基于idt7132并行传输技术的激光雕刻控制系统研制_李付军

1、 控制与检测2005 年第 8 期文章编号:1001-2265(2005)08-0055-03基于IDT7132并行传输技术的激光雕刻控制系统研制李付军, 尹志强, 袁帅, 柳欣(合肥工业大学 机械与汽车工程学院, 合肥 230009) 摘要:文章介绍了基于 IDT7132 并行传输技术的二维激光雕刻控制系统的软、硬件设计。 系统采用 PLD 作为地址译码器;应用页面编程的方法实现了超寻址空间存储器的扩展, 使其具备了 2MB 的 SDRAM ;在分析研究 PC 并口资源和并行数据传输方式的基础上, 利用双端口 RAM IDT7132 实现 PC 机与单片机的高速并行通信;软件采用半步偏差 几

2、何最优化插补方法实现对混合式步进电机的高精度控制。 关键词:激光雕刻机;80C196KC;双端口 RAM ;IDT7132;页面编程中图分类号:TP273文献标识码:AThe ResearchandDesign on the Control System of LaserCarving Machine Based on Parallel Communicationei 230009 , China) Abstract :The paper introduces the software & hardware design of two-dimensional Laser Carving Mac

3、hine .With the method of page pro- gram, the system extends 2Mbes SDRAM and achieves address code through PLD .The Dual-Port RAM &Parallel port of personal computer are used to achieve parallel communication.With the Straight Line &Arc Interpolation By Half Deviation-Best Geometrical Way to control

4、SLO-S YN stepper motor , it works stably and has high precision . Key words:laser carving machine ;80C196KC ;dual-port RAM IDT7132;page program列;系统扩展了 D/ A(DAC0832)转换器实现对激光电源的实时控 0引言激光雕刻机作为一种机、光、电相结合的高科技产品广泛地应用于印制、广告牌制作、模型制造等行业。 在实现基本功能的基础上, 用户对加工速度、效果等其它功能也提出了更高要求。鉴于此, 2004 年我校与合肥凌志机械电子联合研制了一套基于 16

5、 位单片机 80C196KC 的激光雕刻系统, 该系统稳定性好、结构简单、加工效率高且成本低廉, 可以实现清扫、勾边、位图 等多种加工方式, 灰度及斜坡处理效果良好。 图 1 雕刻机控制系统框图 制;上下位机之间利用双端口 RAM IDT7132 进行数据高速传输 。系统硬件电路设计中充分利用 80C196KC 丰富的软、硬件资源及其高速的数据处理能力, 外围电路的扩展设计尽可能标准化, 以做到电路简单, 成本低廉。 电气原理如图2 所示。 2 .1 数据传输 并行通信电路设计数据传输方式有很多种, 一般来说, 主要有串口(RS232 接口)、并口、USB 接口以及蓝牙技术等。 本控制系统中,

6、 通信模块是由 PC 机并行接口(打印机接口)、并行通讯接口及包括双端口 RAM IDT7132 在内的单片机控制系统组成, 利用双端口 RAM 的高性能来实现高速并行数据传输。 传输速率可达到 160Kbps, 足以满足加工对数据传输的要求, 很好地保证了系统的实时性。 IDT7132 是一种高速 2K 8CMOS 静态双端口 RAM , 使用两套完全独立的数据、地址总线和读写控制线来完成对一个通常的RAM 数据存储阵列的读、写操作, 它允许两个互不干涉的设备对同一存储单元同时进行操作, 从而使两个设备之间能够进行数据 1系统概况激光雕刻系统结构为主从式, 上位机采用个人计算机 , 下位机采

7、用单片机。 上位机主要将输入到微机的文字、图像转换成走刀路径文件(G 代码文件格式或二维 HPGL 文件格式), 再将其转换成雕刻插补所需数据信息(X 、Y 轴直线插补数据), 传输到下位机并对下位机进行控制。下位机接收上位机控制命令及加工数据, 同时在得到加工命令后完成 X 、Y 轴的步进电机联动、激光电源开/ 关、读取操作键盘命令等工作, 按照清扫、勾边、位图等加工方式中的一种并经过一定处理加工出预定产品。 系统框图如图 1 所示。 2硬件电路设计单片机控制电路为整个控制部分的核心, 本系统采用 INTEL 公司 MCS -96 系列单片机 80C196KC 作为 CPU , 系统扩展 3

8、2K(27C256) 外部程序存储器;数据存储器选用 4 片 HM628512 阵收稿日期:2005 -01 -19作者简介:李付军(1980-), 男, 安徽阜阳人, 合肥工业大学硕士研究生, 研究方向为机电控制及自动化, (E -mail)happysunny8056 。 55 控制与检测组合机床与自动化加工技术图 2 控制系统电气原理图 交换。IDT7132 提供了两种控制方式:竞争和非竞争模式。 只有在两个设备同时对同一地址单元进行读/ 写时才发生时序竞争。IDT7132 片内有硬件判优电路, 提供了 BUSY 总线仲裁方式。 当出现竞争时, 由双端口 RAM 内部的

9、仲裁逻辑电路来决定哪个端口访问有效, 同时取消无效端口的访问操作。 本系统中双口 RAM 两端的设备指的是 PC 机和单片机, 单片机对双端口 RAMIDT7132 的访问与片外扩展 RAM 没有区别, 而 PC 机侧对双端口 RAM 的读写则需要设计一接口电路。PC 机并行打印接口共 12 根输出线和 5 根输入线可供访问双端口 RAM , 而IDT7132 地址总线宽度为 11 位, 数据总线宽度为 8 位, 因此必须使用锁存器 74LS373 实现地址和数据总线的共享。 控制字、地址、输出数据都是通过PC 机对378H 端口写操作发出, 3 个 74LS373 的锁存命令则是对 37AH

10、 端口写操作实现的。 电路如图 2 所示。 2 .2 存储器扩展的实现80C196KC 具有一套统一的寄存器空间, 可寻址范围为 64KB。 0000H 2080H 单元使用比较困难, 一般不采用;2080H 5FFFH 这部分空间一般用于存放程序和常数表;6000H FFFFH 为外部存储器或 I/ O 口。 复位时, 程序将从 2080H 单元开始执行。 由于存储器容量有限 , 不能满足实际需要, 因此需要从外部进行扩展, 配置外部存储器, 包括程序存储器和数据存储器。 80C196KC 内部虽有 16KB EPROM/ ROM 可以存放应用程序, 但是写入程序需要专门编程器, 因此, 系

11、统扩展一片 32KB ROM(M27C256B)外部程序存储器来存放系统程序。 由于 80C196KC 的 I/ O 口限制, 系统扩展一片 8255, 利用其 A 口输出功能来实现激光开/ 关的输出以及步进电机的控制脉冲。 80C196KC 内部 RAM 为512 字节, 因在加工过程中需处理大量数据, 根据实际加工的需要, 不 能满足需要, 因 此系统扩展 4 片数据 存储器 HM628512 (512KB), 总容量为 2MB, 满足了系统对数据存储的要求。 由于 80C196KC寻址空间只有64KB, 单片机分配给 RAM的地址空间只有 16KB, 因此, 在对 RAM 寻址时首先进行

12、片选再采用页面寻址 。所谓“ 页面” 是指按一定大小将存储器分块;对各块进行存取操作时, 各块用其他的地址线(一般是高位部分)或其他 I/ O 口, 各块有着相同的逻辑地址而具有不同的物理地址。 容量为 512KB 的RAM628512分成 32 块, 一页指的是其中的一块 。 存储块的选通地址称为页面地址, 只要改变页面地址即可以对不同的存储块进行读写操作。 具体片选及页选值见表 1 及表 2。 表 1 RAM 片选组合逻辑 56 RR1RR2 RAM1 RAM2 RAM 3 RAM4628512/ CSRAM/ CS100011101101110110111111000011111 控制与

13、检测2005年第 8期表 2 RAM 地址分配握手, 开始数据的存取, 调用插补程序进行加工。其中, 关键就是在数据传输过程中对 双端口 RAM IDT7132 的操作, 包括 PC 机 向双端口 RAM 写数据及单片机从双端口RAM 中读取数据。 使用双端口 RAM 通讯的关键是处理好竞争现象, 避免因此而引起的读写错误。 该雕刻机控制系统中采用非竞争模式, / BUSY 脚置空, 用硬件与软件相结合的方法解决竞争现象。 思想是:采用存储器分区的方案, 系统分配给双端 口 RAM 的 地 址 空间 为 E000H E7FFH, 可以把双端口 RAM 资源分为两块, 即 E000H E3FFH

14、 单 元为 第一 块, E400H E7FFH 单元为第二块。 通过判断 2 .3 地址译码解决方法该控制系统硬件电路中, 外围芯片 ROM 、RAM 、DAC0832、8255 及双端口 IDT7132 都通过总线与核心控制芯片 80C196KC 相连 , CPU 数据总线分时与它们进行数据传输。 因此必须对外围芯片实行片选控制, 对片内有多个单元的芯片还要进行片内地址选择。 译码器一般选用 74LS138、74LS254 等芯片, 但这些芯片的逻辑功能固定不变, 所以地址一旦变化, 硬件电路就必须重新设计, 带来极大的不便。系统中采用可编程逻辑器件GAL16V8 作为地址译码器, 可以充分

15、利用地址空间, 采用 ABEL HDL 硬件编程语言编程, 代码简单, 不仅实现了地址译码的功能, 而且当地址改变时只需要改写GAL 程序就可实现地址的变化, 而无需重新设计硬件电路, 使硬件电路具有一定的通用性。 如电路图所示, P4 口的高 8 位地址A8 A15 位经 74LS373 锁存, 送入 GAL 译码, 经过译码后, 得到相应的片选线信号。 其ABEL HDL 编程语言如下: Module Addr attributeAddr attribute device P16V8R ; A15, A14, A13 , A12, A11, A10, A9 , A8 pin 2 , 3 ,

16、 4, 5, 6, 7 , 8, 9 ; romcs, ramcs , dualram , daccs , outcs pin 19, 18 , 17, 16 , 15; H , L , X = 1, 0 , X .; Address = A15, A14 , A13, A12 , A11, A10, A9, A8, X , X , X , X , X, X , X , X ; equations! romcs = (Address = h2000)&(Address = hA000)&(Address = hE000)&(Address = hE900)&(Address = hF800)&

17、(Address = hF803); end Addr attribute3系统软件概况该控制系统软件设计采用主从式结构, 上位机采用面向对象程序设计语言 Visual C + 6.0, 主要处理图形和传输加工数据, 编写用户操作界面及控制软件, 实现良好的人机交互;下位机采用 可读性强, 易于移植的 C 语言实现其对激光雕刻机各个组成部分的协调工作。 以下对系统软件主要模块进行概要介绍。 3 .1 控制系统主程序设计思路控制系统主程序即下位机流程如图 3 所示。 首先初始化相应 端口及检测位, 然后进行键盘操作, 置相应标志位实现上下位机 和轮廓线偏离不超过半步的一种走步方式。 判 (下转第

18、 59页) 57 P1 .4 P1 .3 P1 .2 P1 .1 P1 .0页面 逻辑地址 物理地址 A18A 17A 16A15A140000000001 11111012 31A000H DFFFH0000H 3FFFH4000H 7FFFH 7C000H 7FFFFH 工艺与装备2005 年第 8 期(转速), 并进一步以控制步进电机的输出脉冲数。 (3) 选用了 PLC 和触摸屏作为系统的控制部分, 系统的软、硬件资源丰富, 维护方便。 PLC 采用台达公司的 DVP32ES00T 。触摸屏通过 RS232 与 PLC 相连并与用户交互, 本系统控制中心部件为可编程控制器, 即 PLC

19、 识别绕线机主轴的速度, 输出速度信号到绕线机的步进电机驱动器, 控制排线机构以不同的速度沿轴向平移。 保持二者的联动, 从而可使系统能够协调运行。 3 结 论通过上述的分析, 我们设计了基于PLC 绕线机控制系统。 整个系统控制灵活, 效果显著, 在主轴无级变速的情况下每匝线都能排绕紧密, 绕出的线圈达到“ 镜面”效果。 参考文献 1 王文花.J80x 智能绕线机系统 J .杭州电子工业学院学报 , 2003, 23(3):87-90. 2 胡学同, 周杏鹏, 方益民.纤维绕线机微机控制系统设计技术研究 J .电气自动化, 2003, 25(3):28 -30 . 3 台达电子.台达 PLC

20、 应用技术手册 M . (编辑 李秀敏) (4)张力控制部分通过一系列的滑轮和毛毡来保持和调节。 本系统通过触摸屏设置绕线数据, 包括线径、每层的圈数、总圈数(或层数), 放置好线圈骨架并调节好细微漆包线张力 , 然后启动主轴, 排线机构自动随着主轴的旋转而进行位置控制 , 系统通过在主轴轴头的 Hall 开关, 利用可编程控制器对脉冲进行计数, 测定电机转动的角度和圈数。 在系统运行过程中, 各种运动信号由 PLC 采集, 并通过 RS232 上传到触摸屏, 例如动态显示缠绕圈数。控制框图如图 3 所示。 为调整、维修方便, 还设置了方式选择开关:手动和自动。 手动状态下, 通过按钮控制各机

21、构的 运动, 来完成绕线的动作, 可作调整、维修设备之用作。 (上接第 57 页)图 3 绕线机控制系统原理图 2系统控制软件设计线圈骨架绕主轴转动, 排线机构带着细微漆包线按特定速度沿丝杠轴向往复运动, 细微漆包线将沿着线圈骨架进行规则缠绕。随着制品结构形状及尺寸不同, 漆包线在线圈骨架表面上的排布规律也不同, 因此要求二者相对运动也不同。 顺序排线利用绕线主轴与排线轴的同步运动技术, 使每绕一圈, 排线机构步进一个线径的距离, 每匝线都能紧密排绕。 步进电机步数的计算公 式为: 图 5 轮廓线分类图 别的方法是先检查直线走步后, 在沿直线走步的垂直方向偏离是否超过半步, 没有超过半步就选用直线走步, 超过半步就选用 45 斜线走步。 这半步的偏离值称为半步偏差。 在水平和垂直方向的半步偏差分别用 Ex 和 Ey 表示。 每类轮廓线只用 Ex 和 Ey 中的一个作检