王 彥，張 輝，方 明

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，運(yùn)動控制技術(shù)取得了巨大的成就，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。運(yùn)動控制器作為數(shù)控系統(tǒng)的核心運(yùn)算單元，具有舉足輕重的地位。但縱觀所有市場，幾乎所有的產(chǎn)品都定位于工控領(lǐng)域，在低成本的民用領(lǐng)域卻很少涉及。針對低端運(yùn)動控制器的市場應(yīng)用前景，本文主要應(yīng)用SoC技術(shù)，采用SLAB公司最新推出的高性能混合信號處理器C8051F120，設(shè)計出基于SoC技術(shù)的運(yùn)動控制器，從而實現(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。

1 雕刻數(shù)控系統(tǒng)的一般構(gòu)成

雕刻機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)是指一種能夠裝載數(shù)控程序文件并能夠自動控制機(jī)床進(jìn)行加工的控制系統(tǒng)。其工作原理：用計算機(jī)編制數(shù)控加工程序(或畫出需要雕刻的圖形)，通過存儲介質(zhì)傳輸給運(yùn)動控制模塊，運(yùn)動控制模塊將NC程序解釋成特定的加工路徑數(shù)據(jù)，并通過查補(bǔ)和速度控制算法產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)(本文采用步進(jìn)電機(jī))，控制X、Y、Z等軸的進(jìn)給，對工件進(jìn)行加工。結(jié)合雕刻機(jī)，運(yùn)動控制模塊的工作流程示意圖如圖1所示。

2 基于C8051F120的運(yùn)動控制系統(tǒng)

本設(shè)計采用SLAB公司最新推出的混合信號處理器C8051F120作為核心控制器，在滿足插補(bǔ)速度的同時，成本相對較低，但沒有涉及到多軸插補(bǔ)，一般應(yīng)用在只需要低速度點(diǎn)位運(yùn)動控制和對軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動控制場合。

2.1 C8051F120芯片簡介

C8051F120器件是完全集成混合信號的片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有100個I/O引腳，其內(nèi)部采用高速、流水線結(jié)構(gòu)、與8051兼容的CIP-51內(nèi)核，運(yùn)行速度可達(dá)100 MIPS[1]；采用全速、非入侵式的系統(tǒng)片內(nèi)調(diào)試接口，極大地方便了系統(tǒng)的調(diào)試；其16×16的MAC單元可以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；128 KB的片上Flash和8 KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，為大容量的數(shù)據(jù)存儲提供了空間[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 C8051F120中直線插補(bǔ)的實現(xiàn)

C8051F120是實現(xiàn)數(shù)控過程中運(yùn)算的關(guān)鍵，全部運(yùn)算均由其完成。當(dāng)采用逐點(diǎn)比較法實現(xiàn)直線插補(bǔ)時，每走一步都需要4個節(jié)拍[3]。其實現(xiàn)步驟如下：

(1)誤差判別。判別偏差函數(shù)F的正負(fù)，確定工作點(diǎn)相對于規(guī)定曲線的位置。

(2)坐標(biāo)進(jìn)給。根據(jù)偏差情況，控制X或Y坐標(biāo)進(jìn)給一步，使工作點(diǎn)向規(guī)定的曲線靠攏。

(3)偏差計算。進(jìn)給一步后，計算工作點(diǎn)與規(guī)定曲線的新偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)。

(4)終點(diǎn)判別。判斷終點(diǎn)是否到達(dá)，如果未到達(dá)終點(diǎn)，繼續(xù)插補(bǔ)；如果已經(jīng)到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)。

4個象限內(nèi)的直線插補(bǔ)如圖3所示。

3 C8051F120中軟件的實現(xiàn)

C8051F120具有雙周期的16×16 MAC單元，其100 MIPS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐能力為逐點(diǎn)比較法實現(xiàn)直線插補(bǔ)提供了強(qiáng)有力的支持[4]。只需先將坐標(biāo)絕對化，同時記錄象限值，偏差判斷后決定進(jìn)給量即可方便地實現(xiàn)直線插補(bǔ)。

3.1 直線插補(bǔ)程序流程

軟件實現(xiàn)直線插補(bǔ)的流程圖如圖4所示。

3.2 直線插補(bǔ)的C語言實現(xiàn)

為了提高C8051F120的運(yùn)行效率，系統(tǒng)的數(shù)控軟件部分主要采用C語言編寫。方法如下：

本文在吸收消化國內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品的經(jīng)驗后，采用低成本的器件開發(fā)出極低成本、性能優(yōu)良的運(yùn)動控制模塊，能夠滿足廣泛的刻章機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)等小型數(shù)控系統(tǒng)的需要，并可以繼續(xù)開發(fā)出高端運(yùn)動控制器才有的脫機(jī)功能，具有廣泛的推廣價值和使用價值。

[1]潘琢金.C8051F120/1/2 ISP Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊.REV 1.5.新華龍電子有限公司，2004.

[2]張迎新，雷文，姚靜波.C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[3]任玉田，焦振學(xué).機(jī)床計算機(jī)數(shù)控技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[4]潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析[M].Cygnol Integrated Products Inc.，2002.