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摘要:该文定义了可入群数控系统,并引出该系统详细的技术实现方案。重点介绍了该系统通信功能的实现,即相关硬件、通信协议、通信程序的设计,给出了通信程序流程图。
关键词:可入群数控系统;协议;通信;监控
中图分类号:TP338 文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)35-10094-02
The Technical Plan of Numerical-control Systems Able to Join A Group Based on Single-chip Microcomputer
FENG Jie-yi1, SONG Wen2
(1.Hunan Normal University, Changsha 410081, China; 2.Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)
Abstract: The paper defines a numerical-control system able to join a group, elicits the technical plan of realizing the system.Especially,the communication function of the system is introduced ,that is the design of the relative hardware and the communication protocol and communication software,the flow chart of cummnication program is given.
Key words: numerical-control system able to join a group; ptotocol; communica-tion; monitor
随着劳动生产率的提高,现代工业要求对自动设备实现集群监控。这样做的好处一是集群监控可以让一个工人监控一个“群”,大大节约人力资源;二是用“群”的概念极易构建柔性生产线;三是“群”与互联网连接还可以实现远程监控。图1是数控系统集群监控的总体框图。本文重点讨论如何构造群中的数控系统。
“群”中的数控系统应该能“上网”,但是一般数控系统的CPU忙于在线插补运算,是没有时间“上网”的,参考文献[1]提出了解决这一矛盾的方法。“群”应该具备哪些功能,功能在上位机(集群主控机)和下位机(数控系统)中如何分配,参考文献[2]讨论了这一问题。
依文献[2]确定图1中的下位机(数控系统)基本功能有三:
1)通信功能:接收来自上位机的“自定义指令和机加工数据流[1]”、接收上位机操作命令并执行之、应上位机要求上传即时信息等。
2)控制机床进行机加工:依自定义指令和机加工数据流进行零件加工。
3)辅助功能:手动功能、回零功能、对刀功能等。
综上所述,本文给出可入群数控系统定义。
定义:处于图1中,并依参考文献[1-2]具有功能的数控系统称为可入群数控系统。
1 可入群两坐标数控系统硬件设计
数控系统的控制部分和驱动部分构成。驱动部分与“集群”概念无任何关系,可以采用已有技术(步进电机驱动系统或者伺服系统)。控制部分采用性价比较高的单片机实现:
采用一片8031单片机,程序存储器ROM容量和数据存储器RAM容量都选用32KB。ROM容量的选取基于笔者的开发经验。RAM容量的选取依据是因为数据流驱动,RAM大则能存放更多数据流信息,加工较大的工件。32KB的RAM存放的插补数据流,其驱动轨迹近1300mm。满足绝大多数情况下的加工要求。
输入接口和输出接口的和一般数控系统相同。
为实现入群概念,为串行口新增了半双工通信接口电路。它包含电平转换,以RS-232电平标准集群,增加了抗干扰能力。
2 可入群两坐标数控系统软件设计
本系统采用前后台程序结构。除“零件加工”需驱动刀架时,通信程序作为后台程序外,其他工作方式下通信程序都是前台程序。笔者用串行口中断服务程序充当通信程序、定时器0中断服务程序充当“零件加工”中驱动刀架的程序。两程序的前后台关系的改变,由CPU对中断优先级的控制来实现。
2.1 软件总体介绍
主程序体现了程序总体结构。图2给出主程序流程图。
由图2可见有零件加工、手动、回零、对刀等四个功能程序段。另外还有三段中断服务程序:控制加工速度的定时器0中断服务程序;实现暂停功能的外部中断0中断服务程序EX0;实现入群的通信程序——串行口中断服务程序。
与传统数控系统相比,“零件加工”程序分支有一定改变(大大简化了),通信程序属于创新开发,其他程序段可以复用原来的程序。因此,本文只介绍通信程序。
2.2 通信程序
串行口中断服务程序即通信程序。它基于通信协议编制。
2.3.1 通信协议
下位机(单片机)的串行口采用方式2与上位机通信,通信数据为9位。第9位的意思是:1表示该字节为地址,0表示该字节为数据。
下位机地址:1～254。定义0为广播地址。
1)广播协议
①上位机输出广播地址,随即输出数据包。
②下位机收到上位机的数据包后,准备应答信息,处理数据包,复位自己的串行口。
2)点点协议
①上位机呼叫下位机,若下位机回本机号,则上位机随即输出数据包,否则继续呼叫;
②下位机收到上位机的数据包后,上传应答信息;处理数据包;复位自己的串行口。
其中“处理数据包”的意义是:若数据包为数据包1,则将其数据场存入RAM;
若数据包为数据包2,则执行数据包2的命令。
3)上位机下传的数据包格式:
①数据包1的格式:
起始标志场+数据场+结束标志场+校验场
起始标志场:1个特殊字节,7EH
数据场:若干个字节。若数据场中有与特征字符7EH相同者,在此数据后再插入一7EH。
结束标志场:2个字节7EH,F0H。校验场:一字节,数据场数据(不含插入的7EH)的累加和(累加时忽略产生的进位)。
②数据包2的格式:命令场+校验场
命令场与校验场为同一单字节数据,即上位机的命令。表1给出命令的定义和下位机接收应答的定义。
4)下位机上传的数据包规定为8个字节,最后一个字节为前7个字节累加和(用于校验)。
2.3.2 串行口中断服务程序(通信程序)
图3和图4为通信程序流程图。
3 结束语
本文是一个应用系统开发的技术方案。在笔者原先开发的产品—车床数控系统的基础上,技术实现了文献[1]、[2]的内容。实现的方法简单:原来的很多软件可以复用,只是“零件加工”分支程序有所改动,并新增加通信程序。
较之一般的数控系统,可入群数控系统简化了显示,取消了键盘,降低了系统成本,必要的功能并没有减少,且增加了入群功能。此功能使它便于集群。而集群的意义不仅在于可降低人力资源的使用,若图1的某些下位机换以机械手和传送带等,则可构建柔性生产线。群还可通过互联网实现远程监控。由此可见,强化入群功能的可入群数控系统的应用前景是十分广阔的。
参考文献:
[1] 冯介一,宋文.嵌入式数控系统研发[J].新技术新工艺,2007(3):45-46.
[2] 冯介一,宋文.关于数控系统群控的几点讨论[J].科学时代,2008(3).
关键词:可入群数控系统;协议;通信;监控
中图分类号:TP338 文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)35-10094-02
The Technical Plan of Numerical-control Systems Able to Join A Group Based on Single-chip Microcomputer
FENG Jie-yi1, SONG Wen2
(1.Hunan Normal University, Changsha 410081, China; 2.Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)
Abstract: The paper defines a numerical-control system able to join a group, elicits the technical plan of realizing the system.Especially,the communication function of the system is introduced ,that is the design of the relative hardware and the communication protocol and communication software,the flow chart of cummnication program is given.
Key words: numerical-control system able to join a group; ptotocol; communica-tion; monitor
随着劳动生产率的提高,现代工业要求对自动设备实现集群监控。这样做的好处一是集群监控可以让一个工人监控一个“群”,大大节约人力资源;二是用“群”的概念极易构建柔性生产线;三是“群”与互联网连接还可以实现远程监控。图1是数控系统集群监控的总体框图。本文重点讨论如何构造群中的数控系统。
“群”中的数控系统应该能“上网”,但是一般数控系统的CPU忙于在线插补运算,是没有时间“上网”的,参考文献[1]提出了解决这一矛盾的方法。“群”应该具备哪些功能,功能在上位机(集群主控机)和下位机(数控系统)中如何分配,参考文献[2]讨论了这一问题。
依文献[2]确定图1中的下位机(数控系统)基本功能有三:
1)通信功能:接收来自上位机的“自定义指令和机加工数据流[1]”、接收上位机操作命令并执行之、应上位机要求上传即时信息等。
2)控制机床进行机加工:依自定义指令和机加工数据流进行零件加工。
3)辅助功能:手动功能、回零功能、对刀功能等。
综上所述,本文给出可入群数控系统定义。
定义:处于图1中,并依参考文献[1-2]具有功能的数控系统称为可入群数控系统。
1 可入群两坐标数控系统硬件设计
数控系统的控制部分和驱动部分构成。驱动部分与“集群”概念无任何关系,可以采用已有技术(步进电机驱动系统或者伺服系统)。控制部分采用性价比较高的单片机实现:
采用一片8031单片机,程序存储器ROM容量和数据存储器RAM容量都选用32KB。ROM容量的选取基于笔者的开发经验。RAM容量的选取依据是因为数据流驱动,RAM大则能存放更多数据流信息,加工较大的工件。32KB的RAM存放的插补数据流,其驱动轨迹近1300mm。满足绝大多数情况下的加工要求。
输入接口和输出接口的和一般数控系统相同。
为实现入群概念,为串行口新增了半双工通信接口电路。它包含电平转换,以RS-232电平标准集群,增加了抗干扰能力。
2 可入群两坐标数控系统软件设计
本系统采用前后台程序结构。除“零件加工”需驱动刀架时,通信程序作为后台程序外,其他工作方式下通信程序都是前台程序。笔者用串行口中断服务程序充当通信程序、定时器0中断服务程序充当“零件加工”中驱动刀架的程序。两程序的前后台关系的改变,由CPU对中断优先级的控制来实现。
2.1 软件总体介绍
主程序体现了程序总体结构。图2给出主程序流程图。
由图2可见有零件加工、手动、回零、对刀等四个功能程序段。另外还有三段中断服务程序:控制加工速度的定时器0中断服务程序;实现暂停功能的外部中断0中断服务程序EX0;实现入群的通信程序——串行口中断服务程序。
与传统数控系统相比,“零件加工”程序分支有一定改变(大大简化了),通信程序属于创新开发,其他程序段可以复用原来的程序。因此,本文只介绍通信程序。
2.2 通信程序
串行口中断服务程序即通信程序。它基于通信协议编制。
2.3.1 通信协议
下位机(单片机)的串行口采用方式2与上位机通信,通信数据为9位。第9位的意思是:1表示该字节为地址,0表示该字节为数据。
下位机地址:1～254。定义0为广播地址。
1)广播协议
①上位机输出广播地址,随即输出数据包。
②下位机收到上位机的数据包后,准备应答信息,处理数据包,复位自己的串行口。
2)点点协议
①上位机呼叫下位机,若下位机回本机号,则上位机随即输出数据包,否则继续呼叫;
②下位机收到上位机的数据包后,上传应答信息;处理数据包;复位自己的串行口。
其中“处理数据包”的意义是:若数据包为数据包1,则将其数据场存入RAM;
若数据包为数据包2,则执行数据包2的命令。
3)上位机下传的数据包格式:
①数据包1的格式:
起始标志场+数据场+结束标志场+校验场
起始标志场:1个特殊字节,7EH
数据场:若干个字节。若数据场中有与特征字符7EH相同者,在此数据后再插入一7EH。
结束标志场:2个字节7EH,F0H。校验场:一字节,数据场数据(不含插入的7EH)的累加和(累加时忽略产生的进位)。
②数据包2的格式:命令场+校验场
命令场与校验场为同一单字节数据,即上位机的命令。表1给出命令的定义和下位机接收应答的定义。
4)下位机上传的数据包规定为8个字节,最后一个字节为前7个字节累加和(用于校验)。
2.3.2 串行口中断服务程序(通信程序)
图3和图4为通信程序流程图。
3 结束语
本文是一个应用系统开发的技术方案。在笔者原先开发的产品—车床数控系统的基础上,技术实现了文献[1]、[2]的内容。实现的方法简单:原来的很多软件可以复用,只是“零件加工”分支程序有所改动,并新增加通信程序。
较之一般的数控系统,可入群数控系统简化了显示,取消了键盘,降低了系统成本,必要的功能并没有减少,且增加了入群功能。此功能使它便于集群。而集群的意义不仅在于可降低人力资源的使用,若图1的某些下位机换以机械手和传送带等,则可构建柔性生产线。群还可通过互联网实现远程监控。由此可见,强化入群功能的可入群数控系统的应用前景是十分广阔的。
参考文献:
[1] 冯介一,宋文.嵌入式数控系统研发[J].新技术新工艺,2007(3):45-46.
[2] 冯介一,宋文.关于数控系统群控的几点讨论[J].科学时代,2008(3).