嵌入式SoC單片機在雕刻機數控系統中的應用

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，雕刻機完成了從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)域得到了廣泛應用。與此同時(shí)，隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的加劇，國產(chǎn)普通雕刻機的價(jià)格也降低至萬(wàn)元以下，使得雕刻機生產(chǎn)廠(chǎng)不得不在降低生產(chǎn)成本、尤其是降低控制系統成本方面尋找出路。以木工雕刻機為例，在目前國內市場(chǎng)上，木工雕刻機數控系統通常采用兩種方案：一種是基于PC機的方案;另一種是基于DSP運動(dòng)控制器的方案。

基于PC機方案的雕刻機是由計算機、控制卡、電機驅動(dòng)器和機械主體等4部分組成，由PC機負責人機交互界面的管理和控制系統的實(shí)時(shí)監控，計算機安裝有諸如MACH3等的專(zhuān)用雕刻軟件，利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行圖樣設計，并經(jīng)由計算機PCI總線(xiàn)接口，將設計與排版的信息傳送至雕刻機控制卡中，再由控制卡將這些信息轉換為能驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的脈沖信號，控制x、y、z 3個(gè)坐標軸的走刀定位。此方案采用通用雕銑軟件，利用PC機現有資源，雕刻機主要由電腦控制，是一種高效的CNC雕刻機系統方案。

基于DSP方案的雕刻機數控系統，其主要特點(diǎn)是采用DSP和單片機構成控制器，DSP完成對各坐標的運動(dòng)控制，單片機管理人機界面，被稱(chēng)為手柄控制的雕刻機。圖樣設計生成的標準nc文件事先準備好，并保存在U盤(pán)上，通過(guò)USB等串行接口輸入給數控系統，這是一種低價(jià)高效的雕刻機數控系統方案。常用的專(zhuān)用DSP芯片有4軸運動(dòng)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操作更便捷，一般木工雕刻機和石材雕刻機均采用該控制系統。

不同的應用領(lǐng)域，所要求的雕刻機的性能亦不相同，本文提出的雕刻機數控系統方案，直接利用SoC單片機來(lái)構成控制器，是一種采用單片機軟件來(lái)完成插補運算的解決方案。

1 雕刻機控制系統的硬件原理框圖

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

C8051F系列單片機集成度高，且具有交叉開(kāi)關(guān)功能，其大部分對外引出腳，除Uart接口的兩個(gè)信號Tx和Rx外，均可在設計電路板時(shí)，根據布板隨意連接，圖1所示為基于C8051F120單片機的雕刻機數控系統硬件框圖。

如圖1所示，高速單片機C8051F120是整個(gè)數控系統的中心，人機界面由4x4矩陣式按鍵電路和彩色LCD顯示模塊組成。用戶(hù)通過(guò)按鍵電路設置的加工參數，保存在單片機內部的非易失性Flash區。LCD顯示器選用點(diǎn)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，操作指令簡(jiǎn)單，且節省了單片機的接口線(xiàn)。

用戶(hù)通過(guò)浮雕軟件設計的雕刻圖案，最終會(huì )在PC機上生成一個(gè)后綴為，nc的文本文件并存入U盤(pán)中，U盤(pán)接口模塊的作用，便是通過(guò)SPI接口連接到單片機，由單片機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，其連接到單片機的擴展并行接口，成為單片機的片外RAM，既是對讀入的加工文件的有效緩存，也能在系統發(fā)生停電等故障時(shí)，保存和記憶當前的加工進(jìn)程，以便系統恢復供電或排障后，能繼續按照前面的斷點(diǎn)完成加工。由于單片機的片外RAM地址只有16位，尋址空間最大為64 kB，需要用單片機的輸出引腳來(lái)對其進(jìn)行頁(yè)切換，將SRAM的128 kB存儲空間分成兩頁(yè)。

x、y、z軸的3個(gè)傳感器，均采用由槽形光耦組成的限位電路，其特點(diǎn)是限位精度高，易于與單片機接口。對刀傳感器采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)，其作用是檢測被雕刻材料的厚度。步進(jìn)電機驅動(dòng)器采用兩相電流細分式驅動(dòng)器，細分系數和輸出電流，均可根據滾珠絲杠的負載大小情況來(lái)設定，驅動(dòng)器和單片機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(xiàn)的逐點(diǎn)比較插補算法

逐點(diǎn)比較法是國內數控機床中廣泛采用的一種插補方法，其能實(shí)現直線(xiàn)、圓弧和非圓二次曲線(xiàn)的插補，插補精度較高。逐點(diǎn)比較法即每走一步，均要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標同規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(diǎn)走到圖形外，則下一步就要向圖形內走。若加工點(diǎn)在圖形內，則下一步要向圖形外走。這樣就能得出一個(gè)接近規定圖形的軌跡，其最大偏差不超過(guò)一個(gè)脈沖當量。在逐點(diǎn)比較法中，每進(jìn)給一步，均需要進(jìn)行偏差判別、坐標進(jìn)給、新偏差計算和終點(diǎn)比較4個(gè)步驟。對于一條二維平面直線(xiàn)，無(wú)論處于哪個(gè)象限，對其進(jìn)行逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補時(shí)，由以下3式計算

N=|xe-x0|+|ye-y0| (1)

Fx=F-|y|，當x≥0，走x后 (2)

Fy=F+|x|，當y0，走y后 (3)

其中，N代表總步數;F表示判斷式;x，y表示坐標。

通常情況下，在雕刻圖形的設計和生成階段，首先要預置雕刻的精度參數，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(gè)坐標中，x軸的運動(dòng)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(xiàn)插補時(shí)，是假定了該空間的x軸進(jìn)給的步數最大。即要在以長(cháng)軸為基礎建立的兩個(gè)平面坐標系內進(jìn)行差補運算，才能插補出正確的空間直線(xiàn)軌跡。因此，每讀出一行雕刻加工的坐標數據，均要先行判斷，找出步數最長(cháng)的軸，再以其為關(guān)聯(lián)軸來(lái)構建兩個(gè)插補平面，這樣才可將對空間直線(xiàn)的三維差補計算，轉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，木工雕刻機一般為2.5D，以x、z軸的兩維插補為主，即當y軸進(jìn)給時(shí)，x、z軸停止;而當x、z聯(lián)動(dòng)時(shí)，y軸停止。

3 雕刻機數控系統軟件設計

數控系統軟件采用結構化、模塊化的程序設計方法，由主程序、中斷服務(wù)程序和功能子程序組成。主程序結構簡(jiǎn)單，主要完成對單片機系統及雕刻機各驅動(dòng)軸的初始化，對鍵盤(pán)掃描并跳轉到相應的功能模塊中。中斷服務(wù)程序主要包括步進(jìn)電機變頻驅動(dòng)程序等。功能子程序主要包括LCD顯示模塊、參數設置模塊、U盤(pán)文件讀取模塊、文本轉換模塊、步進(jìn)電機走步程序、插補運算程序、對刀程序、復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、調色板設置、字符間距設置、前景畫(huà)圖、背景畫(huà)圖、字符顯示、區域填色和清除、背光控制、波特率設置等程序。

U盤(pán)讀取模塊完成對U盤(pán)的讀寫(xiě)，主要包括U盤(pán)檢測、創(chuàng )建文件和目錄、打開(kāi)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)電機走步程序采用T0中斷，在中斷中發(fā)送步進(jìn)電機進(jìn)給脈沖，調用插補運算程序，并根據啟停變頻的需要來(lái)改變T0時(shí)間常數等。插補運算程序作為子程序，被T0中斷程序調用。

文本轉換程序的作用是將U盤(pán)上的nc文件，轉換成二進(jìn)制數據。浮雕軟件生成的雕刻文檔，是標準的以ASIIC碼格式保存的數控加工文件，實(shí)際上就是一行行的坐標數據，只有將其經(jīng)過(guò)命令行識別，坐標行識別，結尾、換行和文件頭尾的識別，轉換成二進(jìn)制數據，并按照一定的數據結構，存放在單片機的片外RAM中，才可為單片機所用。

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

4 結束語(yǔ)

基于嵌入式SoC單片機C8051F120的雕刻機數控系統，充分發(fā)揮了單片機的高集成度和高速度特性，使得控制系統的結構簡(jiǎn)化、成本降低。經(jīng)用戶(hù)測試，雕刻精度為0.01 mm，達到了設計要求。該系統穩定可靠，是一種低價(jià)、高效、簡(jiǎn)便的雕刻機數控系統解決方案，通過(guò)本方案的研究，為中小用戶(hù)提供了臺式低價(jià)的雕刻機，從而拓寬了現有雕刻機的用戶(hù)群。