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?;谠撥浻布脚_,,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,。