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手持式数控编程器的研究与设计 摘要 随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而 生，正朝着标准化开放体系结构的方向发展，与国外数控技术和产品相比 我国数控机床的基础件和功能部件发展滞后，制约着我国数控技术和产品 的整体发展水平。因此发展数控功能部件，为我国数控装备提供具有自主 知识产权的实用可靠配套产品，是非常必要的。论文正是基于这种实际应 用需要，针对新型数控系统的配套产品一一手持式数控编程器进行自主设 计、研究与开发，具有现实意义和应用价值。 论文从软件工程理论和方法出发，以承担的数控系统配套产品手持式 数控编程器的研究开发项目为实例，全面分析论述了编程器的设计原理和 实现方法。首先介绍了国内数控系统编程器的发展及现状，手持式数控编 程器的技术特点和优势：然后根据开放式模块化设计思想，给出了基于单 片机的串行通信技术的手持式数控编程器的硬件和软件系统的研究设计 方法；最后详细介绍了系统软件为实现正文编辑、编译处理、文件管理、 串行通讯、键盘处理、液晶显示等主要功能的设计与实现技术。 本论文所介绍的编程器，已研制出实际产品，可用于低档的经济型数 控系统或普通机床的数控化改造。实际证明是切实有效的，获得了良好的 效果，具有较强的实用性和推广应用价值。 关键词：手持式数控编程器，单片机，软件设计，串口通讯 r e s e a r c ha n dd e s i g no fp o r t a b l ep r o g r a m m e r u s e di nn cm a c h i n et o o l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , o p e nn cs y s t e m so f v a r i o u sd e g r e e sh a v ee m e r g e da n dg r o w nf a s t a tp r e s e n t ，i ti sg r a d u a l l y d e v e l o p e dt os t a n d a r d i z e do p e ns y s t e m c o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s ， t h e r ei sl a r g ed i s t a n c ea n dt h eb a c k w a r do ff u n c t i o n a lp a r t so fn cm a c h i n e t o o l sh a sl i m i t e dt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n to fn ct e c h n o l o g yo fo u r c o u n t r y ，t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tn e c e s s i t yt op r o v i d et i m e l ya n dr e l i a b l e m a t c h i n gp r o d u c t sf o rt h en ci n d u s t r yo fo u rc o u n t r y b a s e do nd e m a n do f r e a l i s t i ca p p l i c a t i o n ，t h ep a p e rd e v e l o p sm a t c h i n gp r o d u c t so fp o r t a b l en c p r o g r a m m e rf o rn e wn cs y s t e m f r o mt h ee n g i n e e r i n gp o i n to fv i e wa n d w i t hr e a le x a m p l eo ft h eu n d e r t a k e np r o j e c to fn cs y s t e mm a t c h i n g p r o d u c t s o fp o r t a b l en cp r o g r a m m e r ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed e s i g n p r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fn cp r o g r a m m e r f i r s t l y ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n ta n d c o n d i t i o no fn a t i o n a ln cs y s t e m p r o g r a m m e ra n dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e d o m i n a n c eo ft h e p r e s e n tp r o g r a m m e r t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np r i n c i p l eo fo p e n m o d u l a r i z a t i o n ，s i n g l e - c h i pb a s e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fp o r t a b l en c p r o g r a m m e rw i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea r ed e s i g n e d f i n a l l y ， t h em a i nf u n c t i o n so ft h es o f t w a r ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ：d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e o ft e x t e d i t ，c o m p i l ep r o c e s s i n g ，f i l e m a n a g e m e n t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，k e y b o a r dp r o c e s s i n ga n dl c d s c r e e n t h ep r o g r a m m e rd i s c u s s e di nt h i sp a p e rh a sb e e nm a n u f a c t u r e dt or e a l p r o d u c t sa n du s e df o rl o w c l a s se c o n o m i cn cs y s t e mo ri m p r o v e m e n to f n cn o r m a lm a c h i n et o o l s f i n ee f f e c t sa n dv i r t u a lv a l u eh a v eg a i n e dh a v e g a i n e di nr e a lt e s t s ，a n di t i sw o r t hf o rp r a c t i c a b i l i t ya n dp o p u l a r i z a t i o n a n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p o r t a b l en cp r o g r a m m e r ，s i n g l ec h i pp r o c e s s o r s o f t w a r ed e s i g n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 插图清单 图1 1 基于u s b 的手持控制器结构框图3 图1 2 基于无线通信技术的数控p d a 结构框图4 图l 一3 数控设备a g e n t 的模型5 图2 1编程器与系统连接示意图8 图2 2 编程器硬件设计框图8 图2 3 编程器功能结构图1 0 图2 4 编程器数据流程图1 1 图3 一i 主程序框图13 图3 2 系统存储器分布图13 图3 3 编辑屏幕显示格式1 4 图3 4 编辑缓冲区与屏幕显示缓冲区1 8 图3 5 编辑程序主框图1 9 图3 6 编译程序总框图2 2 图3 7 状态图2 6 图3 8 矩形循环指令状态图2 6 图3 9 编译处理流程图2 7 图3 1 0 文件管理功能程序主框图2 9 图3 1 1 通讯接收处理框图3 9 图4 一l v 2 5 与键盘接口示意图4 2 图4 2 键盘处理中断服务程序框图4 3 图4 3 v 2 5 与液晶显示接口示意图4 7 表格清单 表3 1 单级目录3 0 表3 2 一般数据包格式3 3 表3 3 数控加工目标程序包3 3 表3 4 删除数控系统文件包3 4 表3 5 要求数控系统发送文件信息包“3 4 表3 6 数控加工程序应答包3 4 表3 7 数控系统文件信息包3 4 表3 8 数控加工源程序包3 5 表4 一l 键盘表4 i 表4 2 模块的外部接口信号功能4 6 表4 3 指令表4 6 表4 4 d d r a m 地址表4 7 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆工些盍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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字螺硝恽签字日期一5 年月钼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月王、业盍堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 墨兰些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 翩 签字日期：彩年，f 月目 电话 邮编 详细 以 胪崤叫 一 彤 文 期 墓i 翔 学 签 致谢 本课题的研究和论文的撰写工作是在导师李钢教授的悉心指导下完 成的，他严谨的治学态度、求实的科学精神、精益求精的工作作风以及他 宽广的胸襟，豁达的人生态度，平易近人的良师风范，使我受益终生，值 得我认真学习。在此向他致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 我还要特别感谢丁明，教授，在论文的撰写过程中给予我精，i i , 的指导和 无私的帮助，感谢陈梅老师对我工作上的热情支持和关心帮助，感谢课题 组的所有老师和同事。在此向他们致以最诚挚的谢意和深深的祝福! 最后感谢我的家人对我的支持和鼓励，我会好好珍惜，祝他们永远健 康快乐! 作者：曹彩萍 2 0 0 6 年1 0 月 第一章绪论 1 1 数控系统的发展及现状 1 1 1 数控系统的发展历程“5 1 1 9 5 2 年，美国研制成功世界上第1 台三坐标数控铣床，标志着数控技术的诞 生。该机床的数控装置是基于电子管和继电器的机床数控装置，因此，该数控系 统被称为电子管数控系统，即第一代数控系统。到2 0 世纪5 0 年代末，有固定布线 的晶体管元器件电路所组成的第二代数控系统一晶体管数控系统研制成功。 随着集成电路技术的发展，数控技术也进一步发展，1 9 6 5 年出现了第三代数控系 统一集成电路数控系统，它在实用性、柔性、易维修性等方面有了一定程度 的改善。随着计算机技术的发展，使得计算机被引入数控系统成为可能。1 9 7 0 年，第四代数控系统一小型计算机数控系统出现了，它使得数控系统在柔 性、实用性、易维修性、环境要求及对任意机床的适应性方面都获得了质的改 善。1 9 7 4 年，第五代数控系统一微型计算机系统诞生。由于微电子技术和计 算机技术的不断发展，数控技术日新月异，数控系统不断更新，发展迅速。现 在，第六代数控系统开放式数控系统已经出现并逐渐完善成熟。 1 1 2 开放式数控系统的概念及特征”。” i e e e 标准定义开放式数控系统为：能够在多种平台上运行，可以与其它的系 统相互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式”1 。 一个完全开放的数控系统应该是：系统构筑于一个统一的、开放的平台上， 具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配、集成、更改或扩充系统的功 能，以便迅速适应不同的应用需求。 开放式数控系统具有以下的基本特征”： 夺可互换性：构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的 控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，不影响系统整体的 协调运行。 夺可伸缩性：数控系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统 的大小( 硬件或软件模块) ，可根据具体的应用增减。 夺可移植性：系统的功能软件与设备无关，各功能模块可运行于不同的控 制系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上。 夺可扩展性：数控系统用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到数 控系统中，形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸。 夺可互操作性：通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以 标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能 力，协调工作。 1 1 3 开放式数控系统的结构类型“7 1 近1 0 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应 运而生，发展很快。目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而 言，当今数控系统大致可分为4 种类型：传统数控系统，p c 嵌入n c 型，n c 嵌入p c 型，全软件型。 夺传统数控系统：如f a n u c o 系统、m i t s u b i s h i m5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系 统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户作 人机界面，但必须使用专门的开发工具，耗费较多的人力，而对它的功 能扩展、改编和修改，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统占领 的市场已逐渐减小。 夺p c 嵌入n c 型：这种系统的基本结构为c n c + p c 主板，即把一块p c 主板插入 传统的c n c 机器中。p c 板主要用于非实时控制，如参加辅助编程、监控分 析、系统管理等工作。c n c 完成机床运动控制、逻辑控制等功能。如 f a n u c l 8 i ，1 6 i 系统等数控系统。尽管它也具有一定的开放性，但由于它 的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用 户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂 贵。 夺n c 嵌入p c 型：这种数控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插入p c 中，p c 将实现用户接口、文件管理以及通信等功能，n c 插卡将全面负责 机床的运动控制和开关量控制，如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控 制卡构造的p m a c n c 数控系统等。这是目前采用较多的一种结构形式。 夺全软件型：这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大 的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算 机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。全软件型数控系统把运 动控制器等主要功能部件以应用软件的形式实现，除了支持数控上层软 件的用户定制外，还支持运动控制策略的用户定制。用户可以在w i n d o w s n t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的 高性能数控系统。与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具 有最高的性能价格比和可扩展性，因而最有发展前途。其典型产品有美 国) a d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 1 2 我国数控产业的现状“。“3 2 0 世纪8 0 年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，我国的数控技术取得 了巨大的进步。具体表现为：基本掌握了现代数控技术，在重大关键技术上 ( 核心技术) 已达到国际先进水平；掌握了数控系统、伺服驱动、数控主机、 专机及配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化；形成一批实力较 强的数控生产厂家，如：华中数控，南京大方，北京珠峰，舷天数控公司等。 虽然在数控技术的研究开发及产业化方面取得了很大的进步，但与国外相比 尚有不小的差距。具体表现为：技术开发能力不足，创新能力不强，技术水平与 发达国家相比，仍有相当大的差距；数控产业基本是在中低档水平上，市场占有 率低，品种少；功能部件发展缓慢，品种少，从精度指标和性能指标的综合情况 看还不过硬。 目前，我国数控机床功能部件发展滞后，极大的制约了我国数控技术的整体 发展。数控功能部件的发展，不仅为我国数控产业提供及时可靠的配套产品；而 且，数控功能部件的发展，有利于数控相关技术的发展和我国整体技术水平的提 高。 1 3 数控系统编程器的发展及现状 目前国内数控系统编程器有三种类型：基于u s b 的手持控制器，采用无线通 信技术的可移动的掌上控制器，支持分布式网络化制造的数控设备a g e n t 。 1 ) 基于u s b 的手持控制器“：由中国科学技术大学精密机械与精密仪器系齐 继阳，竺长安在基于通用串行总线的可重构数控系统中开发的基于u s b 的手持控 制器。该系统采用主从式控制结构，将p c 机作为上位机，运动控制器作为下位 机，手持控制器通过u s b 与上位p c 机进行通讯，同样通过u s b 与下位运动控制器进 行通讯，用来对机床进行各种操作。图1 一l 基于u s b 的手持控制器结构框图。 图l l 基于u s b 的手持控制器结构框图 2 ) 采用无线通信技术的可移动的掌上控制器“。”1 ：由合肥工业大学c i b t s 研 究所王治森等研制的采用无线通信技术的新型数控系统中设计的基于无线通信技 术的可移动的掌上控制器。该新型数控系统由两部分构成：一部分是可移动的掌 上控制器，即数控p d a ：主要完成包括加工程序的编制、仿真与下载( 包括手工编 程和从c a d c a m 工作站或台式电脑上下载巨型加工程序) 、机床调整、加工数据和 机床状态的采集以及和车间管理调度服务器通信等功能；数控p d a 的硬件平台选 用d e l lp o k e tp c ，软件平台使用w 】n d o w sc en e t 。另一部分则安装于机床上， 完成传统的运动控制和p l c 功能，称为嵌入式机床控制器；其硬软件配置主要满 足伺服系统实时控制和机床i o 功能的要求，但它必须增加无线通信的功能模 块。两部分之间通过w i fi ( 8 0 2 1 1 ) 或蓝牙( b 1 u e t o o t h ) 接口实现移动通信。基 于无线通信技术的数控p d a 结构框图如图卜2 所示。 图1 2 基于无线通信技术的数控p d a 结构框图 3 ) 支持分布式网络化制造的数控设备a g e n t “7 ”1 ：由华中科技大学机械科学 与工程学院程涛，吴波，杨叔子，黄心汉等在支持分布式网络化制造的智能数控 系统的研究中提出的支持分布式网络化制造的数控设备a g e n t 。数控设备a g e n t 是 一个具有一定推理、决策能力的智能实体( 软件计算程序) ，能够独立、自主地 根据其周围环境信息、当前状态、能力，进行规划、推理决策并作出适当的反 应，它是数控设备的“代理人”。数控设备a g e n t 全权负责所代理的智能数控设 备与外界的通信、交流合作事宜。图i 一3 是数控设备a g e n t 的模型，它主要由通 信模块、协作模块、任务池、推理决策及控制模块、知识与数据库及其管理模 块、人机接口等部分组成。数控设备a g e n t 与数控设备有以下三种连接方式： ( 1 ) 将数控设备a g e n t 作为智能数控系统的一个内置功能模块，a g e n t , s 利用双 端口r a m 与数控设备完成信息交换；( 2 ) 数控设备a g e n t 作为智能数控系统的外置 功能模块，可以通过局域网与其所代理的数控设备进行信息交互；( 3 ) 将a g e n t 作 为数控设备的一个外置模块，通过串口与数控设备的进行通信。 4 数控a g e n t l 通信模块 l i 协作模块 数 控 网络 任务池 f 设 备 l 推理决策及控制模块i 知识与数据库管理j 人机接口 图1 3 数控设备a g e n t 的模型 1 4 本手持式数控编程器的技术特点和优势 根据我国数控技术和数控产业的现状，以及注重数控功能部件的发展的趋 势，因此开发与新型数控系统配套的手持式数控编程器是非常必要的，具有实际 意义。 本手持式数控编程器的技术特点和优势： 夺最明显的优势就是它的经济性，价格低廉，主要用于低档的经济型数控系 统，或用于普通机床的数控化改造： 夺另一个突出的特点就是其使用方面的简易性，与中、高档数控编程器相比， 它具有操作简单、方便易学的特点； 夺选用手持式数控编程器后，数控系统的界面显示、程序编辑、程序编译、文 件管理等功能由编程器完成，从而减轻了数控系统的负担，数控系统只要完 成实时运动控制和p l c 功能，因而不仅能提高数控系统的实时性，而且能获 得良好的人机界面； 冷手持式数控编程器是一个通用的数控装置，可以用于控制不同的数控系统， 并且数据通讯稳定可靠。本编程器通过标准r s - 2 3 2 - c 串行接口与数控系统及 p c 机进行通信，由于当今的数控系统大多具备标准r s - 2 3 2 - c 串行接口( 即传 统的阅读机穿孔机接口) ，因此只要在数控系统中增加相应的通讯功能模块， 就可以实现数据交换。 1 5 论文的结构安排 本文各章内容安排如下： 第一章绪论。首先简要介绍了数控系统的发展历程；接着阐述了开放式数控 系统的概念；以及5 个基本特征：可互换性，可伸缩性，可移植性，可扩展性， 可互操作性；4 种结构类型：传统数控系统，p c 嵌入n c 型，n c 嵌入p c 型，全软 件型；详细介绍了三种目前国内的数控系统编程器：基于u s b 的手持控制器，采 用无线通信技术的可移动的掌上控制器，支持分布式网络化制造的数控设备 a g e n t ；最后通过分析了我国数控系统和数控产业的现状，以及注重数控功能部 件的发展的趋势，论证了开发新型数控系统的配套产品手持式数控编程器是非常 必要的并且有实际意义，并介绍了本手持式数控编程器的技术特点和优势。 第二章介绍编程器的整体设计。具体阐述了编程器的设计原则，即系统性， 灵活性，可靠性，经济性和实用性；对于硬件设计，给出了编程器与系统的连接 示意图，和基于单片机的编程器硬件设计框图：对于软件设计，从模块化和结构 化相结合的软件设计思想出发，分解出编程器监控系统的各个功能模块，并给出 了说明各模块之间的相互关系的数据流程图。 第三章详细介绍系统软件的设计与实现。具体包括正文编辑功能，编译处理 功能，文件管理功能，通讯功能四个模块。对各模块，从功能的详细说明，相关 的数据结构设计，使用的关键技术和设计方法等方面进行了介绍。并给出了与关 键技术实现相关的部分程序流程图以及c 语言程序。 第四章详细介绍编程器键盘处理和液晶显示部分的设计与实现。具体包括处 理方式说明，数据结构设计，以及中断处理程序。 第五章论文总结与研究展望。 6 第二章编程器的整体设计 2 1 编程器的设计原则1 3 6 j 编程器的设计原则：系统性，灵活性，可靠性，经济性，实用性。 夺系统性：系统是作为统一整体而存在的，因此，在系统设计中，要从整个系 统的角度进行考虑，系统的代码要统一，设计规范要标准。传递语言要尽可 能一致，对系统的数据要做到数出一处、使一次输入得到多次使用。 灵活性：为保持系统的长久生命力，要求系统具有很强的环境适应性，以用 于各种不同的数控系统。为此，系统应具有较好的开放性和结构的可变性。 在系统设计中，应尽量采用模块化结构，提高各模块的独立性，尽可能减少 模块间的数据耦合，使各模块间的数据依赖减至最低限度。这样，既便于模 块的修改，又便于增加新的功能，提高系统适应环境变化的能力。另外，在 系统设计中，尽量使用标准接口连接和标准数控编程指令等，以提高系统的 通用性。 夺可靠性：可靠性是指系统抵御外界干扰的能力及干扰时的恢复能力。数控编 程器的工作环境比较差，一般用于数控系统机床车间内，周围的各种干扰随 时可能威胁它的正常运行，但是它所承担的责任又不允许它发生异常现象， 这是因为，一旦编译或传输的代码出错，轻者则影响生产，重者会造成事 故，产生严重后果。因此，在设计过程中，要把可靠性放在首位。那么，应 该如何提高它运行的可靠性呢，应该包含以下两点，首先要选用高性能的 c p u ，保证它在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。其次在硬件和软件的设 计中采用一些更有效的可靠性措施，诸如看门狗技术，采用应答通讯协议等 措施。 夺经济性：经济性指在满足系统需求的前提下，尽可能减少系统的开销。一方 面，在硬件投资上不能盲目追求技术上的先进，而应以满足应用需要为前 提；另一方面，系统设计中应尽量避免不必要的复杂化，各模块应尽量简 洁，以便缩短处理流程、减少处理费用。 夺实用性：实用性表现在操作步骤简单，显示直观形象，便于掌握。这就是说 操作工在不具备计算机知识的情况下，也能进行操作。换句话说，这就要求 程序的设计中，既要体现操作的先进性，又要兼顾操作人员原有的操作习 惯。 2 2 编程器的硬件设计 手持式数控编程器是与数控系统配套使用的编程工具，其主要任务是进行数 控加工程序的输入、编辑、管理、编译；与下位机( 数控系统) 之间的通讯，即 将编译后的加工程序下载给下位机或对下位机的文件进行管理；与上位机( p c ) 之间的通讯，即将加工程序发送给p c 机以便进行数控加工过程的图形仿真或接 收p c 机上输入的加工程序。编程器与系统连接示意图如图2 一l 所示。 编程器 数 控 p c 机 1 2 8 6 4 l c d 显示器 系 统 编程器主板 5 6 键键盘 图2 一l 编程器与系统连接示意图 编程器的硬件组成：由单片机c p u ，程序存储器e p r o m ，数据存储器 r a m ，数据掉电保护电路，实时钟电路，l c d 接口电路，键盘接口电路，电源 转换控制电路，串行通讯驱动接口等组成。如图2 2 编程器硬件设计框图所 示。 程序存储器e p r o m 2 7 5 1 2 2 7 0 1 0 数据存储器r a m 6 2 8 1 2 8 数据掉电 保护电路 电源转换 控制电路 单片机c p u v 2 5 实时钟电路 6 3 5 5 l c d 接口电路 a c m 一1 2 8 6 8 4 键盘接口电路 r s 2 3 2 r s 一4 8 5 串行通讯驱动接口 图2 2 编程器硬件设计框图 夺单片机c p u ：编程器主板c p u 选用n e c 公司单片机v 2 5 ( j - t p d 7 0 3 2 0 1 ) 。 v 2 5 内部总线结构为1 6 位，外部总线结构为8 位，编程存贮空间可达 1 m b ，i o 空间为6 4 k ，通用i o 口2 0 个，片内有d m a 控制器，中断控制 器，定时器，串行口，时钟发生器，1 6 k b 嵌入式r o m 等。 夺程序存储器e p r o m ：编程器主板上还包括12 8 k b 或2 5 6 k be p r o m ，可选 用2 7 5 1 2 或2 7 0 1 0 。用来存放编程器监控程序。 夺数据存储器r a m ：编程器主板上有1 2 8 k b 或2 5 6 kr a m ，可选用6 2 8 1 2 8 。 主要用于存放数控加工源程序和编译后的目标代码等 夺数据掉电保护电路 夺电源转换控制电路 夺实时钟电路：该电路是文件输入时修改时间记录的基础，具备年、月、曰、 时、分、秒等功能。文件存取时间记录功能也必须利用实时时钟实现。选用 6 3 5 5 芯片。 夺l c d 接口电路：编程器采用6 4 1 2 8 点阵液晶( l c d ) 显示器，可显示8 x 4 个汉字( 1 6 x1 6 点阵) 或1 6 8 个英文字符。选用a c m 一1 2 8 6 4 a 图形点阵 式液晶显示器。 夺键盘接口电路：编程器有5 6 个按键，用于加工程序的输入。 夺串行通讯驱动接口：编程器有一个串行通讯口，可选用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ，用 于与上位机或下位机的通讯。 手持式数控编程器的设计目标是小巧、可靠、省电。它以单片机v 2 5 为核心 部件，用尽可能少的器件，实现硬件设计功能。这样设计的结果，一方面减少了 器件，达到减少面积和降低功耗的目的；另一方面也增强了系统的可靠性。 2 3 编程器的软件设计 模块化设计是一种重要的设计思想，这种思想把一个复杂的系统分解为一 些规模较小、功能较简单的、更易于建立和修改的模块。一方面，各个模块具有 相对独立性，可以分别加以设计实现，另一方面，模块之间的相互关系( 如信息 交换、调用关系) 则通过一定的方式予以说明。各模块在这些关系的约束下共同 构成一个统一的整体，完成系统的功能。编程器的监控系统软件采用模块化设计 的设计思想，自顶向下，逐步细化，利用子程序构成各自独立的模块，使整个软 件系统具有良好的可读性、可修改性，易于调试和维护。 数控编程器的功能如图2 3 编程器功能结构图所示。各功能说明如下： 夺正文编辑功能：用于输入数控加工源程序。 夺文件编译功能：用于对数控加工源文件进行编译处理，生成易于加工处理的 目标代码。 审文件管理功能：包括建立一个新文件，打开己存储的文件，保存当前活动文 件，删除指定的文件，放弃当前活动文件，浏览存储的文件等功能。 图2 3 编程器功能结构图 l o 夺通讯功能：用于与数控系统以及p c 机传输数据。 夺系统设置功能：用于设置系统时间。 功能结构图主要从功能的角度描述了系统的结构，但并未表达各功能之间的 数据传送关系。数据流程图是一种能全面地描述系统逻辑模型的主要工具，它可 以用少数几种符号综合地反映出系统中数据流动、处理和存储情况。数据流程图 具有抽象性和概括性。抽象性表现在它完全舍去了具体的物质，只剩下数据的流 动、加工处理和存储；概括性表现在它可以把系统中的各种不同处理过程联系起 来，形成一个整体。编程器的数据流程图如图2 4 所示。 图2 4 编程器数据流程图 第三章系统软件的设计与实现 3 1 系统软件设计思想 编程器系统软件是一个比较复杂的基于单片机的监控系统。基于单片机监控 系统的软件设计和上位机的程序设计不同，因为它和硬件关系密切，需要对键 盘、显示器、通讯口、定时器、中断控制器、实时时钟、r a m 等硬件进行直接操 作。因此基于单片机的软件必须在熟悉硬件的基础上进行设计。 编程器的监控程序采用b o r l a n d c + + 语言开发编译固化而成。软件设计中， 采用模块化设计思想和结构化程序设计相结合的设计方法。模块化设计，使每个 模块只负责完成单独一项功能，减少了各个模块之间耦合。结构化设计，使得程 序结构清楚，层次分明，便于调试、维护和扩充。因而，使监控程序具有了如下 优点： 夺有利于程序移植。在今后进行程序移植时，可以充分利用现有的可靠的 子程序，以达到事半功倍的效果。从而缩短开发周期，降低开发成本。 夺有利于系统的运行维护和功能的扩展。当系统需要增加或修改某项功能 时，只要在相关功能模块内进行而不至于牵动全局。 夺易于实现相关功能模块间信息交互。 3 2 系统软件具体实现 监控程序主要由初始化模块，接收分析命令模块，正文编辑功能模块编译 处理功能模块，文件管理模块，通讯处理模块，系统设置模块，键盘处理模块， 液晶显示模块组成。 初始化模块是编程器加电、复位或驱动看门狗功能后立即执行的模块。主要 负责对c p u 、定时器、中断控制器、键盘输入缓冲区、数控加工程序目标代码文 件区、监控程序使用的特定变量等的设置。 接收分析命令模块，主要通过调用键盘处理程序，获得输入命令，并根据输 入的命令调用相应的功能模块处理。 系统设置模块，完成设置系统时间。 正文编辑功能模块，编译处理功能模块，文件管理模块，通讯处理模块，键 盘处理模块，液晶显示模块，这些模块的功能将在下面分别介绍。 监控主程序在完成整个系统的上电自检和初始化后，立即进入主循环，在主 循环中首先显示主菜单，接着调用接收分析命令模块，获得键盘输入的命令，最 后根据输入的命令调用相应的功能模块处理。主程序的整个工作流程如图3 1 所 不： 图3 一l 主程序框图 系统存储器分布如图3 2 所示： f f f f f e o o o o a 8 f f f a 8 0 0 0 a 7 f f f a o 0 0 0 1 f f f f 监控程序 1 2 8 k r o m 保留 c p u 内部寄存器 显示缓冲区 保留 文件区6 0 k j 编辑文件区2 0 2 8 k 1一 a vl 通讯数据区2 0 工作变量区 图3 2 系统存储器分布图 3 3 正文编辑功能模块 本编辑器力求做到用户界面良好，编辑功能完备和响应速度及时。此外为了 尽可能照顾用户的习惯，在编辑命令上尽可能以经典的正文编辑软件的编辑风格 相一致。使用户无困难地熟练掌握它。本编辑器主要用于输入数控加工源程序。 为提高输入速度，系统可以自动为加工程序产生段号，用户只要输入加工命令及 参数即可。编辑功能具有插入字符，查找字符串，重复查找字符串，块移动、拷 贝及删除，定位到正文起始、结束或某一行等子功能。 3 3 1 编辑屏幕显示格式 状态信息行 正文显示区 命令提示行 图3 3 编辑屏幕显示格式 夺第一行为状态信息行，包含如下信息：当前光标的列号和行号，目前编辑状 态是插入还是覆盖，编辑文件名及当前时间。 夺第二行至第六行为正文显示区，共5 行：显示编辑源程序。 夺第七行为命令提示行：显示编辑命令。 3 3 2 编辑功能键 夺个：移动光标至上一行正文。若光标所在行为文件第一行，则上移操作无 效。通常情况下，上移后光标列坐标不变，但若光标超出行长时，则光标定 位到该行行尾。 审：移动光标至下一行正文。若光标所在行为文件最后一行，则下移操作无 效。通常情况下，下移后光标列坐标不变，但若光标超出行长时，则光标定 位到该行行尾。 夺：移动光标至左边字符。若光标所在列为第- - n ，则左移操作无效。 夺专：移动光标至右边字符。若光标所在列为行尾，则右移操作无效。 夺p a g eu p ：移动光标至上一页( 每页5 行) 。若光标所在页为文件第一页，则 上翻页无效，并且报警指示。 夺p a g ed o w n ：移动光标至下一页( 每页5 行) 。若光标所在页为文件最后一 页，则下翻页无效，并且报警指示。 夺h o m e ：移动光标至当前行行首。 e n d ：移动光标至当前行行尾。 d e l ：删除当前光标字符。当光标位于文件尾时，删除无效。 b k s ：删除当前光标前一个字符，并且定位光标至删除字符处。当光标位于 文件第一字符处时，删除无效。 c a n ：删除光标所在行，并且定位光标于行首。 e s c ：退回上级菜单。 i n s ：插入方式覆盖方式转换键。 f 1 ：设置时间确认键。 3 3 3 编辑子菜单功能 编辑子菜单功能：插入字符功能，查找字符串功能，重复查找字符串功能， 编辑块操作功能，编辑定位功能。 夺插入字符功能：在编辑子菜单下，选择插入字符功能，则进入插入字符方 式。键入的可显示字符被插入到文本的当前光标位置，光标后移。在此方式 中，按i n s 键，转换为字符覆盖方式，即键入的字符将文本中当前光标位置 的字符覆盖掉，然后光标后移。当在文件尾输入回车时，自动编程出段号。 夺查找字符串功能：在编辑子菜单下，选择查找字符串功能，系统提示“查找 什么：”，输入查找字符串然后按回车( 或e s c ) 键，即从当前光标位置至文 件尾搜索该串，若找到，则将光标定位到查找到的字符串的串尾，字符串所 在的页面被显示在屏幕正文显示区。否则显示“字符串没找到”信息。 夺重复查找字符串功能：在编辑子菜单下，选择重复查找字符串功能，可重复 进行上一次字符串查找操作。 审编辑块操作功能：在编辑子菜单下，选择编辑块操作功能，系统提示：“定义 操作块起始”，移动光标至操作块起始位置，然后按回车，即定义了操作块的 起始位置。接着提示：“定义操作块结束”，移动光标至操作块的结束位置， 然后按回车，即定义了操作块的结束位置。然后屏幕显示块操作功能子菜 单：“移动拷贝删除”。如果选择移动功能，系统提示：“定义移动目标位 置”，移动光标到目标位置，然后按回车，即完成了将所定义的操作块移动 到该目标位置的功能，然后显示编辑子菜单。如果选择拷贝功能，系统提 示：“定义拷贝目标位置”，定位光标到目标位置，然后按回车，即完成了将 所定义的操作块复制到该目标位置的，并依然显示块操作功能子菜单，因此 对所定义的操作块，可进行多次拷贝到不同的目标位置。但是，必须注意不 能拷贝到所定义的操作块自身中。如果选择删除功能，系统提示：“确认删 除所定义的操作块吗? ”，若输入y 键，则删除所定义的操作块，然后显示编 辑子菜单；否则显示块操作功能子菜单。按e s c 键，显示编辑子菜单。 夺夺夺 夺夺夺夺 夺编辑定位功能：在编辑子菜单下，选择编辑定位功能，则定位光标到源程序 的开始、源程序的结束以及所指定的第n 行源程序。当选择该功能时，系统 显示定位功能子子菜单：“起始结束某行”。选择起始功能，则屏幕显示 文件开始的第一屏5 行程序，并将光标定位于正文首行首列。选择结束功 能，则屏幕显示文件的最后一些程序行，并将光标定位于正文末行。选择某 行功能，系统提示：“输入行号：”，用户输入行号，然后回车，即定位光 标到所指定程序行，并在屏幕正文显示区显示出来。 3 3 4 编辑功能相关的数据结构及存储布局3 3 1 夺编辑常数 # d e f i n exm a x1 6：屏幕正文显示区每行1 6 字符 # d e f i n eym a x5；屏幕正文显示区共5 行 # d e f i n em a x w o r k a r e a0 x 5 0 0 0 ：编辑文件最大2 0 k 夺编辑区数据结构 编辑行信息结构： s t r u c tl i n e i n f o u n s i g n e dc h a r + a d d r ；编辑行开始字符地址 u n s i g n e dn u m b e r ； 本行对应的字符数 ) ； 文字编辑区描述信息结构： t y p e d e fs t r u c tt a g p b u f d e s c r i p t i o n u n s i g n e dc h a rb s t a t u s ：工作区有效标志。0 ：无效；1 ：有效。 u n s i g n e dc h a rb p n u m ：程序号 u n s i g n e dc h a rh e a d 6 ：包头 u n s i g n e dc h a rt y p e ：包类型 u n s i g n e di n tb p s i z e ：程序大小 u n s i g n e dc h a rb p n a m e c o d e n a m e l e n g t h + i ：程序名，c o d e n a m e l e n g t h 常数常为文件名长度 u n s i g n e dc h a rb p y e a r ：文件建立日期年 u n s i g n e dc h a rb p m o n t h ：月 u n s i g n e dc h a rb p d a y ： 日 ) o p b u f d e s c r i p t l 0 n ： 文字编辑区结构： 1 6 t y p e d e fs t r u c tt a g w a r e a ； o p b u f d e s c r i p t i o nw d e s