【正文】 44 第 頁 第一章 概 述數(shù)字控制（numerical control，NC）是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，國家標準（GB812987）定義為“用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法”，簡稱數(shù)控（NC）。 NC的優(yōu)勢基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，并使數(shù)控功能擴展到很寬的領(lǐng)域，采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。技術(shù)進步快，升級換代容易。 NC的發(fā)展高效率、高速度是機械加工的主流發(fā)展方向之一。 高精加工從精密加工到超精密加工再到特高精度加工,是世界各國致力發(fā)展的方向。 復雜曲面加工進入90 年代以來,復雜型面在生產(chǎn)中幾乎全部以高速切削的方式進行加工。 開放式為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封閉、功能固定、人機界面不靈活和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等問題,目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁數(shù)控功能,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)。1）SCM即單片微型計算機（Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。3）單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。 單片機技術(shù)的發(fā)展特點 自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術(shù)已走過了近20年的發(fā)展路程。1）單片機長壽命 這里所說的長壽命，一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長壽命。而單片機則有所不同，為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā)展之追求。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。、。從而實現(xiàn)了低噪聲和高可靠性技術(shù)有點。開放式數(shù)控系統(tǒng)從20世紀90年代初就引起人們的注意。對于現(xiàn)代數(shù)控機床的控制來說，需要一種完全以微機為基礎的、和諧的、標準化的軟件環(huán)境，從而能夠根據(jù)用戶需要實現(xiàn)復雜的控制功能，在縮短加工時間的同時，提高加工質(zhì)量和柔性，開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是面向軟件配置的，可以由用戶自行定義接口和軟件平臺，不斷將功能集成到控制系統(tǒng)中，構(gòu)成網(wǎng)絡化的制造環(huán)境。這一點對于機床制造商和用戶都是非常有利的。通過外部接口，就可根據(jù)自己的特殊需要和經(jīng)驗，增加新的控制功能。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁數(shù)控功能,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 開放的標準和內(nèi)涵數(shù)控系統(tǒng)的開放程度可從以下今個方面來加以評價。2）可擴展性 同應用模塊可在同一平臺上運行,相互不發(fā)生沖突。4）規(guī)?？勺?應用模塊的功能和性能以及硬件的規(guī)模可按照需要調(diào)整實踐證明,控制系統(tǒng)的開放程度還涉及人機界面、控制核心和整個系統(tǒng)。（數(shù)控和可編程控制等）有限度開放。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點1) 軟件化數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核擴展了數(shù)控系統(tǒng)的柔性和開放性，降低了系統(tǒng)成本隨著計算機性能的提高和實時操作系統(tǒng)的應用，軟件化NC內(nèi)核將被廣泛接受。2) 數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動和數(shù)字I/O(PLC的I/O)連接的發(fā)展方向是現(xiàn)場總線傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動和PLC I/O與控制器是直接連接的，一個伺服電動機至少有11根線，當軸線和I/O點多時，布線相當多，出于可靠性考慮，線長有限，擴展不易，可靠性低，維護困難，而現(xiàn)場總線用一根通訊線或光纖將所有的驅(qū)動和I/O級連起來，傳送各種信號，以實現(xiàn)對伺服驅(qū)動的智能化控制。3) 網(wǎng)絡化是基于網(wǎng)絡技術(shù)的EManufacturing對數(shù)控系統(tǒng)的必然要求。CNC機床作為制造自動化的底層基礎設備，應該能夠雙向高速地傳送信息，實現(xiàn)加工信息的共享、遠程監(jiān)控、遠程診斷和網(wǎng)絡制造，基于標準PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)可利用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡功能，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的融合，實現(xiàn)網(wǎng)絡化生產(chǎn)信息和管理信息的集成以及加工過程監(jiān)控，遠程制造、系統(tǒng)的遠程診斷和升級。它適合作為系統(tǒng)描述語言，既可以用來編寫系統(tǒng)軟件，也可以用來編寫應用軟件。由于匯編語言依賴于計算機硬件，程序的可讀性和可移植性都比較差，所以為了提高系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性，最好改用高級語言。人們希望找到一種兼具一般高級語言和低級語言優(yōu)點的語言，于是，C語言就在這種情況下應運而生了。C語言的主要特點如下：語言簡潔、緊湊，使用方便、靈活；運算符豐富；數(shù)據(jù)類型豐富；具有結(jié)構(gòu)化的控制語句；語法限制不太嚴格，程序設計自由度大；C語言允許直接訪問物理地址，能進行位操作，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進行操作?；静蛔鲂薷木湍苡糜诟鞣N型號的計算機和各種操作系統(tǒng)。這種語言能夠執(zhí)行某個特殊任務的指令和數(shù)據(jù)從程序的其余部分分離出去、隱藏起來。通過使用局部變量，我們能夠?qū)懗鰧Τ绦蚱渌糠譀]有副作用的子程序。如果開發(fā)了一些分離很好的函數(shù)，在引用時我們僅需要知道函數(shù)做什么，不必知道他如何做。結(jié)構(gòu)化語言比非結(jié)構(gòu)化語言更易于程序設計，用結(jié)構(gòu)化語言編寫的程序的清晰性使得他們更易于維護。C語言的主要結(jié)構(gòu)成分是函數(shù)C的獨立子程序【4】。函數(shù)允許一個程序的諸任務被分別定義和編碼，使程序模塊化。但是，并非所有的計算機語言都是程序員使用的，C語言就能。匯編語言使用的匯編指令，是能夠在計算機直接執(zhí)行的二進制器碼的符號表示。雖然匯編語言給予程序員達到最大靈活性和最高效率的潛力，但開發(fā)和調(diào)試匯編語言程序的困難是難以忍受的。 匯編語言簡介助記符指令和機器指令一一對應，所以用匯編語言編寫的程序效率高，占用存儲空間小，運行速度快，因此匯編語言能編寫出最優(yōu)化的程序；使用匯編語言編程比使用高級語言困難。故而，選C語言。模塊化的產(chǎn)品設計可以達到以下幾個目的：滿足客戶的定制需求；相似性的重用；減少產(chǎn)品工程復雜程度。然后，模塊被引入機械制造業(yè)，人們進一步將模塊與物理產(chǎn)品的功能聯(lián)系到了一起，模塊具有了明確的功能定義特征、幾何連接接口，以及功能輸入、輸出接口特征。模塊化思想發(fā)展到今天，知識管理和傳統(tǒng)的模塊化之間的界限已經(jīng)變得有些模糊。 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，同時模塊又具有標準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)和服務的實際情況，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)的實際情況的，從而使定制化生產(chǎn)和批量化生產(chǎn)這對矛盾得到解決。 模塊化產(chǎn)品的優(yōu)點在集成化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，零部件的功能與產(chǎn)品功能是多對多的關(guān)系，這樣導致某個零部件的設計更改會影響到產(chǎn)品的多個功能，也就會導致不確定范圍的零部件的修改，同樣為了實現(xiàn)產(chǎn)品的某項功能改善，也會導致很多零部件的修改。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。因此，選擇模塊化設計。通俗地講,開放的目的就是使NC 控制器與當今的PC機類似,系統(tǒng)構(gòu)筑于一個開放的平臺之上,具有模塊化組織結(jié)構(gòu),允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成,更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應不同的應用需求,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商并相互兼容。本文所設計的是一主控模塊，介紹了AT89S52單片機構(gòu)造數(shù)控系統(tǒng)的硬件的可行性，在充分利用AT89S52單片機資源的基礎上，提出了研究目標所規(guī)劃的NC系統(tǒng)接口電路方案，人機接口方案、存儲器接口配置方案，總線驅(qū)動接口方案及中斷擴展方案等。經(jīng)過分析可得出本設計的硬件框圖：圖41 總體設計圖數(shù)控裝置包括硬件和軟件兩部分，硬件支持軟件的運行，但離開軟件，硬件無法工作，兩者構(gòu)成一個有機整體，協(xié)同實現(xiàn)NC的控制功能。由圖可以看出本設計主要有以下模塊：人機接口模塊、通訊接口模塊、存儲器的擴展模塊、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現(xiàn)其功能，在下面的章節(jié)中都作了講解。為提高NC的性價比，本文選用AT89S52作為NC的核心控制器。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52芯片介紹AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。通過上述分析，AT89S52滿足NC設計目標。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。P1口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。引腳號 第二功能 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） 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4 個TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在這種應用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。引腳號 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（定時器0外部輸入） T1（定時器1外部輸入） WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。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器或時鐘使用。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。否則，ALE 將被微弱拉高。EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應該接VCC。RST： 復位輸入?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出96 個晶振周期的高電平。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。定時器2定時器2是一個16位定時/計數(shù)器，它既可以做定時器，又可以做事件計數(shù)器。定時器2有三種工作模式：捕捉方式、自動重載（向下或向上計數(shù)）和波特率發(fā)生器。定時器2 有2 個8位寄存器：TH2和TL2。由于一個機器周期由12 個晶振周期構(gòu)成，因此，計數(shù)頻率就是晶振頻率