基于C8051和μC／OS-Ⅱ的數(shù)控機(jī)床硬件設(shè)計(jì)

　　在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)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(jī)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(bǔ)計(jì)算等。根據(jù)這一特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，利用IPC豐富的軟件資源，提供圖形化的人機(jī)交互環(huán)境;利用嵌入式執(zhí)行控制器的高實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的控制，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)。兩級(jí)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(zhí)行控制器的實(shí)現(xiàn)。

　　1 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，IPC作為上位機(jī)，安裝有專用軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;C8051020芯片及其外圍電路構(gòu)成的嵌入式執(zhí)行控制器作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)、可靠的控制。執(zhí)行控制器通過串行口接收上位機(jī)的命令信息(包括：插補(bǔ)命令、開關(guān)量控制命令)，再將這些信息轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)輸送給相應(yīng)的執(zhí)行部件。例如，將插補(bǔ)命令轉(zhuǎn)換成一連串的插補(bǔ)信號(hào)，輸送給電機(jī)控制部件;將開關(guān)量控制命令轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，通過I/O驅(qū)動(dòng)隔離接口板輸送給相應(yīng)的開關(guān)控制器。執(zhí)行控制器同時(shí)還有2個(gè)檢測(cè)任務(wù)：一個(gè)是刀具是否運(yùn)動(dòng)到各軸限位點(diǎn)的檢測(cè)，另一個(gè)是間隙電壓的檢測(cè)。這兩個(gè)信息將為運(yùn)動(dòng)時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制提供依據(jù)。執(zhí)行控制器還負(fù)責(zé)將運(yùn)行中的狀態(tài)信息組裝成幀，實(shí)時(shí)地傳送給上位機(jī)。

　　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(nèi)核成功地移植到C805lF020上。μC/OS-Ⅱ的移植主要是對(duì)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(nèi)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、宏和類型定義。其中，需要修改的部分如下：

　　2.2 OS_CPU_A.ASM文件的修改

　　該文件包含4個(gè)匯編語言函數(shù)。

　　(1)OSStartHighRdy()函數(shù)在多任務(wù)系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)OSStart()中調(diào)用。作用是設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位OSRunning=TRUE;將就緒表中最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的棧指針Load到SP中，并強(qiáng)制中斷返回。

　　(2)OSCtxSw()函數(shù)是在任務(wù)級(jí)切換函數(shù)中調(diào)用的。作用是保存當(dāng)前任務(wù)的環(huán)境變量，將當(dāng)前SP存入任務(wù)TCB中，載入就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的SP，恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的環(huán)境變量，中斷返回。這樣就完成了任務(wù)級(jí)的切換。

　　(3)OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用。作用是實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換。

　　(4)OSTicklSR()系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)，其周期的大小決定了內(nèi)核所能給應(yīng)用系統(tǒng)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(shè)置定時(shí)時(shí)間為20 ms。修改代碼如下：

　　其中：TOVAL是16位定時(shí)器T0的時(shí)間常數(shù)，該系統(tǒng)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(shù)，如下：

　　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、堆棧的長度，方便匯編語言實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。其他9個(gè)函數(shù)是暫無具體功能，其功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展時(shí)添加。

　　3 基于μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 執(zhí)行控制器的軟件結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，系統(tǒng)總體分為3個(gè)功能塊，即：與IPC的通信、命令解釋和命令執(zhí)行。其中，通信有發(fā)送和接收兩方面內(nèi)容;命令解釋時(shí)，直接執(zhí)行開關(guān)量控制命令;命令執(zhí)行中，需要進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算、檢測(cè)間隙電壓和限位開關(guān)狀態(tài)及加工監(jiān)測(cè)。

　　3.2 任務(wù)劃分及其優(yōu)先級(jí)的確足

　　(1)發(fā)送任務(wù)

　　嵌入式執(zhí)行控制器發(fā)送給IPC的信息有2種：聯(lián)絡(luò)信號(hào)和運(yùn)行中的狀態(tài)信息。嵌入式執(zhí)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(hào)，用于確定IPC是否正常工作。若IPC運(yùn)行正常，則IPC收到聯(lián)絡(luò)信號(hào)后，會(huì)回送給嵌入式執(zhí)行控制器一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，若發(fā)送的多次聯(lián)絡(luò)信號(hào)都未收到應(yīng)答，則認(rèn)為IPC出錯(cuò)。嵌入式執(zhí)行器處于加工狀態(tài)時(shí)，將運(yùn)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(zhuǎn)換

　　成圖形、文字等信息顯示出來，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(zhí)行控制器接收IPC機(jī)發(fā)送的聯(lián)絡(luò)、應(yīng)答和命令3種信息，若接收到聯(lián)絡(luò)信號(hào)或應(yīng)答信號(hào)，則接收任務(wù)直接處理(發(fā)送應(yīng)答信號(hào)或刷新聯(lián)絡(luò)狀態(tài)位);若既不是聯(lián)絡(luò)信號(hào)也不是應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為是命令信息，接收任務(wù)將命令完整接收后，關(guān)閉寫接收緩沖區(qū)，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(duì)接收緩沖區(qū)的命令信息進(jìn)行校驗(yàn)和解釋，處理完成后，清空并開放接收緩沖區(qū)，允許新命令的接收。這樣做的目的是不在接收緩沖區(qū)中積壓多條命令，在當(dāng)前命令解釋完成之前，不接收新命令，以提高嵌入式執(zhí)行控制器對(duì)命令的響應(yīng)速度。根據(jù)命令執(zhí)行時(shí)間的長短，將命令分為開關(guān)量控制命令和插補(bǔ)命令2種。開關(guān)量控制命令的執(zhí)行時(shí)間短，因此在命令解釋后直接執(zhí)行，以減少任務(wù)切換的時(shí)間消耗。插補(bǔ)命令是加工命令，運(yùn)行時(shí)間長，采用專門的加工監(jiān)控任務(wù)來執(zhí)行，命令解釋任務(wù)只負(fù)責(zé)在命令解釋完成后激活加工監(jiān)控任務(wù)。命令解釋任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求高。

　　(4)加工監(jiān)控任務(wù)

　　加工監(jiān)控任務(wù)根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)(手動(dòng)方式或自動(dòng)方式)激活插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)，并進(jìn)行加工狀態(tài)的監(jiān)控。手動(dòng)工作方式下，操作員在PC機(jī)上手動(dòng)控制刀具向-x，+x，-y，+y，-z，+z六個(gè)方向運(yùn)動(dòng)、刀具返回基準(zhǔn)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、圓弧的運(yùn)動(dòng)命令，控制器自動(dòng)完成該線形的運(yùn)動(dòng)。加工監(jiān)控任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求較高。

　　(5)插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)

　　插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)是計(jì)算輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)的中間點(diǎn)坐標(biāo)值。本系統(tǒng)采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)任務(wù)每執(zhí)行1次產(chǎn)生1個(gè)行程增量，每個(gè)行程增量以1個(gè)脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。插補(bǔ)任務(wù)的運(yùn)行周期可能低于操作系統(tǒng)時(shí)鐘，達(dá)到每秒數(shù)千次，因此使用定時(shí)器1作為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)間控制器。插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)在該軟件中的實(shí)時(shí)性要求最高。

　　(6)間隙電壓檢測(cè)和限位開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)任務(wù)

　　該系統(tǒng)用于電火花線切割數(shù)控機(jī)床，間隙電壓是電火花加工時(shí)工具(電極絲)與工件之間的放電電壓，該數(shù)據(jù)是對(duì)放電加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的重要參數(shù)，需要實(shí)時(shí)采集。限位開關(guān)是指刀具運(yùn)動(dòng)到加工臺(tái)邊界位置時(shí)，觸發(fā)的一個(gè)狀態(tài)開關(guān)。當(dāng)?shù)竭_(dá)這個(gè)感應(yīng)開關(guān)時(shí)刀具應(yīng)該停止工作，起到一個(gè)保護(hù)作用，也就是限定了運(yùn)動(dòng)的位移，該信息也需要實(shí)時(shí)采集。這兩個(gè)任務(wù)具有實(shí)時(shí)性高，執(zhí)行頻繁，執(zhí)行時(shí)間短的特點(diǎn)，因此把它們?cè)O(shè)為一個(gè)檢測(cè)任務(wù)。與插補(bǔ)任務(wù)相同，由于檢測(cè)任務(wù)的運(yùn)行周期低于操作系統(tǒng)時(shí)鐘，因此使用定時(shí)器3作為檢測(cè)任務(wù)的時(shí)間觸發(fā)器。

　　上面將實(shí)現(xiàn)的功能劃分為6個(gè)任務(wù)，介紹這些任務(wù)的功能，并對(duì)其實(shí)時(shí)性要求做了分析。上述任務(wù)劃分如表1所示。

　　3.3 任務(wù)間通信

　　在完成任務(wù)劃分后，還需要考慮任務(wù)的通信和同步。發(fā)送任務(wù)與檢測(cè)任務(wù)是獨(dú)立的，接收任務(wù)、命令解釋任務(wù)和加工監(jiān)控任務(wù)存在聯(lián)系，如圖3所示，這里需要使用信號(hào)量和郵箱解決任務(wù)間的通信同步。

　　(1)命令信號(hào)量SemCmd。當(dāng)接收任務(wù)接收到一條命令信息時(shí)，發(fā)出該信號(hào)量，由命令解釋任務(wù)接收，取出并解釋命令后，清除該信號(hào)量，允許接收新命令。

　　(2)加工啟動(dòng)消息郵箱Mbox。當(dāng)命令解釋任務(wù)發(fā)現(xiàn)命令信息為插補(bǔ)命令時(shí)，將信息翻譯成約定格式存入郵箱，發(fā)送出去，加工監(jiān)控任務(wù)接收。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試，IPC通過串口向執(zhí)行控制器發(fā)送直線插補(bǔ)命令G01X1000Y2000\LF，如圖4所示，觀察返回信息中的x，y軸坐標(biāo)，各點(diǎn)基本分布于點(diǎn)(O，O)與點(diǎn)(1000，2 000)的直線周圍，誤差小于1個(gè)運(yùn)動(dòng)當(dāng)量，這說明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

　　5 結(jié)語

　　C8051F020處理器具有豐富的硬件資源和強(qiáng)大的處理性能，μC/OS-Ⅱ具有實(shí)時(shí)性高，通用性好，移植、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)?；谠撥浻布脚_(tái)，可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高產(chǎn)品的開發(fā)速度。經(jīng)驗(yàn)證，該硬軟件系統(tǒng)能滿足該數(shù)控系統(tǒng)的要求，具有可行性。