基于C8051和μC/OS-Ⅱ的數控機床嵌控制器設計

在數控機床系統中，功能模塊可分為兩大部分：一部分是實(shí)時(shí)性要求不高的功能，例如人機界面交互管理等;另一部分是實(shí)時(shí)性要求高的功能，主要有伺服控制、插補計算等。根據這一特點(diǎn)，該系統采用兩級控制結構，利用 IPC豐富的軟件資源，提供圖形化的人機交互環(huán)境;利用嵌入式執行控制器的高實(shí)時(shí)性和穩定性，實(shí)現快速、可靠的控制，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)。兩級之間用串行口進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。本文主要介紹嵌入式執行控制器的實(shí)現。

1 數控機床系統硬件結構

數控機床系統硬件結構如圖1所示，IPC作為上位機，安裝有專(zhuān)用軟件，實(shí)現人機交互;C8051020 芯片及其外圍電路構成的嵌入式執行控制器作為下位機，負責實(shí)時(shí)、可靠的控制。執行控制器通過(guò)串行口接收上位機的命令信息(包括：插補命令、開(kāi)關(guān)量控制命令)，再將這些信息轉換成控制信號輸送給相應的執行部件。例如，將插補命令轉換成一連串的插補信號，輸送給電機控制部件;將開(kāi)關(guān)量控制命令轉換成輸出信號，通過(guò)I/O驅動(dòng)隔離接口板輸送給相應的開(kāi)關(guān)控制器。執行控制器同時(shí)還有2個(gè)檢測任務(wù)：一個(gè)是刀具是否運動(dòng)到各軸限位點(diǎn)的檢測，另一個(gè)是間隙電壓的檢測。這兩個(gè)信息將為運動(dòng)時(shí)的自動(dòng)調節控制提供依據。執行控制器還負責將運行中的狀態(tài)信息組裝成幀，實(shí)時(shí)地傳送給上位機。

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2 μC/OS-Ⅱ在C8051F020上的移植

要使用μC/OS-Ⅱ，首先就必須把這個(gè)內核成功地移植到C805lF020上。μC/OS-Ⅱ的移植主要是對OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_ C.C三個(gè)文件進(jìn)行修改，下面就具體的修改內容做介紹。

2.1 OS_CPU.H文件的修改

OS_CPU.H包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類(lèi)型定義。其中，需要修改的部分如下：

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2.2 OS_CPU_A.ASM文件的修改

該文件包含4個(gè)匯編語(yǔ)言函數。

(1)OSStartHighRdy()函數在多任務(wù)系統啟動(dòng)函數OSStart()中調用。作用是設置系統運行標志位OSRunning=TRUE;將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針Load到SP中，并強制中斷返回。

(2)OSCtxSw()函數是在任務(wù)級切換函數中調用的。作用是保存當前任務(wù)的環(huán)境變量，將當前SP存入任務(wù)TCB中，載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP，恢復就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了任務(wù)級的切換。

(3)OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數OSIntExit()中調用。作用是實(shí)現中斷級任務(wù)切換。

(4)OSTIcklSR()系統時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)函數，其周期的大小決定了內核所能給應用系統提供的最小時(shí)間間隔服務(wù)。該中斷由C8051F020的TO定時(shí)器完成，設置定時(shí)時(shí)間為20 ms。修改代碼如下：

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其中：TOVAL是16位定時(shí)器T0的時(shí)間常數，該系統采用25 MHz的外接晶振，模式1(16位)定時(shí)。

2.3 OS_CPU_C.C文件的修改

該文件中定義10個(gè)C函數，如下：

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其中，最重要的是OSTaskStklnit()，它的作用是初始化堆棧，返回堆棧的最低地址、堆棧的長(cháng)度，方便匯編語(yǔ)言實(shí)現任務(wù)的切換。其他9個(gè)函數是暫無(wú)具體功能，其功能可以根據需要在系統內核擴展時(shí)添加。

3 基于μC/OS-Ⅱ的數控機床系統設計

3.1 執行控制器的軟件結構

如圖2所示，系統總體分為3個(gè)功能塊，即：與IPC的通信、命令解釋和命令執行。其中，通信有發(fā)送和接收兩方面內容;命令解釋時(shí)，直接執行開(kāi)關(guān)量控制命令;命令執行中，需要進(jìn)行插補計算、檢測間隙電壓和限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)及加工監測。

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3.2 任務(wù)劃分及其優(yōu)先級的確足

(1)發(fā)送任務(wù)

嵌入式執行控制器發(fā)送給IPC的信息有2種：聯(lián)絡(luò )信號和運行中的狀態(tài)信息。嵌入式執行控制器處于待命狀態(tài)時(shí)，定期向IPC發(fā)送聯(lián)絡(luò )信號，用于確定IPC是否正常工作。若IPC運行正常，則IPC收到聯(lián)絡(luò )信號后，會(huì )回送給嵌入式執行控制器一個(gè)應答信號，若發(fā)送的多次聯(lián)絡(luò )信號都未收到應答，則認為IPC出錯。嵌入式執行器處于加工狀態(tài)時(shí)，將運行中的狀態(tài)信息以固定格式定期向IPC發(fā)送。IPC收到信息后，將其轉換成圖形、文字等信息顯示出來(lái)，提供給操作員，便于實(shí)時(shí)掌握加工狀態(tài)，發(fā)送任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求低。

(2)接收任務(wù)

嵌入式執行控制器接收IPC機發(fā)送的聯(lián)絡(luò )、應答和命令3種信息，若接收到聯(lián)絡(luò )信號或應答信號，則接收任務(wù)直接處理(發(fā)送應答信號或刷新聯(lián)絡(luò )狀態(tài)位);若既不是聯(lián)絡(luò )信號也不是應答信號，則認為是命令信息，接收任務(wù)將命令完整接收后，關(guān)閉寫(xiě)接收緩沖區，激活命令解釋任務(wù)。接收任務(wù)是由通信口接收中斷觸發(fā)的，其實(shí)時(shí)性要求高。

(3)命令解釋任務(wù)

命令解釋任務(wù)首先對接收緩沖區的命令信息進(jìn)行校驗和解釋?zhuān)幚硗瓿珊?，清空并開(kāi)放接收緩沖區，允許新命令的接收。這樣做的目的是不在接收緩沖區中積壓多條命令，在當前命令解釋完成之前，不接收新命令，以提高嵌入式執行控制器對命令的響應速度。根據命令執行時(shí)間的長(cháng)短，將命令分為開(kāi)關(guān)量控制命令和插補命令2 種。開(kāi)關(guān)量控制命令的執行時(shí)間短，因此在命令解釋后直接執行，以減少任務(wù)切換的時(shí)間消耗。插補命令是加工命令，運行時(shí)間長(cháng)，采用專(zhuān)門(mén)的加工監控任務(wù)來(lái)執行，命令解釋任務(wù)只負責在命令解釋完成后激活加工監控任務(wù)。命令解釋任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求高。

(4)加工監控任務(wù)

加工監控任務(wù)根據當前的工作狀態(tài)(手動(dòng)方式或自動(dòng)方式)激活插補計算任務(wù)，并進(jìn)行加工狀態(tài)的監控。手動(dòng)工作方式下，操作員在PC機上手動(dòng)控制刀具向 -x，+x，-y，+y，-z，+z六個(gè)方向運動(dòng)、刀具返回基準點(diǎn)、端面找正和孔中心定位等操作。自動(dòng)工作方式下，操作員向控制器傳送直線(xiàn)、圓弧的運動(dòng)命令，控制器自動(dòng)完成該線(xiàn)形的運動(dòng)。加工監控任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求較高。