（机械电子工程专业论文）多cpu单片机数控系统（starnp）的研究及应用.pdf

多c p u 单片机数控系统( s t a r - n p ) 的研究及应用 摘要 本论文基于单片机数控系统的发展现状，提出构建多c p u 单片机数控系统 ( s t a r n p ) 平台。根据实际应用对这一数控系统平台进行功能添加或删除，从 而完成三轴及以下数控系统的研发。 文章详尽论述了s t a r n p 数控系统的硬、软件设计方法。系统硬件采用 模块化设计，重点阐述了c p u 模块、通讯模块、显示模块和扩展i o 等模块的 实现方法。并且论述了p c b 板的布线过程。系统软件设计引入软件芯片的概念， 各个软件模块提供足够多的接口函数，从而更大程度的降低软件对硬件的依赖。 研究了主从c p u 间的通信、l c d 显示、加工代码的文件管理、加工代码的译 码以及插补运算和速度控制等模块的具体设计及实现方法。 以s t a r n p 数控系统在s t a r 0 6 p 数控涂漆机应用为例，阐述了数控系统 平台在专用机床上的移植方法。理论和实践证明s t a r 0 6 p 数控涂漆机的研制 取得了成功，并且初步彰显了s t a r n p 数控系统的优越性。 关键词：数控系统；单片机；软件芯片；数控涂漆机 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o nn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ( s t a r - n p ) b a s e d o ns i n g l e - c h i p s a b s t r a c t w i t hq u i c kd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya sw e l la st h er e q u i r e m e n tf o re n e r g y c o n s e r v a t i o na n dh i g he f f i c i e n c y , t h er e s e a r c ho fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi s b e c o m i n ga ni m p o r t a n to n ew h i c ha f f e c t st h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y b u tt h e r ea r em a n yq u e s t i o n ss t i l l i no r d e rt od e a lw i t ht h e s ep r o b l e m s ，at h o u g h ti s a d v a n c e d ：t h et e c h n o l o g i cm o d e so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma r ea b s t r a c t e d ， w h i c hc o m p o s eas t a n d a r dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，s ow ec a nd e l e t eo ri n c r e a s e t h en e c e s s a r ym o d e st os a t i s f yt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t ，w h i c ha c h i e v et h es y s t e m d e s i g n s ot h ec i m so fh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yd e v e l o p st h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i n g l e - c h i p s ：s t a r n pn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h em e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni sd i s c u s s e d t h eh a r d w a r ei s d e s i g n e di n d e p e n d e n t l y c p u ，c o m m u n i c a t i o n s ，l c d ，e x t e n d e di o a r ee x p a t i a t e d c o n c r e t e l y t h es o f t w a r ei sd e s i g n e du n d e rt h et h e o r yo fs o f t w a r ec h i p ，e v e r yu n i t s u p p l y se n o u g ha c c e s s e s i no r d e rt od e c r e a s et h ed e p e n d e n c yt ot h eh a r d w a r e t h e d e s i g nm e t h o d s o ft h ec o m m u n i c a t i o n s ，t h ed i s p l a y , o p e r a t i o no ff i l e s ，t h e i n t e r p r e t a t i o no fc o d e ，t h ei n t e r p o l a t i o na n dt h es p e e d c o n t r o la r ee x p a t i a t e d c o n c r e t e l y t h e n ，t h em e t h o do ft h es t a r n pn u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e mt r a n s p l a n t t o s t a r - 0 6 pja p a n n i n gm a c h i n ei sd i s c u s s e d i ti st e s t if i e db yt h e o r ya n dp r a c t i c et h a t s t a r 一0 6 pja p a n n i n gm a c h i n ei ss u c c e s s f u l ，w h i c hp r o v e st h es t a r - n pn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；s i n g l e - c h i p s ；s o f t w a r ec h i p ；j a p a n n i n g m a c h i n e 4 插图清单 图1 1p c 机+ c n c 控制卡数控系统结构图4 图1 2 采用单片机作c p u 的数控系统的总体框图5 图2 i 数控装置的架构框图1 0 图2 1a t 2 4 c 2 5 6 与主c p u 连接图11 图2 2 主c p u 片选实现方法1 2 图2 2 从c p u 复位和晶振模块1 2 图2 3 主从c p u 通信连结示意图1 3 图2 4 双端口r a m 内部结构1 4 图2 5 双口r a m 连接图1 4 图2 6l m 2 0 2 9 组成块图 1 7 】15 图2 7l m 2 0 2 9 与8 0 c 1 9 6 k b 接口图16 图2 8 扩展输入实现原理1 7 图2 9 扩展输出实现原理1 7 图2 1 0 电机旋转方向控制1 8 图2 11 数控系统硬件1 9 图3 1 数控系统总体软件架构2 2 图3 2 从c p u 通信原理2 6 图3 31 6 1 6 象素汉字显示原理3 2 图3 4 图形绘制示意图3 3 图3 5l c d 显示界面3 4 图3 6 字节写操作时序3 4 图3 7 给定地址读操作时序3 5 图3 8a t 2 4 c 2 5 6 的软件结构划分3 5 图3 9 词法分析程序框图3 9 图3 1 0 语法分析流程图4 l 图3 1 l 语义分析流程图4 2 图3 13 数字积分器原理图一4 3 图3 1 4 第一象限d d a 法直线插补实现原理4 4 图3 1 5 待插补圆弧4 5 图3 1 6d d a 圆弧插补原理4 6 图3 1 7s t c l 2 c 5 4 1 0 实现插补处理原理图4 6 图3 18 规格化数和非规格化数4 9 图3 1 9 系统电机控制脉冲5 0 图3 1 9 线性和指数升降速规律5 2 图3 2 0 非正常升降速处理5 3 图3 2 1 升降速流程图5 4 图4 1 机械涂漆设备展示5 5 图4 2 鞋底喷漆示意图5 6 图4 3 鞋底喷漆实现方式方案一5 7 图4 4 鞋底喷漆实现方式之二5 7 图4 4 鞋底喷漆实现方式之三5 8 图4 5 鞋底喷漆实现方式之四5 8 图4 6s t a r 0 6 p 数控涂漆机总体框图6 0 图4 7 两轴联动平台三维图6 l 图4 8 示教流程图6 1 9 表格清单 表2 1s e d l 3 3 5 引脚功能图1 5 表3 1s e d l 3 3 5 控制命令2 8 表3 2 四个象限d d a 法直线和圆弧进给方向和修正符号汇总3 4 1 4 7 表4 1 各种方案系统比较5 9 l o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金g 巴王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名攻甭泊 签字日期：枷矿年 争月，了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 曼王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金g 巴王些丕堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 次吊治 签字日期：伽苫年印月f 歹日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：菊需f 触云机铽易两 通讯地址：肌东每丰磊云喃拓驾备压珐屿 2 导师签名： 签字日期： 电话：o ，o 一罗b 0 0 7 2 邮编2 厶d 。 致谢 回望过往，漫漫求学路，竟是如此的平静。深知天性笨拙，万事以勤为本， 以诚待人，结交了许多朋友，也认识了许多老师。感谢帮助过和关心过自己所 有的人! 合肥的七年里，自己由一个懵懂的男孩变成了一个中年青年，这里是我的 第二故乡。是这里的山水，造就了和善的合肥人民。 感谢我的导师韩江老师。不仅敬佩韩老师广博的知识和独特的学识见解， 而且更包括您谦虚谨慎的性格和为人处事的方法，这里学生向您致敬! 夏链老师，祖嗄老师，李良初老师，何高清老师，余道洋老师，齐继阳老 师三年来对我的栽培和信任，我都铭记在心。您们的教诲，将是我人生前行的 巨大财富，使我受益终生。 感谢本科辅导员钟军老师，感谢真空教研室干蜀毅老师，感谢每位本科和 研究生老师、同学 谢谢田艺、戴文观、李志鹏、唐保、夏静霆、谢捷，感谢余仲元、王川、 吴建霖、王玉兵、孟超、王程、王曦、杨牧原、曹文霞、贾维妙、房科文。蓬 生麻中，不扶则直，c i m s 所是大家的! 感谢工大、篮球场，当然还有一起驰骋在场上的五位悍将：赵海君、王垄、 韩雪松、韩晓锋，还有那片蓝天! 感谢我亲爱的家人和女友杨悦，你们的鼓励和指导是我前行的动力! 我就像一个过客，多年来东奔西走，每到一处却从不缺少关怀。感激之情， 永驻我心1 6 作者：次青波 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 数控机床的发展历史 数字控制机床是用数字代码形式的信息( 程序指令) ，控制刀具按照给定的 工作程序，运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院成功地研制出一台三坐标联动的试验型数控铣 床，这是公认的世界上第一台数控机床。当时的电子元件是电子管，体积庞大， 价格昂贵，只在航空工业等几个有特殊需要的部门应用，来加工复杂型面零件。 1 9 5 9 年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入第二代，体积 减小，成本有所下降。1 9 6 0 年以后，出现了较为简单的电位控制的数控钻床， 和直线控制数控铣床，使数控机床在机械制造行业各部门得到了初步推广。 1 9 6 5 年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功 耗降低，可靠性提高，促进了数控机床品种和产量的发展。但仍然是硬件逻辑 数控系统( n c ) 。6 0 年代末先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的数控 系统( d n c ) ，采用小型计算机控制的计算机数控系统( c n c ) ，使数控装置进 入了以小型计算机为特征的第四代。 1 9 7 4 年，研制成功采用微处理器和半导体存储器的微型计算机数控装置 ( m n c ) ，这是第五代数控系统。第五代与第三代数控系统相比，功能扩大了 一倍，而体积减小为原来的1 2 0 ，价格降低了3 4 ，可靠性也得到了较大程度 的提高。8 0 年代初，随着计算机软硬件的发展，出现了能进行人机对话式自动 编制程序的数控系统，数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上，自动化 程度进一步提高，能够自动监控刀具破损和自动检测工件等功能 到1 9 9 0 年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约1 3 万台套。 总之，数控装置经历了以下的发展过程：分立式晶体管式一一小规模集成 电路式一一大规模集成电路式一一小型计算机式一一超大规模集成电路一一微 机式的数控系统。 为了满足市场和科学技术发展的需要，达到现代制造技术对数控技术提出 的更高的要求，当前世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面 心引：1 高速、高效、高精度、高可靠性；2 模块化、智能化、柔性化和集 成化；3 开放性；4 出现新一代数控加工工艺与装备。 由此可以看出，走开放式的、通用化的道路，是使数控技术跟上时代发展 的步伐迫切需求。 传统的数控系统中，组成c n c 系统的硬件模块和软件结构绝大多数是专用 的，互不兼容的，系统各模块间的交互方式通信机制也各不相同，这就造成了 不同厂家控制系统的相对独立彼此封闭n 1 。随着系统复杂性的提高以及用户要 求定制和裁剪数控系统的呼声越来越高，这种专用体系结构的数控系统越来越 暴露出其本质的缺陷：一方面各控制系统间互连互操作能力差，影响了整个产 品各个予系统的相互集成。另外，各个厂家风格不一的操作方式以及专用件的 大量使用，不但导致用户专用件的成本和培训费用增加，还给数控设备的最终 用户带来很多不便；另一方面，系统的封闭性使它的扩充和修改能力极为有限， 造成数控设备制造商对系统供应商的依赖，并难以将整台设备的其它系统以及 相应的技术工艺集成为一个完整无缝的控制系统，并形成自己的产品。这将不 利于提高主机产品的竞争力。此外专用的软硬件结构也限制了系统本身的持续 开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于产品的技 术进步哺3 。 总之数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能 满足现代制造业向信息化发展的需要。为了解决这一难题，8 0 年代初，国外就 已经提出开放式数控系统的概念。 早在1 9 8 1 年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开 始了名为“下一代控制器( n g c ) 的计划，并成立了美国国家制造科学中 心n c m s 。其主要目的是：拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析 与规范。作为n g c 的后续工作，美国国防部启动了o a s y s 项目。其目的是建 立并安装8 套控制器，并在6 种不同场所对其进行测试，其后有许多相关的研究计 划在世界各国相继启动。其中影响较大的有欧洲的o s a c a ，美国的o m a c 和日 本的o s e c 等计划。 目前学术界和工业界对开放式数控还没有形成明确统一的定义，但强调的 系统特性是相似的。i e e e 关于开放式系统的定义是：能够在多种平台上运行， 可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式口1 。按照这 一定义，开放式数控系统应该具有以下特征：可互操作性，可移植性，可伸缩 性和互换性等。 1 2 国内数控机床的发展趋势 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，一直到6 0 年代中期处于研制、开发阶 段。1 9 6 5 年，国内开始研制晶体管数控系统。6 0 年代末至7 0 年代初研制成功 x 5 3 k 1 g 数控铣床、c j k 1 8 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从7 0 年代开始， 数控技术在车、铣、钻、镜、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加 工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低， 致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一 时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得 到了推广。 8 0 年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术， 并于19 8 1 年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上， 2 跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系 统、分辨力为o 0 2 u m 的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的 数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济 性数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为 主的产业体系，9 0 年代以后主要发展高档数控机床。 目前国内较为成功的拥有自主知识产权的数控系统的典型代表主要有：北 京珠峰公司的中华i 型，航天数控集团的航天i 型，华中数控公司的华中1 型 和沈阳高档数控国家工程研究中心的蓝天i 型，以及它们的派生产品。另外还 有一批通过“国家机床质量监督测试中心 测试合格的国产系统等。 与此同时国内很多其他知名高校亦开发出自己的数控系统，比如本人所在 的合肥工业大学c i m s 研究所开发出了s t a r 0 1 g 五轴联动数控滚齿机等。 虽然我国的数控系统的研制工作取得一定的进展，但是面临国际上的强大 竞争对手，我国数控系统的国内市场占有率一直处于难以提升的艰难局面。国 内中高档数控系统市场完全被外国公司垄断。国外一些知名厂家采用技术封锁 和低价倾销的双重策略，利用其先进的技术和产品以及灵活多样的促销手段抢 占中国市场，扼杀中国的民族数控工业。 因此探索出一条适合本国数控系统发展之路，打破国外对数控系统的垄断， 成为我们迫切需要解决的问题。 1 3 国内数控系统研发的主要形式 国内数控系统的结构形式主要归纳为两类： 1 ) p c 机+ c n c 控制卡【6 j 【7 】例 图1 1 为这种数控结构的总体框图。由图可知，这种体系结构是一个分层结构， 同时也是模块化的。最底层是机床硬件平台，包括机床本体、各伺服步进电机的驱动 器，各种继电器，泵等。再上层是控制器平台：一个计算机系统，采用通用p c 机的 硬件结构，提供与机床底层的接口，如数字i o ，p l c 或c n c 控制卡( 运动控制卡) 等。 系统软件底层一般采用通用操作系统，比如d o s ，w i n d o w s 等，上层为c n c 应 用软件。c n c 应用软件的内部结构模块化设计，其核心是总控模块，由它负责 整个系统的协调与高效运作。人机界面要求信息足够，使用方便；代码处理模 块对n c 程序进行解释和预处理，产生相应的数据结构交给插补运算模块或过 程、逻辑控制模块执行，通过轴控模块驱动相应设备工作。过程逻辑控制模块 主要处理过程控制、各开关量、机床状态等。检测模块对各加工状态、刀具状 态、机床状态进行检测、监控。外部接口提供与c a d c a m 接口、数据库系统 接口或专家系统接口等。它提供两种形式的接口：一是通过网络，以客户机 服务器( c s ) 的形式与远程系统交换信息与数据；二是和本地机上的其他应用程 序间交换信息，可应用动态数据交换( d d e ) 或对象链接与嵌入( o l e ) 技术。接口 功能将有利于c n c 系统和其他系统的连接与集成。 一 。 l 开关i 输入i 1l 、n h 4 1 辘椭出扳 出竺 7 i 1 】王錾_ 。山l 7 l 二：j 外 - 1 人枧界面 im p ，；口h “、 部魑 7 l v - ，i 。珥i 1 凡o 您辑拦捌j 接 一 控 口 模厂1 块 1 竺竺 专 用 - 匾 _kc n c r ) 控 i 各轴电机驱动器l 一伺服步进电机l 一总作部件 0 1， 制 - j 燃磬 卡 懂捌惧段【忑 位置瑶钢h 控制嚣 硬件平台 机床硬件平台 操作系统平台 p c 机 系统硬件层 图1 1p c 机+ c n c 控制卡数控系统结构图 这种控制方式将p c 机主板和市场上提供的c n c 运动控制卡联结起来，使 得系统开发无须同大公司一样设计、使用专门的硬件电路板，而直接利用p c 机体系结构，用成熟n c 硬件来组成控制系统。运动控制卡与p c 机的接口遵 循标准总线定义，只对电机运动进行控制。开发人员利用厂商提供的运动函数 库作为轴控模块的外接口，直接对电机运动进行控制。一旦外部硬件设备发生 改变，只需替换运动函数库即可，可移植能力突出。这样的体系结构，既节省 了开发专用硬件的费用，又能在一定程度上保证系统运行的可靠性和运行精度， 从而大大降低开发成本。同时，由于p c 机总线是一种开放性的总线，所以这 样构成的系统硬件体系结构就具有了开放式、模块化，可嵌入的特点。 由于系统采用的各种板卡可以在市场上买到，而且技术比较成熟，各种函 数也是经过了系统的调试，目前一些厂家正在参与这种数控系统的研发。 但是，基于p c 的数控系统亦具有硬件结构功能利用率不高等缺点，所以 仍需对此结构作进一步的改善。 2 ) 采用单片机为c p u 的数控系统 图1 2 为采用单片机作c p u 的数控系统的总体框图。 与p c 机+ c n c 控制卡组成的数控系统类似，最底层的是机床硬件平台， 包括机床本体、各伺服步进电机的驱动器，各种继电器，泵等。上层为中间控 制部分，实现弱电强电转化、光电隔离等功能，是控制器与执行部件连接的通 道。然后是控制部分，主要实现各种资源的扩展和应用，比如l c d 、键盘、扩 展i o 、通信等。控制器根据其选用实现功能的难易程度选择合适的单片机， 因此这种结构的数控系统可以实现不同档次的划分。 4 控制系统 l c d 鳆 片 机 e p u发 送 脉 冲 a 加 转换 电气控制 f 一一j 床 捩 态 = 中 间 继 电 嚣 图1 2 采用单片机作c p u 的数控系统的总体框图 目前市场上常用的单片机产品异常丰富，m i p s 、a r m 、8 0 5 1 、p 5 1 x a 、 m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等处 理器都能够理论上作为数控系统的c p u 。而且根据具体的应用要求，某些单片 机还能够支持操作系统，比如a r m 系列a r m 7 2 0 0 t 以上的芯片。目前，a r m 嵌入式l i n u x 数控系统也是研究的一个热点问题。因此随着控制芯片的快速发 展，生产出各种基于单片机的数控系统，具有异常丰富的功能，即能够满足高 端用户的需求，又能够以合适的价格构造出满足低端用户需求的产品。 由此可见，与p c 机+ c n c 控制卡结构形式的数控系统相比，采用单片机 作c p u 的数控系统能够充分利用c p u 和系统的各种资源，更大程度的控制成 本。 但是，基于单片机的数控系统亦存在很多缺点，比如针对不同系统的控制 功能需要从头研制硬件控制电路和软件程序，增加了产品的研发周期和研发重 复性。 针对基于单片机的数控系统这一缺点，提出研制基于高性能单片机的数控 系统平台的设想。 1 4 基于单片机的数控系统平台 相对于p c 机+ 运动控制卡形式的数控系统，基于单片机的数控系统可以按 照c p u 的种类和用户需求实现产品细分，从而容易实现数控产品的系列化和延 续化。 如果对控制需求进行整合，不难发现目前市场对基于单片机的数控产品的 5 鉴 雕罐展输入一矿展输嫩 控制需求主要分为两个档次。 1 ) 单片机+ 实时操作系统 这种架构的数控系统一般为中、高端系统，控制实现功能丰富，基本可以 实现网络信息共享等管理任务，并且闭环控制，精度较高。任务的实时性主要 由操作系统保证。这种架构常用的单片机有a r m 系列、i n t d 系列等，常用的 实时操作系统为r t - l i n u x ，w i n d o w sc e 等。常用于精度较高和联动数目四轴 以上的数控系统。 2 ) 单片机+ 控制模块 基于这种结构的数控系统并没有应用实时操作系统，系统的各种任务的实 时性利用处理器的中断或者软件保证。系统采用高性能单片机为c p u ，以求运 算速度满足数控系统管理和插补等功能的需求。此类系统一般最多能够满足三 轴或者四轴联动数控机床的需求。 由此可见只要研制不同等级的基于单片机的数控系统平台，按照实际要求， 选取不同的平台，将平台的具体功能进行小的修补，便可以研制出用户需求的 数控系统。这样就可以避免基于单片机数控系统研发的缺点，缩短了研发周期， 也降低了重复性工作。 将数控系统中通用的技术模块加以总结提炼，组成一个“标准”的数控系 统平台，然后再根据实际应用对这一数控系统平台进行功能添加或删除，从而 完成系统的研发。这便是我们基于单片机的数控系统平台的设计思路。 在这一思想的指导下，研制基于多c p u 单片机的数控系统平台一一 s t a r n p 数控系统。本数控平台实现控制三轴两两联动或者三轴联动的机床。 1 5s t a r n p 数控系统构建原则 s t a r n p 数控系统实现的关键在于软硬件的设计。而以下几个方面是软硬 件设计所应该遵循的原则： 1 ) 制定在一个数控系统平台的制造协议，在系统的应用软件、硬件和网络 功能方面形成一整套标准规范，规范系统的软硬件界面和通讯协议，使得控制 器制造商和机床生产厂能在制造协议的导航下进行有序的开发和生产，并在此 基础上实现广泛的合作，避免重复开发和资源浪费； 2 ) 实现系统硬件的模块化、标准化和系列化，并提高其可靠性和实时性。 通过对系统c p u 结构模式、通讯方式、运动控制和辅助控制等方面进行模块化 处理，按不同的功能制作成模块，实现标准化和系列化，且各模块单元之间可 利用已定义的标准化接口进行通讯； 3 ) 构造一种相对独立于硬件系统的软件平台，并且软件实现模块化设计。 目前，为减少数控系统软件对于硬件的依赖性，从根本上实现软件的开放性， 开发出一种独立的软件平台是十分必要的。针对数控系统的实时性和多任务性， 6 应构筑一种实时多任务软件平台，并使其基本功能模块化、典型化，使各个功 能模块实现统一调度和相互独立，这样为不同硬件结构的数控系统提供软件时， 只需按其功能配置相应的软件模块，实现软件的独立性和开放性。 1 6 本文主要工作 本人参与了s t a r n p 数控系统的软、硬件研制工作，并将其应用于 s t a r 0 6 p 数控涂漆机产品中。实践证明s t a r 。n p 数控系统在s t a r 0 6 p 涂漆 机中的应用，不仅能够满足涂漆机各种技术要求，而且降低了涂漆机的研发时 间，体现了s t a r n p 数控系统平台的可移植性和可扩展性。本文便是在上述 工作的基础上撰写的。 论文各章节主要内容安排为： 第一章，主要回顾数控系统的发展历史及其发展方向，同时引出开发 s t a r n p 基于单片机数控系统平台的构思和指导原则。 第二章，主要论述s t a r n p 数控系统硬件控制部分的实现原则和方法。重 点阐述了c p u 模块、通讯模块、显示模块和扩展i o 模块的实现方法，并且论 述了p c b 板的布线过程。 第三章，本章论述了s t a r n p 数控系统的软件构成。以软件芯片的编程思 想为指导，详细研究了主从c p u 间的通信模块、l c d 显示模块、加工代码的 文件操作模块、加工代码的译码模块以及插补运算和速度控制模块的具体设计 和实现。 第四章，介绍了s t a r 0 6 p 数控涂漆机的总体设计方案，论述了s t a r - n p 数控系统平台向s t a r 0 6 p 数控涂漆机的移植。该涂漆机在实际应用中不仅达 到了预期的设计意图，而且由于系统的移植大大降低了产品的研发周期。初步 证明基于多c p u 单片机数控系统( s t a r n p ) 的可行性和优越性。 第五章对全文进行了总结，并且对以后将要开展的工作进行了展望。 7 第二章多c p u 单片机数控系统( s t a r n p ) 的硬件设计 2 1s t a r n p 数控系统的硬件设计原则 s t a r n p 数控系统的硬件设计必须满足以下要求g 1 ) 系统的运算速度必须满足机床各种运算速度要求，以符合数控机床的实 时多任务的特点； 2 ) 系统硬件结构能够满足经济型机床的功能要求，扩展性能好，适用面广， 可靠性高，保护功能好； 3 ) 硬件功能模块化设计，并且模块划分得当，便于扩充，便于判断故障和 维修； 4 ) 在不增加硬件成本的前提下，可以利用网络，以提高设备利用率和使用 质量。 在这个原则的指导下，研制出基于单片机的数控系统平台。 2 2s t a r n p 数控系统的硬件架构 2 2 1 数控系统的c p u 本数控系统预控制四个电机，其中三个步进或伺服电机可以实现两两直线、 圆弧插补或者空间( 三轴) 直线插补。 目前数控系统按照c p u 的数量来分有：单机系统和多机系统【9 】。 1 ) 单机系统。指整个c n c 装置只有一个c p u ，它集中控制和管理整个系 统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点在于投资小，结构 简单，易于实现。但系统功能受c p u 字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等 因素的制约。现在这种结构已被多机结构的主从结构所代替。 2 ) 多机系统。是指整个c n c 装置中有两个或两个以上的c p u ，也就是系 统中的某些功能模块也带有c p u ，根据这些c p u 间的相互关系的不同又可以 将其分为：主从结构系统，在该系统中只有一个c p u ( 称为主c p u ) 对系统 的资源( 系统存储器、系统总线) 有控制和使用权，而其他带有c p u 的功能模 块( 称为智能部件) ，则无权使用或控制系统资源，它只能接收主c p u 的控制 命令或数据，或向主c p u 发出请求以获得所需的数据。只有一个c p u 处于主 导地位，其他c p u 处于从属地位，称之为主从结构。多主结构系统，在该系 统中，系统部件之间采用紧耦合( 即均挂在系统总线上，集中在一个控制箱内) ， 有集中的操作系统，通过总线仲裁器( 软件和硬件) 来解决争用总线问题，通 过公共存储器来交换信息。分布式结构系统，该系统有两个或者两个以上的 带有c p u 的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境( 系统总线、存储 器、操作系统等) ，功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块 间采用通信的方式交换信息。 目前，由于多主结构和分布结构的系统构成复杂，操作系统的设计比较困 难，加之从主结构系统能基本满足数控加工的要求，故这两种结构的c n c 系统 较少。 从硬件的体系结构来看，单机系统与主从系统及其相似，因为主从结构的 从c p u 模块与单机结构的相应模块在功能上是等价的，只是从模块的能力更强 而已。 考虑到本数控系统运用单片机作为处理器，单一c p u 并不能够满足实时多 任务的控制要求，所以系统采用双c p u 架构。一个c p u 实现实时性要求不高 的系统管理和监控，另一个c p u 实现实时性要求较高的运动控制，c p u 间通 过通讯实现数据交换。因此本系统采用主从式双c p u 架构。 2 2 2 数控系统的硬件总体架构 s t a r n p 数控装置的硬件结构应具有以下特点，如图2 1 所示。 1 ) 采用主从c p u 结构控制系统，主、从c p u 都采用高性能单片机，每个 子系统都有自己独立的运行环境和控制功能； 2 ) 主、从c p u 之间采用特定的通信协议进行数据通讯，交换信息。采用 共享双口r a m 结构或者直接信息交换方式实现通信，用户可选； 3 ) 硬件功能模块化设计，主要分为：键盘模块，显示模块，扩展i o 模块， 程序操作模块，插补控制模块，位置控制模块，电路驱动模块和电源隔离模块 等功能模块； 4 ) 主、从c p u 分工合作。主c p u 完成前台控制，即系统初始化、人机界 面管理、系统监控、键盘扫描、加工程序编辑、i o 控制等管理控制工作。从 c p u 则主要进行插补处理、位置控制、主轴控制、速度控制等实时控制工作。 下面就对每一个功能模块硬件实现方法进行详尽的论述。 2 3s t a r n p 数控系统硬件的具体设计与实现 2 3 1 主从c p u 的选择 主c p u 采用i n t e l 公司1 9 6 系列的高性能c h m o s 芯片一一8 0 c 19 6 k b ，封 装形式为p l c c 。这是一种1 6 位单片机，芯片内部集成了多种外围设备，包括 高速输入输出器、定时器计数器、监视定时器等，特别适用于各类自动控制系 统，如工业过程控制系统、伺服控制系统、分布式控制系统、变频调速电机控 制系统等。这些系统通常要求实时控制。 1 9 6 系列的单片机至少在以下几个方面提高了系统的实时性 1o 【1 1 】： 1 ) c p u 中的算术逻辑单元不是采用常规的累加器结构，改用寄存器到寄存 器结构，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般c p u 结构中存 在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力； 9 2 ) 2 5 6 字节寄存器中，2 4 字节为专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用寄存 器。比一般的c p u 中的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局 部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存 器现场所用的软件开销，大大方便了程序设计； 数l l 程 据li 序 存i l 存 储1 l 储 主c p u 双口 r a m 程i l 位 毳l i | | | 速l i 插 度i j 补 控i l 控 制l l 制 从c p u 型o1 ：1剧茎 3 ) 指令系统效率高、执行速度快，而且功能完善。可以对带符号数和不带 符号数进行操作，大部分指令的执行时间只有1 微秒，1 6 位乘1 6 位指令的执 行时间为1 4 6 2 5 微秒，3 2 位除以1 6 位指令的执行时间为2 4 - 6 2 5 微秒， 并有三操作数指令，符号扩展和数据规格化等指令； 4 ) 芯片耗能少。除正常工作外还可工作于两种节电方式：待机方式和掉电 方式，进一步减少了芯片的功耗。 i n t e l 公司1 6 位微控制器m c s 8 0 c 1 9 6 k b 速度己足够快，8 0 c 1 9 6 k b 的晶振 频率范围是3 5 m - - 2 0 m ，为安全可靠，我们选用1 6 m h z ，2 分频后得其状态周 期为1 2 5 n s ，则最长的间接寻址自动增量加法指令不超过1 4 u s ( 1 1 个机器周期) ， 需时最长的乘法指令( 寻址方式复杂) 不超过2 7 5 u s ( 2 2 个机器周期) 。其速度能 够满足集中控制的要求。 由于8 0 c 1 9 6 k b 内部无程序存储器，因此外扩一片程序存储器2 7 c 1 2 8 用于 存放系统程序。2 7 c 1 2 8 为1 6 k x 8 的c m o s 型e p r o m ，单一电源，+ 5 v 供电， 最大工作电流只有3 0 m a ，功耗低，读出时间约2 0 0 n s ，写入后，内部数据掉电 不丢失，封装形式为d i p 2 8 。数据存储器采用6 2 6 4 。 另外，扩展a t 2 4 c 2 5 6 用于存放零件加工程序代码，当被加工零件不同时， 只需根据零件加工要求，重新编写加工程序，经编译后烧写迸零件加工代码存 储器a t 2 4 c 2 5 6 中即可。a t 2 4 c 2 5 6 为两线串行e e p r o m ，与c p u 接v i 实现简 单。由图2 1 可知，此芯片只占用c p u 两根引脚，并且不占用数据、地址线。 可以存储2 5 6 k 字节的内容，基本满足一般数控系统加工程序应用需求。 1 0 8 0 c 1 9 6k b 具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，可寻址范围为6 4 k b 。 c p u 外围电路，包括程序、数据存储，扩展i o 实现，键盘和显示等模块，分 别占用其寻址空间，片选实现采用芯片g a l l 6 v 8 。实现方法如图2 2 所示。 g a l l 6 v 8 是美国l a t t i c e 公司推出一种可电改写、可重复编程、可加密的新 型可编程逻辑器件，是一种高性能、高可靠性的p l d 产品。 聃、鼯0 7g h d l 鬻， 鬈l ：鬈l ，默 图2 1a t 2 4 c 2 5 6 与主c p u 连接图 g a l l 6 v 8 是与门阵列可编程或门阵列固定的可编程逻辑器件，它内部由缓 冲器、与门阵列、8 个输出逻辑宏单元o l m c ( 或门阵列包含其中) 组成。由于它 具有速度快、容量大、功耗低、设计灵活、使用方便、并且可以加密等优点， 因此在p l d 器件中独树一帜，使得它在许多电子设计系统中获得了广泛的应 用。 g a l l 6 v 8 有2 0 条管脚，其中2 - - - 9 脚为固定输入端，1 2 、1 9 脚为输出端， 1 脚为时钟或固定输入端，1 1 脚为输出有效脚。1 1 1 9 脚中最多有8 个引脚可 配置成输出模式【1 3 】。各个片选的地址按照g a l l 6 v 8 规定的编程格式，加载进 入芯片。 从c p u 采用s t c l 2 c 5 4 1 0 单片机。s t c l 2 c 5 4 1 0 是宏晶科技生产的单时钟 机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代5 1 单片机，指令代 码完全兼容传统8 0 5 1 ，但速度快8 到1 2 倍，内部集成m a x 8 1o 专用复位电路。 4 路p w m ，8 路高速1 0 位a d 转换，针对电机控制，强干扰场合【i 2 。 该单片机具有以下特点： 1 ) 工作频率范围广，0 到3 5 m h z ，相当于不同8 0 5 1 单片机的0 到4 2 0 m h z ， 实际工作频率可以达到4 8 m h z ： 2 ) 用户应用程序空间1 0 k ，片上集成5 1 2 字节r a m ，能够满足客户程序 和数据存储区的需求，不用另行扩展； 3 ) 共2 个1 6 位定时器计数器，并可以用p c a 模块产生4 个定时器； 4 ) 具