基于ISA總線的電火花線切割機(jī)床接口電路的設(shè)計(jì)及研究

鐘孟輝,郭烈恩,沈 川

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江西南昌 330031)

ISA總線是IBM PC總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,IBM公司在PC總線的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)36引腳的AT擴(kuò)展槽而形成AT總線[1]。雖然ISA總線目前已很少見,但由于基于該總線的接口電路對(duì)布線的要求沒有PCI總線板卡那么高,所以在ISA總線上開發(fā)接口電路目前仍是人們首先考慮的方法。

在高速走絲電火花線切割系統(tǒng)中,常采用以步進(jìn)電機(jī)為主要部件的開環(huán)位置控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)試、維修、使用方便,成本低廉而在高速走絲機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。目前這種控制系統(tǒng)中,環(huán)形分配器一般采用軟件分配脈沖或用專用芯片如CH 250來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。用軟件來實(shí)現(xiàn)脈沖的分配將占用上位機(jī)過多的資源,降低了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率,而且快速響應(yīng)也受到了影響。若用專用芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制,則控制方式不夠靈活,所以其使用也受到一定的限制。本文以工控機(jī)為上位機(jī)、51單片機(jī)為下位機(jī),采用ISA總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)間的通信。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算,通過ISA總線把插補(bǔ)脈沖傳給下位機(jī),由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的分配。這種控制方法靈活、占用上位機(jī)時(shí)間少、適用范圍廣、通用性強(qiáng)。這種控制方式每個(gè)控制卡可同時(shí)完成多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制,便于完成3軸及以上控制要求的應(yīng)用。

1 接口電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、譯碼和鎖存電路、51單片機(jī)三部分組成(圖1)。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)插補(bǔ)計(jì)算,ISA接口電路和譯碼鎖存電路負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊,下位機(jī)即51單片機(jī)主要負(fù)責(zé)脈沖分配,實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

圖1 接口電路的組成部分

本系統(tǒng)中只使用了 ISA總線中的A 0～A 9 10位地址總線來表示I/O空間,其I/O端口地址僅為000H～3FFH共1 kB,其中前512個(gè)地址(000H～1FFH)被主板上的I/O接口使用,其余200H 3FFH為插在擴(kuò)展槽中的I/O通道使用,其中還有部分被通用的外部設(shè)備使用[3]。

因此在進(jìn)行控制卡設(shè)計(jì)時(shí),只能選用系統(tǒng)和用戶都沒有使用的I/O端口地址,通常用戶可使用300H～31FH地址,這是IBM PC系列微機(jī)留作實(shí)驗(yàn)板用的地址。在本系統(tǒng)中選用300H作為控制卡的基地址,高位地址A 9～A2經(jīng)74HC688譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)(300H)。采用74HC373對(duì)低位地址A 0、A 1進(jìn)行鎖存,供單片機(jī)讀取,這樣本控制板的地址范圍即300H～303H。

本文采用74HC245進(jìn)行總線隔離,以實(shí)現(xiàn)在外設(shè)不使用總線的時(shí)候,能及時(shí)釋放總線,讓其他設(shè)備可以使用總線。用基地址譯碼結(jié)果(300H)接74HC245的OE端,這樣只有CPU選中控制板地址時(shí),245芯片才處于導(dǎo)通狀態(tài)。用I/OR接245芯片的DIR端。當(dāng)CPU從外設(shè)讀入數(shù)據(jù)時(shí)I/OR為低電平,245芯片的導(dǎo)通方向?yàn)閺腂到A,其他狀態(tài)則保持從A到B的導(dǎo)通狀態(tài)。

由于CPU的速度要比下位機(jī)(51單片機(jī))快得多,為了保證CPU的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的正確傳輸,本系統(tǒng)采用74HC373對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行鎖存,以解決高速的CPU和低速外設(shè)之間的矛盾。如圖2所示,373芯片的OE端接I/OR的反相電平。因?yàn)镈0D7接在單片機(jī)的P0口上如圖3所示,當(dāng)單片機(jī)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候,373的輸出端應(yīng)處于高阻狀態(tài)。373芯片的鎖存允許端LE必須保證當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候處于導(dǎo)通狀態(tài),即LE應(yīng)為高電平,而在上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存,以供單片機(jī)讀取。即LE應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束之前變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖2 鎖存和譯碼電路

圖3 下位機(jī)電路

2 軟件的開發(fā)

本系統(tǒng)上位機(jī)的運(yùn)行環(huán)境是Window s XP系統(tǒng),但Window s對(duì)系統(tǒng)底層的操作采取了屏蔽的政策,因此在涉及底層操作時(shí)就要深入到Window s的內(nèi)核去編寫屬于系統(tǒng)級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[4]。在本系統(tǒng)中采用Win Io庫的函數(shù)對(duì) ISA接口進(jìn)行讀寫操作,WinIo庫通過使用內(nèi)核模式下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和其他一些底層編程技巧繞過Window s安全保護(hù)機(jī)制,允許32位Windows程序直接對(duì)I/O進(jìn)行操作。采用SetPortVal()和GetPortVal()兩個(gè)函數(shù)來對(duì)I/O進(jìn)行讀寫操作。

如圖3所示,當(dāng)上位機(jī)向300H～303H輸出數(shù)據(jù)時(shí),由基地址片選信號(hào)和寫控制信號(hào)合成的信號(hào)就會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷0(INT0)。這時(shí)單片機(jī)就迅速讀取P2.0和P2.1的地址信號(hào),確定上位機(jī)發(fā)送的控制對(duì)象(300H～303H分別對(duì)應(yīng)X、Y、U、V 4軸);然后再讀取P0口的數(shù)據(jù),決定脈沖個(gè)數(shù)和脈沖方向;最后由P1口通過光電隔離元件向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送各軸步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給脈沖信號(hào)和方向脈沖信號(hào),脈沖寬度由單片機(jī)采用定時(shí)器0以中斷的方式來設(shè)定。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到預(yù)定角度后,由反饋端Xback、Yback向單片機(jī)發(fā)送就緒信號(hào),以便接收下一個(gè)進(jìn)給脈沖。

3 結(jié)語

本控制系統(tǒng)已運(yùn)用在高速走絲電火花線切割機(jī)床上,實(shí)踐證明其具有控制靈活、安全可靠、抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)。在此接口電路的基礎(chǔ)上,還可開發(fā)各種帶有中斷功能的更復(fù)雜的控制板,如可將線切割間隙控制系統(tǒng)也集成到該接口電路中來。

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