【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，模塊的概念又被用到了非物理產(chǎn)品領(lǐng)域，在軟件行業(yè)模塊的概念被廣泛的實(shí)踐著，大型的軟件系統(tǒng)的模塊化趨勢越來越明顯。模塊化思想發(fā)展到今天，知識(shí)管理和傳統(tǒng)的模塊化之間的界限已經(jīng)變得有些模糊。模塊的演變過程是從單純的幾何結(jié)構(gòu)單元，發(fā)展到集成功能單元，又演變成為非物理實(shí)體的載體，如知識(shí)和軟件等。 使用模塊的目的由于模塊具有不同的組合可以配置生成多樣化的滿足用戶需求的產(chǎn)品的特點(diǎn)，同時(shí)模塊又具有標(biāo)準(zhǔn)的幾何連接接口和一致的輸入輸出接口，如果模塊的劃分和接口定義符合企業(yè)批量化生產(chǎn)中采購、物流、生產(chǎn)和服務(wù)的實(shí)際情況，這就意味著按照模塊化模式配置出來的產(chǎn)品是符合批量化生產(chǎn)的實(shí)際情況的，從而使定制化生產(chǎn)和批量化生產(chǎn)這對(duì)矛盾得到解決。另外，模塊實(shí)現(xiàn)了抽象的模塊功能與具體模塊實(shí)現(xiàn)之間的邏輯分離，整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分清晰，容易從全局上理解和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，使技術(shù)進(jìn)步造成的越來越來復(fù)雜的工程管理得到改善。 模塊化產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在集成化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，零部件的功能與產(chǎn)品功能是多對(duì)多的關(guān)系，這樣導(dǎo)致某個(gè)零部件的設(shè)計(jì)更改會(huì)影響到產(chǎn)品的多個(gè)功能，也就會(huì)導(dǎo)致不確定范圍的零部件的修改，同樣為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的某項(xiàng)功能改善，也會(huì)導(dǎo)致很多零部件的修改。在模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，零部件的功能與產(chǎn)品功能是一對(duì)一的關(guān)系，這樣對(duì)于零部件的更改和產(chǎn)品功能的改善不會(huì)造成其他零部件和功能的調(diào)整，也就是將產(chǎn)品的功能抽象與產(chǎn)品零部件的具體實(shí)現(xiàn)分離，模塊自身的單獨(dú)發(fā)展不會(huì)影響其他模塊。由于模塊的功能必須考慮在一系列產(chǎn)品中互換的問題，因此某些模塊的功能在某一個(gè)產(chǎn)品中有可能是冗余的，但是從全局的角度看這樣做是值得的。比如，計(jì)算機(jī)主板上PCI插槽一般有46個(gè)，而大部分計(jì)算機(jī)上僅僅使用2個(gè)，這種功能的部分冗余帶來的是很強(qiáng)的擴(kuò)展能力和更大范圍的互換能力。因此，選擇模塊化設(shè)計(jì)。第四章 硬件設(shè)計(jì)開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾,從而建立一個(gè)統(tǒng)一的可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺(tái),增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的柔性。通俗地講,開放的目的就是使NC 控制器與當(dāng)今的PC機(jī)類似,系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開放的平臺(tái)之上,具有模塊化組織結(jié)構(gòu),允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成,更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,而且,組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商并相互兼容。一個(gè)開放式的系統(tǒng)必須具備不同應(yīng)用程序能很好地運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的不同平臺(tái)之上的能力、不同應(yīng)用程序之間能夠相互操作的能力和一致的用戶交互風(fēng)格。本文所設(shè)計(jì)的是一主控模塊，介紹了AT89S52單片機(jī)構(gòu)造數(shù)控系統(tǒng)的硬件的可行性，在充分利用AT89S52單片機(jī)資源的基礎(chǔ)上，提出了研究目標(biāo)所規(guī)劃的NC系統(tǒng)接口電路方案，人機(jī)接口方案、存儲(chǔ)器接口配置方案，總線驅(qū)動(dòng)接口方案及中斷擴(kuò)展方案等。通過本設(shè)計(jì)可以對(duì)人機(jī)接口、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量的輸入輸出等進(jìn)行控制。經(jīng)過分析可得出本設(shè)計(jì)的硬件框圖：圖41 總體設(shè)計(jì)圖數(shù)控裝置包括硬件和軟件兩部分，硬件支持軟件的運(yùn)行，但離開軟件，硬件無法工作，兩者構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，協(xié)同實(shí)現(xiàn)NC的控制功能。數(shù)控裝置的硬件除了具有一般計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)外，還具有數(shù)控機(jī)床所特有的功能模塊和接口單元。由圖可以看出本設(shè)計(jì)主要有以下模塊：人機(jī)接口模塊、通訊接口模塊、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展模塊、ISP在線可編程系統(tǒng)模塊等，各模塊都需要選用一定的器件用來實(shí)現(xiàn)其功能，在下面的章節(jié)中都作了講解。 CPU單元介紹NC的性能與價(jià)格在很大程度上與核心CPU的性能與價(jià)格相關(guān)，高性能低價(jià)格CPU的出現(xiàn)和運(yùn)用，使得指令的執(zhí)行速度和效率大大提高，CPU字節(jié)的增加，使得較大范圍內(nèi)的數(shù)值運(yùn)算速度大大加快。為提高NC的性價(jià)比，本文選用AT89S52作為NC的核心控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52芯片介紹AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。通過上述分析，AT89S52滿足NC設(shè)計(jì)目標(biāo)。其管腳圖如下所示： 圖42 AT89S52管腳圖引腳結(jié)構(gòu)P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，（）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（）具體如如圖32所示。引腳號(hào) 第二功能 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用）P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入） TXD（串行輸出） INT0(外部中斷0) INT0(外部中斷0) T0（定時(shí)器0外部輸入） T1（定時(shí)器1外部輸入） WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作將無效。這一位置 “1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個(gè)ALE 使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。EA/VPP:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。RST： 復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。看門狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。定時(shí)器0 和定時(shí)器1在AT89S52 中，定時(shí)器0 和定時(shí)器1 的操作與AT89C51 和AT89C52 一樣。定時(shí)器2定時(shí)器2是一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它既可以做定時(shí)器，又可以做事件計(jì)數(shù)器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位選擇。定時(shí)器2有三種工作模式：捕捉方式、自動(dòng)重載（向下或向上計(jì)數(shù)）和波特率發(fā)生器。工作模式由T2CON中的相關(guān)位選擇。定時(shí)器2 有2 個(gè)8位寄存器：TH2和TL2。在定時(shí)工作方式中，每個(gè)機(jī)器周期，TL2 寄存器都會(huì)加1。由于一個(gè)機(jī)器周期由12 個(gè)晶振周期構(gòu)成，因此，計(jì)數(shù)頻率就是晶振頻率的1/12。 存儲(chǔ)器單元介紹由于本設(shè)計(jì)中所選CPU內(nèi)部資源較少，為了存儲(chǔ)較大的源程序和現(xiàn)場保護(hù)需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 由于在設(shè)計(jì)中，程序量較大，系統(tǒng)需擴(kuò)展一片外部程序存儲(chǔ)器。它需要反復(fù)擦除，即其存儲(chǔ)的內(nèi)容可以通過編程寫入新的內(nèi)容，這就為用戶調(diào)試和修改程序帶來了很大方便。而EPROM2764具有這種功能，于是，本文中選用了它。它的管腳圖如下所示：圖43 2764管腳圖2764為可改寫的只讀寫存儲(chǔ)器（EPROM），它的內(nèi)容可以通過紫外線照射而徹底擦除，擦除后可以重新寫入新的程序。引腳介紹：A12～A0：13條地址線，表示有個(gè)地址單元?！7～D0： 8條數(shù)據(jù)線，表示地址單元字長8位?！。瑼LE/CS： 片選控制輸入端，低有效?！。璒E： 讀出控制輸入端，低有效?！cc： 工作電源＋5V?！pp： 編程電源＋5V?！。璓RG： 編程脈沖輸入端?！ND： 芯片接地端。為了合理分配與使用存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間，通常需要譯碼電路。本文采用部分譯碼法，通過譯碼器74LS138來實(shí)現(xiàn)。譯碼器的G/G2A、/G2B三個(gè)控制端，只有當(dāng)G1為“1”且/G2A、/G2B均為“0”時(shí)，譯碼器才能進(jìn)行譯碼輸出。否則譯碼器的8個(gè)輸出端全為高阻狀態(tài)。 本文中將G1接+5V電源，將/G2A、/G2B同時(shí)接地。將輸出端/Y0作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)端。它的C、B、因此，ROM的最大地址范圍為0000H1FFFH。下面對(duì)74LS138作簡單介紹，74LSl38譯碼器是38線的譯碼器,管腳功能如下圖所示：圖44 74LS138管腳圖138 為3 線－8 線譯碼器，當(dāng)一個(gè)選通端（G1）為高電平，另兩個(gè)選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時(shí)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 利用 G/(G2A)和/(G2B)可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，138 還可作數(shù)據(jù)分配器 由于本文設(shè)計(jì)的是主控模塊，在其外部要連接其他多個(gè)接口模塊，因此數(shù)據(jù)量較大，僅單片機(jī)內(nèi)部小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是不夠的，需擴(kuò)展一片大