基于Linux的电火花线切割机床数控系统中PC机-单片机串并口双向通信

设计研究电加工与模具2010年第3期基于LINUX的电火花线切割机床数控系统中PC机一单片机串并口双向通信范益民，顾琳，曹锟，张永鑫，赵万生上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240摘要介绍了基于LINUX的往复走丝电火花线切割机床数控系统中上下位机间的串并口双向通信的设计与实现方法。给出了上位机RS一232串口和EPP模式并口在LINUX下QT平台的双向通信软件的开发方法。此外，还介绍了下位机通信接口板硬件设计方法。关键词串并口双向通信；LINUX；电火花线切割加工；数控中图分类号TG661文献标识码A文章编号1009279X201003001503BIDIRECTIONALCOMMUNICATIONOFSERIALANDPARALLELPORTSBETWEENSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMANDPCONLINUXOSINWEDMNCFANYIMIN，GULIN，CAOKUN，ZHANGYONGXIN，ZHAOWANSHENGSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESAMETHODOFINTERCOMMUNICATIONUSEDINHIGHSPEEDWIRECUTELECTRICALDISCHARGEMACHININGNUMERICALCONTROLSYSTEMTHEINTERCOMMUNICATIONBETWEENPCBASEDLINUXANDMCUISREALIZEDBYUSINGBOTHSERIALPORTSANDPARALLELPORTSMEANWHILE，THISPAPERALSOGIVESTHEHARDWAREDESIGNFORBOTHSERIALPORTANDPARALLELPORT。KEYWORDSBIDIRECTIONALCOMMUNICATIONOFSERIALANDPARALLELPORTS；LINUX；WEDM；NC当前，往复走丝电火花线切割机床面临激烈的竞争环境，急需在提高产品加工质量的同时，合理地降低成本。而传统的基于各厂家自行开发的运动控制卡硬件系统开发成本高，专用性强，可移植性差。目前市场上往复走丝电火花线切割机床数控系统绝大多数基于DOS操作系统，但DOS是单任务操作系统，非图形界面，在DOS下开发的数控系统实时性差，网络功能弱，功能有限。同肘，由于WINDOWS非开源及稳定性不够好等特点，基于WINDOWS的数控系统存在使用及维护成本高、安全性差等问题，增加了使用风险。而源代码公开的LINUX系统以其良好的稳定性和安全性，受到越来越多的关注和青睐。基于LINUX系统平台开发全软件数控软件，在节约硬件开发成本、降低系统开发难度及提高系统稳定收稿日期20100222第一作者简介范益民，男，1985年生，硕士研究生。性等方面比其他系统都有一定的优势。往复走丝电火花线切割机床数控系统主要由4个部分组成数控系统主机、运动控制与检测回路、机床与工作台、脉冲电源及运丝系统。其中，数控系统主机为上位机，其他部分为下位机。上位机与下位机通信主要分为运动控制信号步进电机和走丝电机，高频电源控制信号，状态检测反馈信号等。与传统数控系统相比，往复走丝电火花线切割机床数控系统中上下位机通信数据量小，对速度要求不高。RS一232串行接口具有接口简单、控制灵活、占用系统资源少等优点，被广泛应用于工业控制等领域。增强工作模式并口ENHANCEDPARALLELPORT，EPP具有较好的兼容性，传输速度快，可支持300KBS的双向速率。因此，基于LINUX平台的往复走丝电火花线切割机床数控系统上下位机通信可通过串口及并口实现。本文给出了LINUX下PC机与单片机的RS一23215电加工与模具2010年第3期设计研究串口，EPP模式并口双向通信的设计。该设计可应用于以LINUX系统PC机为上位机，51单片机为核心的下位机高速走丝电火花线切割机床数控系统中。1数控系统通信结构设计该电火花线切割机床数控系统硬件结构分为上位机和下位机两部分。上位机由运行LINUX系统的PC机构成，负责人一机界面交互、代码解释、插补运算、文件操作、参数设置、加工路径模拟等。下位机以51单片机为控制核心，由步进电机、走丝电机、高频电源电路、检测及外围电路构成，主要完成加工轨迹控制、加工状态和放电间隙检测等。根据运行时通信数据量大小的不同，数据量较大的运动控制步进电机和走丝电机和放电间隙实时跟踪控制部分与主机通信使用并口，而高频电源和放电状态检测模块由于数据量较小，使用串口通信。上下位机之间的通信结构框图如图1所示。图1通信结构框图2RS一232C串12通信设计21硬件接口设计RS232C接口最大传输速率为20KBPS，线缆最长为15ILL。STC89C51RC单片机有一个全双工的串行通讯口UART，利用其RXD和TXD与外界进行通信，其内部有2个物理上完全独立的接收、发送缓冲器SBUF，可同时发送和接收数据。所以单片机和PC机之间可方便地进行串口通讯。PC机下的标准RS232串行口，其电平采用的是EIA电平。9C51RC单片机采用的是下RL电平，为了PC机与单片机之间能可靠地进行串行通信，需要电平转换H。我们采用的是MAXIM公司生产的专用芯片32CPE芯片进行转换。MAX232CPE芯片的11一】6一引脚TILN和12引脚R1OUT分别与单片机的TXD与RXD引脚相接。电路图见图2。图2E1A与TTL电平转换电路22上下位机软件开发每个UNIX类操作系统中，都有至少一个设备文件管理串口。在LINUX系统中，串口被视为一个文件，路径为“DEVTTYS0”，“DEVTTYS1”。LINUX下，通过标准的系统调用OPEN，CLOSE，WRITE，READ来实现对串口的操作和访问，而调用的实际操作则由设备的驱动程序实现。在访问串口设备前，需初始化端口，并根据串口工作状态配置端口。下面是LINUX系统QT集成环境下部分程序代码。VOIDSERIALINITSERIALPORT初始化端口DEFINEBAUDRATEB9600设置通讯波特率|FDOPEN”DEVTTYS0”，ORDWRLONOCTTY；打开端口IFFD0PERROR”DEVTTYS0”；EXIT1；TCGETATTRFD，OLDTIO；配置端口BZERONEWTIO，SIZEOFNEWTIO；NEWTIOCCFLAGBAUDRATEICS8LCLOCALLCREAD；WRITEFD，ARRAYNUMOFSENDED，1；写入数据至端口NUMOFSENDED；CLOSEFD；关闭端口串口测试程序界面见图3。设计研究电加工与模具2010年第3期图3串口测试程序界面以5L单片机作为串口通讯下位机，并设置异步通讯速率为9600BPS。上下位机串行通讯波特率设置必须一致。单片机读写程序较简单，在此不做详细介绍。握手协议；利用指定的IEEE1284模式传送数据等。并行设备接口也同样支持OPEN，CLOSE，READ，WRITE和IO口控制函数IOCTL。部分代码如下FDOPEN”DEVPARPORTO”，0一RDONLY10一NOCTTY；打开端口IOCTLFD，PPCLAIM；MODEIEEE1284一MODEEPP；配置端口，设置为EPP工作模式CLOSEFD；关闭端口并行通讯时，下位机单片机软件部分与串行通讯相似，在此不详细介绍。3EPP并口通信设计4测试与验证31硬件接口设计EPP可进行高速的双向数据传输，并能区分被定义的数据和地址信息。由于能实现快速的方向转换，EPP适用于较小数据块的传输和经常变换数据传输方向的设备。EPP的基地址通常是378H或278H，接口使用的地址为378H37FH或278H27FHE。通常情况下，在PC机与单片机之间实现并口通讯的硬件电路中，使用74系列的244245。通过并口与单片机中82C55实现8B传输握手信号。并口与单片机电路原理图如图4所示。D图4PC机与单片机并EL硬件连接原理图32上下位机软件开发LINUX下并口设备文件路径为“DEVPARPORTO”LINUX下的并口驱动允许检测状态位；设置控制位；检测及控制数据位；等待中断；使用IEEE1284为验证系统的可行性，上位机分别利用串口及并口发送一串数据，下位机读到数据后立即向上位机发送相同的数据。单片机对收到的数据进行筛选，当读人字符为时，单片机控制数码管使其显示加1，以模拟并验证读入数据数值及数量是否正确。经测试，显示结果系统稳定运行，验证了系统的可行性。测试结果如图5、图6所示。图5上位机发送与接收的数据图6下位单片机显示模块下转第21页一17设计研究电加工与模具2010年第3期MM，而相同条件下采用W40型的金刚石磨粒加工的孔径为162291TIM。其表面对比图见图8。图8两种磨粒加工的硬质合金表面用形貌仪对其进行扫描分析，得出这两个小孔的表面形貌情况图9。可以测出两种不同磨粒加工的硬质合金表面粗糙度值RA分别为1805、4249M。图9两种不L司磨粒加工的硬质合金表面形貌图试验结果表明，磨粒直径越大，材料去除率越大，加工材料表面粗糙度值越大。如图10所示，磨粒在超声振荡过程中嵌入工件表面，磨粒尺寸增大而使表面粗糙度值增大的原因可用磨粒对工件的压痕深度来解释。压痕深度可写成D一021Q式中D为磨粒平均直径；Z为工具电极与工件的间隙；口为工件与工具电极硬度的比值。压痕深度随磨粒尺寸增大而增加，在每次压入过程中，较大的磨粒切除的材料也较多，在工件表面留下一个凹坑，因此，磨粒愈大表面粗糙度值也愈大。FJ厂、刀具的平均山J一一个磨树TL一骸人上仟崖图LO磨粒加工工件表面原理图5结束语本文针对硬质合金的超声电火花加工，通过实验研究了材料去除率、表面粗糙度在超声幅值、脉冲宽度及磨粒大小等参数影响下的变化规律。实验结果表明，其他条件不变时，在一定的范围内，材料去除率和表面粗糙度值随着脉冲宽度、超声功率、磨粒的增大而增大。参考文献1刘晋春，赵家齐特种加工M4版北京机械工业出版社，19962曹凤国，张勤俭超硬材料的特种加工技术J新材料产业，20061047513袁松梅小型超声电火花复合加工系统的研究D哈尔滨哈尔滨工业大学，20004曹明让，杨世春，杨胜强，等超声电火花复合加工速度工艺试验研究J新技术新工艺，200732223上接第17页5结束语针对全软件往复走丝电火花线切割机床数控系统对上下位机通信效率要求不高的特点，本文采用RS232C串口及EPP并口为通讯媒介，实现了LINUX下PC机为上位机和单片机为核心下位机的双向通信。该设计很好地提高了通讯效率，并明显降低了硬件开发的成本。