一種基于MCS51的微型計算機數(shù)控系統(tǒng)設計

1 引言

隨著科技的進步,數(shù)字控制技術、數(shù)控系統(tǒng)得到飛速發(fā)展。機床的計算機數(shù)控系統(tǒng)就是這些機電一體化技術最具代表性的系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)是由計算機承擔數(shù)控中的命令發(fā)生器與控制器的數(shù)控系統(tǒng)。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(tǒng),使驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)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(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 機部分和一塊用MCS-51 單片機開發(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、下位機分別指PC 機、單片機系統(tǒng))上位機上的軟件負責實現(xiàn)本系統(tǒng)的用戶操作界面、零件加工程序的輸入、譯碼、速度計算等功能,最后形成一組供下位機插補計算用的數(shù)據(jù)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(jù)上位機指令執(zhí)行機床控制和插補運算,輸出機床的控制信號。微型數(shù)控系統(tǒng)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(fā)是使用運行在Windows 操作系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(diào)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(tǒng)能識別的信息。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 標準碼編制,譯碼就是把用戶標準的數(shù)控加工程序轉換為本系統(tǒng)能識別的數(shù)據(jù)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(huán)來實現(xiàn),外循環(huán)針對零件加工程序的所有數(shù)據(jù)段,處理一個數(shù)據(jù)段執(zhí)行一次循環(huán);內(nèi)循環(huán)針對一個數(shù)據(jù)段(把一個數(shù)據(jù)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(zhí)行一次循環(huán)。因為對于一個數(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算零件加工程序中總共有多少個數(shù)據(jù)段,并用變量記錄這個數(shù),作為循環(huán)控制的條件。然后進入循環(huán),對每個數(shù)據(jù)段進行處理。首先取第一個數(shù)據(jù)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(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。最后形成譯碼結果,保存在一個字符數(shù)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(shù)控編程功能,只要在Switch 語句中添加Case 項就可以實現(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向下位機輸入數(shù)據(jù)。在設計PC-MCU 通信協(xié)議時,PC 是主控者,單片機主要是被動接收PC 發(fā)來的數(shù)據(jù)等內(nèi)容。PC 發(fā)送給單片機的內(nèi)容有三種,一種是機床控制命令,一種是用于插補的數(shù)據(jù),還有一種端口測試命令。單片機發(fā)送給PC 機的主要是機床狀態(tài)信息、端口測試返回和數(shù)據(jù)正確接收的確認幀。

本通信協(xié)議的設計思想是基于幀傳輸方式。即向 RS-232 串口發(fā)送命令信號、數(shù)據(jù)信號時,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)時進行數(shù)據(jù)累加和校驗,如果傳送出錯,要求重新傳送。連續(xù)傳送三次錯誤,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(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(xiàn)的字符是:G、M、S、T、F、X、Y、I、K、#以及數(shù)字,正負號,小數(shù)點等。

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。

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(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,所以必須擴展外部存儲空間,考慮到以后系統(tǒng)擴展,目前使用了一個32K 字節(jié)的EPROM 和一個8K 字節(jié)的RAM 作為系統(tǒng)運行的存儲空間。代碼公開的實時嵌入式操作系統(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是為嵌入式應用而設計的,很適合用在這種小型的系統(tǒng)中。

由于單片機內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器RAM。本系統(tǒng)根據(jù)實際軟件需要,并考慮到系統(tǒng)今后的擴展,采用了32KEPROM27C256 作為系統(tǒng)外部程序存儲器,采用8K 靜態(tài)RAM6264 作為外部數(shù)據(jù)存儲器。采用靜態(tài)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(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)存儲空間是統(tǒng)一編址的,它不僅占用數(shù)據(jù)存儲器的地址單元,而且使用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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,其余信號線都不用。用軟件來實現(xiàn)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(xiàn)RS232 與TTL 的電平轉換和正負邏輯電平的轉換。

4.2 系統(tǒng)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(shù)字IC 等?？垢蓴_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(fā)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(tǒng)使用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)單片機控制軟件。其軟件流程如下:

1.系統(tǒng)初始化

下位機上電或是復位以后,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)行整個單片機系統(tǒng)的軟硬件初始化,包括操作系統(tǒng)的初始化和硬件定時器、串口等初始化。示意圖如4。

2.創(chuàng)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(nèi)存中有了開始創(chuàng)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(tǒng)處于就緒等待狀態(tài)。這個時候,μC/OS-Ⅱ中優(yōu)先級別最低的默認任務-空閑任務OSTaskIdle()得到了運行?？臻e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(fā)送工作指令時,下位機產(chǎn)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?qū)腟erylnt()中通過語句OSSemPost(seRecSem)發(fā)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(chuàng)新點

本文的主要目的是進行計算機數(shù)控系統(tǒng)的研究,并且進行微型數(shù)控系統(tǒng)的實際開發(fā)工作。這是一個綜合、復雜的機電一體化系統(tǒng)。上位機數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā),采用了Windows作為開發(fā)平臺,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(tǒng),該實時操作系統(tǒng)的使用改變了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程。