嵌入式SoC單片機(jī)在雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王鎖弘

(山東貝特智聯(lián)表計有限公司技術(shù)部，山東威海 264209)

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雕刻機(jī)完成了從2D、2.5D到3D的加工變革，功能趨于完善、性能更加穩(wěn)定，從而在制造業(yè)、建材業(yè)和廣告業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，隨著市場競爭的加劇，國產(chǎn)普通雕刻機(jī)的價格也降低至萬元以下，使得雕刻機(jī)生產(chǎn)廠不得不在降低生產(chǎn)成本、尤其是降低控制系統(tǒng)成本方面尋找出路。以木工雕刻機(jī)為例，在目前國內(nèi)市場上，木工雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用兩種方案:一種是基于PC機(jī)的方案;另一種是基于DSP運動控制器的方案。

基于PC機(jī)方案的雕刻機(jī)是由計算機(jī)、控制卡、電機(jī)驅(qū)動器和機(jī)械主體等4部分組成，由PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控，計算機(jī)安裝有諸如MACH3等的專用雕刻軟件，利用專業(yè)軟件進(jìn)行圖樣設(shè)計，并經(jīng)由計算機(jī)PCI總線接口，將設(shè)計與排版的信息傳送至雕刻機(jī)控制卡中，再由控制卡將這些信息轉(zhuǎn)換為能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的脈沖信號，控制x、y、z 3個坐標(biāo)軸的走刀定位。此方案采用通用雕銑軟件，利用PC機(jī)現(xiàn)有資源，雕刻機(jī)主要由電腦控制，是一種高效的CNC雕刻機(jī)系統(tǒng)方案。

基于DSP方案的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其主要特點是采用DSP和單片機(jī)構(gòu)成控制器，DSP完成對各坐標(biāo)的運動控制，單片機(jī)管理人機(jī)界面，被稱為手柄控制的雕刻機(jī)。圖樣設(shè)計生成的標(biāo)準(zhǔn)nc文件事先準(zhǔn)備好，并保存在U盤上，通過USB等串行接口輸入給數(shù)控系統(tǒng)，這是一種低價高效的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)方案。常用的專用DSP芯片有4軸運動控制芯片 MCX314As和PCL6045B等，這些DSP具有強大的硬件插補功能，使得在室外工作的雕刻機(jī)操作更便捷，一般木工雕刻機(jī)和石材雕刻機(jī)均采用該控制系統(tǒng)。

不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所要求的雕刻機(jī)的性能亦不相同，本文提出的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)方案，直接利用SoC單片機(jī)來構(gòu)成控制器，是一種采用單片機(jī)軟件來完成插補運算的解決方案。

1 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的硬件原理框圖

在Silicon Labs推出的8位嵌入式SoC單片機(jī)中，混合信號單片機(jī) C8051F120的速度最高［1］，可達(dá)98 MI·s－1。為保證程序的全速運行，加快運算速度，C8051F120單片機(jī)除具有轉(zhuǎn)移地址高速緩存和指令預(yù)取引擎外，還需具有乘法和累加引擎MAC0，其能使單片機(jī)在兩個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)，即可完成整數(shù)或小數(shù)的乘法和累加。該單片機(jī)具有高達(dá)128 kB的片上Flash存儲器，8 kB片上外部 RAM，可擴(kuò)展 64 kB片外RAM，在線編程，并提供非易失性數(shù)據(jù)存儲，允許固件現(xiàn)場升級。有64個I/O口，5個16位定時器，6路16位可編程計數(shù)陣列PCA，增強型的硬件串行接口SPI，SMBus和兩個UART等，是真正獨立的系統(tǒng)級芯片解決方案［2－5］。

C8051F系列單片機(jī)集成度高，且具有交叉開關(guān)功能，其大部分對外引出腳，除Uart接口的兩個信號Tx和 Rx外，均可在設(shè)計電路板時［6－8］，根據(jù)布板隨意連接，圖1所示為基于C8051F120單片機(jī)的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖。

圖1 雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件原理框圖

如圖1所示，高速單片機(jī)C8051F120是整個數(shù)控系統(tǒng)的中心，人機(jī)界面由4X4矩陣式按鍵電路和彩色LCD顯示模塊組成。用戶通過按鍵電路設(shè)置的加工參數(shù)，保存在單片機(jī)內(nèi)部的非易失性Flash區(qū)。LCD顯示器選用點陣式彩色智能模塊，具有256種顏色，顏色格式為RGB332，并采用通用串行UART接口連到單片機(jī)，操作指令簡單，且節(jié)省了單片機(jī)的接口線。

用戶通過浮雕軟件設(shè)計的雕刻圖案，最終會在PC機(jī)上生成一個后綴為.nc的文本文件并存入U盤中，U盤接口模塊的作用，便是通過SPI接口連接到單片機(jī)，由單片機(jī)將加工文件讀出后進(jìn)行加工。帶后背鋰電池的RAM型號為DS1245W，容量為128 kB，其連接到單片機(jī)的擴(kuò)展并行接口，成為單片機(jī)的片外RAM，既是對讀入的加工文件的有效緩存，也能在系統(tǒng)發(fā)生停電等故障時，保存和記憶當(dāng)前的加工進(jìn)程，以便系統(tǒng)恢復(fù)供電或排障后，能繼續(xù)按照前面的斷點完成加工。由于單片機(jī)的片外RAM地址只有16位，尋址空間最大為64 kB，需要用單片機(jī)的輸出引腳來對其進(jìn)行頁切換，將SRAM的128 kB存儲空間分成兩頁。

x、y、z軸的3個傳感器，均采用由槽形光耦組成的限位電路，其特點是限位精度高，易于與單片機(jī)接口。對刀傳感器采用微動開關(guān)，其作用是檢測被雕刻材料的厚度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用兩相電流細(xì)分式驅(qū)動器，細(xì)分系數(shù)和輸出電流，均可根據(jù)滾珠絲杠的負(fù)載大小情況來設(shè)定，驅(qū)動器和單片機(jī)之間有光電隔離電路，接口信號為方向信號Dir、走步脈沖信號Pul和有效選擇信號En。

2 空間直線的逐點比較插補算法

逐點比較法是國內(nèi)數(shù)控機(jī)床中廣泛采用的一種插補方法，其能實現(xiàn)直線、圓弧和非圓二次曲線的插補，插補精度較高。逐點比較法即每走一步，均要將加工點的瞬時坐標(biāo)同規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的走向，若加工點走到圖形外，則下一步就要向圖形內(nèi)走。若加工點在圖形內(nèi)，則下一步要向圖形外走。這樣就能得出一個接近規(guī)定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個脈沖當(dāng)量。在逐點比較法中，每進(jìn)給一步，均需要進(jìn)行偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、新偏差計算和終點比較4個步驟。對于一條二維平面直線，無論處于哪個象限，對其進(jìn)行逐點比較法直線插補時，由以下3式計算

其中，N代表總步數(shù);F表示判斷式;x，y表示坐標(biāo)。

通常情況下，在雕刻圖形的設(shè)計和生成階段，首先要預(yù)置雕刻的精度參數(shù)，所以y軸的進(jìn)給量一般較小，且每步固定，雕刻的精度要求越高，則y軸的進(jìn)給量則越小，這也使得雕刻文件的行數(shù)大幅增加。z軸的最大行程，一般略大于被加工材料的厚度。在3個坐標(biāo)中，x軸的運動量最大，其行程由被加工材料的幅寬決定。所以在進(jìn)行空間直線插補時，是假定了該空間的x軸進(jìn)給的步數(shù)最大。即要在以長軸為基礎(chǔ)建立的兩個平面坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行差補運算，才能插補出正確的空間直線軌跡。因此，每讀出一行雕刻加工的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，均要先行判斷，找出步數(shù)最長的軸，再以其為關(guān)聯(lián)軸來構(gòu)建兩個插補平面，這樣才可將對空間直線的三維差補計算，轉(zhuǎn)換成對二維平面的差補，其程序流程如圖2所示。在通常情況下，木工雕刻機(jī)一般為2.5D，以x、z軸的兩維插補為主，即當(dāng)y軸進(jìn)給時，x、z軸停止;而當(dāng)x、z聯(lián)動時，y軸停止。

圖2 逐次比較法直線插補的程序框圖

3 雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)控系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計方法，由主程序、中斷服務(wù)程序和功能子程序組成。主程序結(jié)構(gòu)簡單，主要完成對單片機(jī)系統(tǒng)及雕刻機(jī)各驅(qū)動軸的初始化，對鍵盤掃描并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能模塊中。中斷服務(wù)程序主要包括步進(jìn)電機(jī)變頻驅(qū)動程序等。功能子程序主要包括LCD顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、U盤文件讀取模塊、文本轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)走步程序、插補運算程序、對刀程序、復(fù)位程序以及故障診斷程序等。

LCD顯示模塊主要包括:LCD初始化、調(diào)色板設(shè)置、字符間距設(shè)置、前景畫圖、背景畫圖、字符顯示、區(qū)域填色和清除、背光控制、波特率設(shè)置等程序。

U盤讀取模塊完成對U盤的讀寫，主要包括U盤檢測、創(chuàng)建文件和目錄、打開文件、讀文件、刪除文件和目錄、列舉目錄下的文件名等程序。

步進(jìn)電機(jī)走步程序采用T0中斷，在中斷中發(fā)送步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給脈沖，調(diào)用插補運算程序，并根據(jù)啟停變頻的需要來改變T0時間常數(shù)等。插補運算程序作為子程序，被T0中斷程序調(diào)用。

文本轉(zhuǎn)換程序的作用是將U盤上的nc文件，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)。浮雕軟件生成的雕刻文檔，是標(biāo)準(zhǔn)的以ASIIC碼格式保存的數(shù)控加工文件，實際上就是一行行的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，只有將其經(jīng)過命令行識別，坐標(biāo)行識別，結(jié)尾、換行和文件頭尾的識別，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放在單片機(jī)的片外RAM中，才可為單片機(jī)所用。

特殊功能模塊包括對刀程序和內(nèi)置木工機(jī)械加工程序，對刀程序用來檢測被雕刻材料的厚度。其他工機(jī)械功能有縱向鋸斷、橫向鋸斷、邊緣刨平、端面刨平、平面斜銑、端面斜銑和刨槽等。這些內(nèi)置功能大幅簡化了機(jī)器的操作，擴(kuò)展了機(jī)器的使用范圍。

4 結(jié)束語

基于嵌入式SoC單片機(jī)C8051F120的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮了單片機(jī)的高集成度和高速度特性，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化、成本降低。經(jīng)用戶測試，雕刻精度為0.01 mm，達(dá)到了設(shè)計要求。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，是一種低價、高效、簡便的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)解決方案，通過本方案的研究，為中小用戶提供了臺式低價的雕刻機(jī)，從而拓寬了現(xiàn)有雕刻機(jī)的用戶群。

［1］SILABS.C8051F120 data sheet［Z］.USA:SILABS，2006.

［2］包海濤.嵌入式SoC系統(tǒng)開發(fā)與工程實例［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2009.

［3］周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］徐濤，梁利平，汪東升.嵌入式SoC系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2006，27(11):2005 －2007.

［5］李衛(wèi)國.基于SoC技術(shù)的隨動控制計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計［J］.微電子學(xué)與計算機(jī)，2004，21(4):16 －18，24.

［6］鄧燕妮，章烈剽.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分技術(shù)研究［J］.電子科技，2007(5):26 －29.

［7］劉帥，祖靜，張紅艷.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2010，18(4):38 －40.

［8］劉青立，陳新建.編制單片機(jī)應(yīng)用程序的步驟和難點［J］.電子元器件應(yīng)用，2002(12):41－42.