)運(yùn)行。

5 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

本文的主要目的是進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究,并且進(jìn)行微型數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)工作。這是一個(gè)綜合、復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā),采用了Windows作為開發(fā)平臺(tái),VisualBasic 作為開發(fā)工具,主要是考慮到Windows 良好的用戶界面以及其廣泛的應(yīng)用,操作人員只要使用過Windows 操作系統(tǒng)就能很容易操作該軟件。本系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)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(jī)的硬件都能支持。下位機(jī)控制軟件采用了μC/OS-Ⅱ多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用改變了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程。