基于C8051和μC／OS-Ⅱ的數(shù)控機床硬件設計

　　在數(shù)控機床系統(tǒng)中，功能模塊可分為兩大部分：一部分是實時性要求不高的功能，例如人機界面交互管理等;另一部分是實時性要求高的功能，主要有伺服控制、插補計算等。根據(jù)這一特點，該系統(tǒng)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(zhí)行控制器的高實時性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)快速、可靠的控制，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點。兩級之間用串行口進行實時通信。本文主要介紹嵌入式執(zhí)行控制器的實現(xiàn)。

　　1 數(shù)控機床系統(tǒng)硬件結構

　　數(shù)控機床系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，IPC作為上位機，安裝有專用軟件，實現(xiàn)人機交互;C8051020芯片及其外圍電路構成的嵌入式執(zhí)行控制器作為下位機，負責實時、可靠的控制。執(zhí)行控制器通過串行口接收上位機的命令信息(包括：插補命令、開關量控制命令)，再將這些信息轉換成控制信號輸送給相應的執(zhí)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;將開關量控制命令轉換成輸出信號，通過I/O驅動隔離接口板輸送給相應的開關控制器。執(zhí)行控制器同時還有2個檢測任務：一個是刀具是否運動到各軸限位點的檢測，另一個是間隙電壓的檢測。這兩個信息將為運動時的自動調節(jié)控制提供依據(jù)。執(zhí)行控制器還負責將運行中的狀態(tài)信息組裝成幀，實時地傳送給上位機。

　　2 μC/OS-Ⅱ在C8051F020上的移植

　　要使用μC/OS-Ⅱ，首先就必須把這個內核成功地移植到C805lF020上。μC/OS-Ⅱ的移植主要是對OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_ C.C三個文件進行修改，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個匯編語言函數(shù)。

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

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

　　(3)OSIntCtxSw()在退出中斷服務函數(shù)OSIntExit()中調用。作用是實現(xiàn)中斷級任務切換。

　　(4)OSTicklSR()系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務函數(shù)，其周期的大小決定了內核所能給應用系統(tǒng)提供的最小時間間隔服務。該中斷由C8051F020的TO定時器完成，設置定時時間為20 ms。修改代碼如下：

　　其中：TOVAL是16位定時器T0的時間常數(shù)，該系統(tǒng)采用25 MHz的外接晶振，模式1(16位)定時。

　　2.3 OS_CPU_C.C文件的修改

　　該文件中定義10個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，方便匯編語言實現(xiàn)任務的切換。其他9個函數(shù)是暫無具體功能，其功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)內核擴展時添加。

　　3 基于μC/OS-Ⅱ的數(shù)控機床系統(tǒng)設計

　　3.1 執(zhí)行控制器的軟件結構

　　如圖2所示，系統(tǒng)總體分為3個功能塊，即：與IPC的通信、命令解釋和命令執(zhí)行。其中，通信有發(fā)送和接收兩方面內容;命令解釋時，直接執(zhí)行開關量控制命令;命令執(zhí)行中，需要進行插補計算、檢測間隙電壓和限位開關狀態(tài)及加工監(jiān)測。

　　3.2 任務劃分及其優(yōu)先級的確足

　　(1)發(fā)送任務

　　嵌入式執(zhí)行控制器發(fā)送給IPC的信息有2種：聯(lián)絡信號和運行中的狀態(tài)信息。嵌入式執(zhí)行控制器處于待命狀態(tài)時，定期向IPC發(fā)送聯(lián)絡信號，用于確定IPC是否正常工作。若IPC運行正常，則IPC收到聯(lián)絡信號后，會回送給嵌入式執(zhí)行控制器一個應答信號，若發(fā)送的多次聯(lián)絡信號都未收到應答，則認為IPC出錯。嵌入式執(zhí)行器處于加工狀態(tài)時，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，提供給操作員，便于實時掌握加工狀態(tài)，發(fā)送任務的實時性要求低。

　　(2)接收任務

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

　　(3)命令解釋任務

　　命令解釋任務首先對接收緩沖區(qū)的命令信息進行校驗和解釋，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)行控制器對命令的響應速度。根據(jù)命令執(zhí)行時間的長短，將命令分為開關量控制命令和插補命令2種。開關量控制命令的執(zhí)行時間短，因此在命令解釋后直接執(zhí)行，以減少任務切換的時間消耗。插補命令是加工命令，運行時間長，采用專門的加工監(jiān)控任務來執(zhí)行，命令解釋任務只負責在命令解釋完成后激活加工監(jiān)控任務。命令解釋任務的實時性要求高。

　　(4)加工監(jiān)控任務

　　加工監(jiān)控任務根據(jù)當前的工作狀態(tài)(手動方式或自動方式)激活插補計算任務，并進行加工狀態(tài)的監(jiān)控。手動工作方式下，操作員在PC機上手動控制刀具向-x，+x，-y，+y，-z，+z六個方向運動、刀具返回基準點、端面找正和孔中心定位等操作。自動工作方式下，操作員向控制器傳送直線、圓弧的運動命令，控制器自動完成該線形的運動。加工監(jiān)控任務的實時性要求較高。

　　(5)插補計算任務

　　插補計算任務是計算輪廓起點和終點的中間點坐標值。本系統(tǒng)采用逐點比較法進行插補，插補任務每執(zhí)行1次產生1個行程增量，每個行程增量以1個脈沖的方式輸出給步進電機。插補任務的運行周期可能低于操作系統(tǒng)時鐘，達到每秒數(shù)千次，因此使用定時器1作為插補運動時間控制器。插補計算任務在該軟件中的實時性要求最高。

　　(6)間隙電壓檢測和限位開關狀態(tài)檢測任務

　　該系統(tǒng)用于電火花線切割數(shù)控機床，間隙電壓是電火花加工時工具(電極絲)與工件之間的放電電壓，該數(shù)據(jù)是對放電加工過程進行實時檢測的重要參數(shù)，需要實時采集。限位開關是指刀具運動到加工臺邊界位置時，觸發(fā)的一個狀態(tài)開關。當?shù)竭_這個感應開關時刀具應該停止工作，起到一個保護作用，也就是限定了運動的位移，該信息也需要實時采集。這兩個任務具有實時性高，執(zhí)行頻繁，執(zhí)行時間短的特點，因此把它們設為一個檢測任務。與插補任務相同，由于檢測任務的運行周期低于操作系統(tǒng)時鐘，因此使用定時器3作為檢測任務的時間觸發(fā)器。

　　上面將實現(xiàn)的功能劃分為6個任務，介紹這些任務的功能，并對其實時性要求做了分析。上述任務劃分如表1所示。

　　3.3 任務間通信

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

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

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

　　4 實驗結果

　　實驗測試，IPC通過串口向執(zhí)行控制器發(fā)送直線插補命令G01X1000Y2000\LF，如圖4所示，觀察返回信息中的x，y軸坐標，各點基本分布于點(O，O)與點(1000，2 000)的直線周圍，誤差小于1個運動當量，這說明整個系統(tǒng)運行正常。

　　5 結語

　　C8051F020處理器具有豐富的硬件資源和強大的處理性能，μC/OS-Ⅱ具有實時性高，通用性好，移植、擴展方便等特點。基于該軟硬件平臺，可以降低系統(tǒng)的復雜度，提高產品的開發(fā)速度。經驗證，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。