嵌入式SoC單片機在雕刻機數(shù)控系統(tǒng)中的應用

隨著計算機技術的發(fā)展，雕刻機完成了從2D、2.5D到3D的加工變革，功能趨于完善、性能更加穩(wěn)定，從而在制造業(yè)、建材業(yè)和廣告業(yè)等領域得到了廣泛應用。與此同時，隨著市場競爭的加劇，國產普通雕刻機的價格也降低至萬元以下，使得雕刻機生產廠不得不在降低生產成本、尤其是降低控制系統(tǒng)成本方面尋找出路。以木工雕刻機為例，在目前國內市場上，木工雕刻機數(shù)控系統(tǒng)通常采用兩種方案：一種是基于PC機的方案;另一種是基于DSP運動控制器的方案。

基于PC機方案的雕刻機是由計算機、控制卡、電機驅動器和機械主體等4部分組成，由PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控，計算機安裝有諸如MACH3等的專用雕刻軟件，利用專業(yè)軟件進行圖樣設計，并經由計算機PCI總線接口，將設計與排版的信息傳送至雕刻機控制卡中，再由控制卡將這些信息轉換為能驅動步進電機或伺服電機的脈沖信號，控制x、y、z 3個坐標軸的走刀定位。此方案采用通用雕銑軟件，利用PC機現(xiàn)有資源，雕刻機主要由電腦控制，是一種高效的CNC雕刻機系統(tǒng)方案。

基于DSP方案的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)，其主要特點是采用DSP和單片機構成控制器，DSP完成對各坐標的運動控制，單片機管理人機界面，被稱為手柄控制的雕刻機。圖樣設計生成的標準nc文件事先準備好，并保存在U盤上，通過USB等串行接口輸入給數(shù)控系統(tǒng)，這是一種低價高效的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)方案。常用的專用DSP芯片有4軸運動控制芯片MCX314As和PCL6045B等，這些DSP具有強大的硬件插補功能，使得在室外工作的雕刻機操作更便捷，一般木工雕刻機和石材雕刻機均采用該控制系統(tǒng)。

不同的應用領域，所要求的雕刻機的性能亦不相同，本文提出的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)方案，直接利用SoC單片機來構成控制器，是一種采用單片機軟件來完成插補運算的解決方案。

1 雕刻機控制系統(tǒng)的硬件原理框圖

在Silicon Labs推出的8位嵌入式SoC單片機中，混合信號單片機C8051F120的速度最高，可達98 MI·s-1。為保證程序的全速運行，加快運算速度，C8051F120單片機除具有轉移地址高速緩存和指令預取引擎外，還需具有乘法和累加引擎MAC0，其能使單片機在兩個系統(tǒng)時鐘周期內，即可完成整數(shù)或小數(shù)的乘法和累加。該單片機具有高達128 kB的片上Flash存儲器，8 kB片上外部RAM，可擴展64 kB片外RAM，在線編程，并提供非易失性數(shù)據存儲，允許固件現(xiàn)場升級。有64個I/O口，5個16位定時器，6路16位可編程計數(shù)陣列PCA，增強型的硬件串行接口SPI，SMBus和兩個UART等，是真正獨立的系統(tǒng)級芯片解決方案。

C8051F系列單片機集成度高，且具有交叉開關功能，其大部分對外引出腳，除Uart接口的兩個信號Tx和Rx外，均可在設計電路板時，根據布板隨意連接，圖1所示為基于C8051F120單片機的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖。

如圖1所示，高速單片機C8051F120是整個數(shù)控系統(tǒng)的中心，人機界面由4x4矩陣式按鍵電路和彩色LCD顯示模塊組成。用戶通過按鍵電路設置的加工參數(shù)，保存在單片機內部的非易失性Flash區(qū)。LCD顯示器選用點陣式彩色智能模塊，具有256種顏色，顏色格式為RGB332，并采用通用串行UART接口連到單片機，操作指令簡單，且節(jié)省了單片機的接口線。

用戶通過浮雕軟件設計的雕刻圖案，最終會在PC機上生成一個后綴為，nc的文本文件并存入U盤中，U盤接口模塊的作用，便是通過SPI接口連接到單片機，由單片機將加工文件讀出后進行加工。帶后背鋰電池的RAM型號為DS1245W，容量為128 kB，其連接到單片機的擴展并行接口，成為單片機的片外RAM，既是對讀入的加工文件的有效緩存，也能在系統(tǒng)發(fā)生停電等故障時，保存和記憶當前的加工進程，以便系統(tǒng)恢復供電或排障后，能繼續(xù)按照前面的斷點完成加工。由于單片機的片外RAM地址只有16位，尋址空間最大為64 kB，需要用單片機的輸出引腳來對其進行頁切換，將SRAM的128 kB存儲空間分成兩頁。

x、y、z軸的3個傳感器，均采用由槽形光耦組成的限位電路，其特點是限位精度高，易于與單片機接口。對刀傳感器采用微動開關，其作用是檢測被雕刻材料的厚度。步進電機驅動器采用兩相電流細分式驅動器，細分系數(shù)和輸出電流，均可根據滾珠絲杠的負載大小情況來設定，驅動器和單片機之間有光電隔離電路，接口信號為方向信號Dir、走步脈沖信號Pul和有效選擇信號En。

2 空間直線的逐點比較插補算法

逐點比較法是國內數(shù)控機床中廣泛采用的一種插補方法，其能實現(xiàn)直線、圓弧和非圓二次曲線的插補，插補精度較高。逐點比較法即每走一步，均要將加工點的瞬時坐標同規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的走向，若加工點走到圖形外，則下一步就要向圖形內走。若加工點在圖形內，則下一步要向圖形外走。這樣就能得出一個接近規(guī)定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個脈沖當量。在逐點比較法中，每進給一步，均需要進行偏差判別、坐標進給、新偏差計算和終點比較4個步驟。對于一條二維平面直線，無論處于哪個象限，對其進行逐點比較法直線插補時，由以下3式計算

N=|xe-x0|+|ye-y0| (1)

Fx=F-|y|，當x≥0，走x后 (2)

Fy=F+|x|，當y0，走y后 (3)

其中，N代表總步數(shù);F表示判斷式;x，y表示坐標。

通常情況下，在雕刻圖形的設計和生成階段，首先要預置雕刻的精度參數(shù)，所以y軸的進給量一般較小，且每步固定，雕刻的精度要求越高，則y軸的進給量則越小，這也使得雕刻文件的行數(shù)大幅增加。z軸的最大行程，一般略大于被加工材料的厚度。在3個坐標中，x軸的運動量最大，其行程由被加工材料的幅寬決定。所以在進行空間直線插補時，是假定了該空間的x軸進給的步數(shù)最大。即要在以長軸為基礎建立的兩個平面坐標系內進行差補運算，才能插補出正確的空間直線軌跡。因此，每讀出一行雕刻加工的坐標數(shù)據，均要先行判斷，找出步數(shù)最長的軸，再以其為關聯(lián)軸來構建兩個插補平面，這樣才可將對空間直線的三維差補計算，轉換成對二維平面的差補，其程序流程如圖2所示。在通常情況下，木工雕刻機一般為2.5D，以x、z軸的兩維插補為主，即當y軸進給時，x、z軸停止;而當x、z聯(lián)動時，y軸停止。

3 雕刻機數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

數(shù)控系統(tǒng)軟件采用結構化、模塊化的程序設計方法，由主程序、中斷服務程序和功能子程序組成。主程序結構簡單，主要完成對單片機系統(tǒng)及雕刻機各驅動軸的初始化，對鍵盤掃描并跳轉到相應的功能模塊中。中斷服務程序主要包括步進電機變頻驅動程序等。功能子程序主要包括LCD顯示模塊、參數(shù)設置模塊、U盤文件讀取模塊、文本轉換模塊、步進電機走步程序、插補運算程序、對刀程序、復位程序以及故障診斷程序等。

LCD顯示模塊主要包括：LCD初始化、調色板設置、字符間距設置、前景畫圖、背景畫圖、字符顯示、區(qū)域填色和清除、背光控制、波特率設置等程序。

U盤讀取模塊完成對U盤的讀寫，主要包括U盤檢測、創(chuàng)建文件和目錄、打開文件、讀文件、刪除文件和目錄、列舉目錄下的文件名等程序。

步進電機走步程序采用T0中斷，在中斷中發(fā)送步進電機進給脈沖，調用插補運算程序，并根據啟停變頻的需要來改變T0時間常數(shù)等。插補運算程序作為子程序，被T0中斷程序調用。

文本轉換程序的作用是將U盤上的nc文件，轉換成二進制數(shù)據。浮雕軟件生成的雕刻文檔，是標準的以ASIIC碼格式保存的數(shù)控加工文件，實際上就是一行行的坐標數(shù)據，只有將其經過命令行識別，坐標行識別，結尾、換行和文件頭尾的識別，轉換成二進制數(shù)據，并按照一定的數(shù)據結構，存放在單片機的片外RAM中，才可為單片機所用。

特殊功能模塊包括對刀程序和內置木工機械加工程序，對刀程序用來檢測被雕刻材料的厚度。其他工機械功能有縱向鋸斷、橫向鋸斷、邊緣刨平、端面刨平、平面斜銑、端面斜銑和刨槽等。這些內置功能大幅簡化了機器的操作，擴展了機器的使用范圍。

4 結束語

基于嵌入式SoC單片機C8051F120的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮了單片機的高集成度和高速度特性，使得控制系統(tǒng)的結構簡化、成本降低。經用戶測試，雕刻精度為0.01 mm，達到了設計要求。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，是一種低價、高效、簡便的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)解決方案，通過本方案的研究，為中小用戶提供了臺式低價的雕刻機，從而拓寬了現(xiàn)有雕刻機的用戶群。