基于ISA总线的电火花线切割机床接口电路的设计及研究.pdf

电加工与模具 2 0 1 1 年第2 期 设 计 研 究 基 于 I S A总线的 电火花线切 割机床 接 口电路 的设计 及 研 究 钟孟辉 ， 郭烈恩 ， 沈 川 南 昌大学 机 电工 程学 院 ， 江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 摘 要 讨论 了 I S A总线 ， 设计 了基 于 I S A 总线 的 电火花 线切 割机 床接 口电路 。采 用上 位 机进 行插补 计算 ， 用 5 1 单 片机作 为 下位 机对 步进 电机进行 控制 。 关键词 I S A总 线 ； 单 片机 ； 步进 电机 ； 电火 花线 切割加 工 中 图分 类号 TG4 8 4 文献标识 码 B 文章编 号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 1 0 20 0 1 20 3 Th e Re s e a r c h a n d De s i g n O f W EDM I nt e r f a c e Ci r c u i t b a s e d o n I S A BU S Zh o n g M e n ghu i ， GU O Li e’ e n， S he n Ch u a n Na n c h a n g Un i v e r s i t y ， Na n c h a n g 3 3 0 0 3 1， Ch i n a Ab s t r a c t I SA bu s i s d i s c u s s e d i 1 1 t hi s pa p e r ．A ki n d o f W EDM i n t e r f a c e c i r c u i t b a s e d o n I SA bu s i s d e s i g n e d ．Ad o p t P C f o r i n t e r p o l a t i o n c a l c u l a t i o n，wi t h MC S 一 5 1 a s t h e n e x t p l a c e ma c h i n e t o c o n t r o l t he s t e p mo t o r ． Ke y wo r ds I S A bu s ； M CU s t e p mo t o r W EDM I S A 总线 是 I B M P C总线 基 础 上 发 展起 来 的 ， I B M 公 司在 P C总线 的基 础 上增 加 了一 个 3 6引 脚 的 A T扩展 槽而 形成 A T 总线⋯ 。虽然 I S A总线 目 前 已很 少见 ， 但 由于 基 于该 总 线 的接 口电路 对 布线 的要求 没有 P C I 总线板 卡那 么 高 ， 所 以在 I S A 总线 上开发接 口电路 目前仍是人们首先考虑的方法。 在 高 速走 丝 电火 花线 切 割 系统 中 ， 常采 用 以步 进 电机 为 主要 部件 的开环 位置控 制系统 。这种 系统 因结构 简单 ， 调试 、 维修 、 使 用方便 ， 成本 低廉 而在高 速走丝 机 中得 到 了广泛 的应 用 。 目前这种 控制 系 统 中 ， 环形 分配器 一 般采 用 软 件分 配 脉 冲 或用 专 用 芯片如 CH2 5 0来 实 现 对 步 进 电机 的控 制 。用 软 件 来实 现脉 冲的分 配将 占用 上位 机 过 多 的资 源 ， 降 低 了计算 机 的运 行效 率 ， 而 且快速 响应也 受到 了影响 。 若用专 用芯片 来实 现 对 步进 电机 的控 制 ， 则 控制 方 式不够 灵活 ， 所 以其 使用 也 受 到一 定 的限 制 。本 文 以工 控 机为 上 位机 、 5 1单 片机 为 下 位 机 ， 采 用 I S A 收 稿 日期 2 0 1 01 I 一0 9 第一作 者简介 钟孟辉 ，男 ， 1 9 8 4年生 ，硕士研究 生。 一 1 2 一 总线实 现上位 机和下 位机 间 的通信 。上位 机实现插 补计算 ， 通过 I S A总线把插补脉 冲传给下位机 ， 由 下位 机实现 对 脉 冲 的分 配 。这 种控 制 方 法灵 活 、 占 用上 位机 时间少 、 适用 范 围广 、 通用 性强 。这种控 制 方式每 个控 制卡 可 同时 完 成 多个 步 进 电机 的控 制 ， 便于完 成 3轴及 以上控 制要求 的应 用 。 l 接 口电路 的设 计 整个 系统 主要包 括上 位机 、 译码 和锁存 电路 、 5 1 单 片机三部 分组 成 图 1 。上位 机 主要 负责 插 补计 算 ， I S A 接 口电路 和 译码 锁 存 电路 负 责 上位 机 和 下 位机 之间 的通讯 ， 下位 机 即 5 1 单 片机 主要 负责 脉冲 分配 ， 实现 对步进 电机 的控制 。 上位 机 泽码 下 位机 1 业 1 S A总线 和 锁 51 单 控制 汁 ／ 1 卜 ， 1 卜 ＼ ／ 存 电 ＼ 厂 - 1 ／ 片 机 算机 路 脉 冲 信 呼 反 馈 信 号 图 1 接 E l 电路 的 组 成 部 分 本 系统 中 只使 用 了 I S A 总 线 中 的 A0 ～A 9 1 0 位 地 址 总 线 来 表 示 I ／ O空 间 ， 其 I ／ O端 I I 地 址 仅 为 设 计 研 究 电加工与模具 2 0 1 1 年第2 期 0 0 0 H3 F F H 共 1 k B， 其 中前 5 1 2个 地 址 0 0 0 H～ 1 F F H 被 主板 上 的 I ／ O接 口使 用 ， 其 余 2 0 0 H3 F F H 为插 在 扩展槽 中 的 I ／ O 通 道 使 用 ， 其 中还 有 部 分 被 通 用 的外部 设备 使用 。 因此 在进 行 控 制 卡设 计 时 ， 只能 选 用 系统 和用 户都 没 有 使 用 的 I ／ o 端 口 地 址 ， 通 常 用 户 可 使 用 3 0 0 H～3 1 F H 地 址 ， 这 是 I B M P C系 列 微 机 留作 实 验板 用 的地址 。在本 系统 中选用 3 0 0 H 作 为控 制 卡 的基 地址 ， 高 位地址 A9～A2经 7 4 HC6 8 8泽码 产 生 片选 信 号 3 0 0 H 。采 用 7 4 HC 3 7 3对 低 位 地 址 A 0 、 AI 进行 锁存 ， 供 单 片机 读 取 ， 这 样 本 控 制 板 的地 址 范 围 即 3 0 0 H～3 0 3 H。 本 文采用 7 4 HC 2 4 5进 行总 线 隔离 ， 以实 现在 外 设不 使用 总线 的时候 ， 能及 时 释放 总线 ， 让其 他设 备 可 以 使 用 总 线 。 用 基 地 址 译 码 结 果 3 0 0 H 接 7 4 HC2 4 5的 OE端 ， 这 样 只有 C PU 选 中控制 板地 址 时 ， 2 4 5芯 片才 处 于导 通状态 。用 l ／ OR接 2 4 5芯 片 的 DI R端 。 当 C P U 从 外 设 读 人 数 据 时 I ／ o R 为低 电平 ， 2 4 5芯 片的导 通方 向为从 B到 A， 其 他状 态 则 保持 从 A 到 B的导通 状 态 。 由于 C P U 的速度 要 比下 位机 5 1单 片 机 快得 多 ， 为 了保证 C P U 的 正 常运 行 和数 据 的正 确 传输 ， 本 系统 采用 7 4 HC 3 7 3对数 据总 线进 行 锁存 ， 以解 决 高速 的 C P U 和低 速外 设 之间 的矛盾 。如图 2所示 ， 3 7 3芯 片 的 OE端 接 I ／ OR 的反 相 电平 。 因为 DO D7 接在 单 片机 的 P 0口上 如图 3所 示 ， 当单 片机 向上 位 机传 输数 据 的时候 ， 3 7 3的输 出端 应处 于 高 阻状 态 。 3 7 3芯 片 的锁存 允许 端 L E必 须保 证 当上 位 机 向下 位机 传 输 数 据 的 时 候 处 于导 通 状 态 ， 即 L E应 为 高 电平 ， 而 在上位 机 数 据 传输 周期 结 束 之 前 对 数 据进 行锁存 ， 以供 单 片 机读 取 。即 L E应 在 数 据 传 输 周 期结 束 之前 变为 低 电平 。 7 4 H b 8 8 N 图 2锁存 和译码 电路 电加工与模具2 0 1 1 年第 2 期 设 计 - 研 究 RE T 一 Rl VC c c J 3 9 D0 l l 6 C 一 F X I l 9 P0D ／ A DO 3 8 D 1 l 5 C 2 X2 l 8 ￡ TALl P0 1 ／ ADl 3 7 D2 3 C _ 1 4 I l X 1 A L 2 P 0 2 ／ AD 2 C ]I P 0 3 ／ AD 3 D 3 4 1 3 P0 4／ AD4 3 5 D4 5 [丁_ 1 2 2 2 u F P 0 5 fA D s g i 6 C l 1 C 丁 _ 1O f r 2 P q { 6 3 2 D 7 8 C - 9 l lI K 3 本 系统 上 位 机 的 运 行 环 境 是 Wi n d o w s X P系 统 ， 但 wi n d o w s 对 系统底层 的操 作 采取 了屏 蔽 的政 策 ， 因此在 涉及底层 操作 时 就要 深 入到 Wi n d o ws 的 内核 去编写 属于 系统级 的设备驱 动程 序 。在 本 系 统 中采用 Wi n I o库 的 函数 对 I S A 接 口进 行 读 写 操 作 ， Wi n I o库通 过 使 用 内核 模 式 下设 备 驱 动 程 序 和 其 他一些 底 层 编 程技 巧 绕过 Wi n d o w s 安 全 保 护 机 制 ， 允许 3 2位 Wi n d o ws 程序 直接 对 I ／ o 进 行操 作 。 采用 S e t P o r t V a l 和 Ge t P o r t V a l 两个 函数来 对 I ／ 0进行 读写操 作 。 如图 3所示 ， 当上位 机 向 3 0 0 H～3 0 3 H 输 出数 据时 ， 由基地址片选信号和写控制信号合成的信号 就会触 发 单 片 机 的 外部 中 断 0 I N T 0 。这 时单 片 机就迅 速读取 P 2 ． 0和 P 2 ． 1的地 址 信号 ， 确定 上位 机发送 的控 制 对象 3 0 0 H～3 0 3 H 分别 对 应 x 、 y、 【 ， 、 V 4轴 ； 然后 再 读取 P 0口的数 据 ， 决 定 脉 冲个 数和 脉 冲方 向 ； 最 后 由 P 1口通 过 光 电 隔离 元 件 向 步进 电机驱动 电路发 送各 轴步进 电机 的进 给脉 冲信 号和方 向脉冲信 号 ， 脉 冲宽 度 由单 片机 采 用定 时 器 0以中断 的方 式来设 定 。当步 进 电机转 到 预定 角 度 后 ， 由反 馈 端 X b a c k 、 Y b a c k向 单 片 机 发 送 就 绪 信 号 ， 以便 接收下一 个进 给脉 冲。 3 结语 本 控制 系统 已运用在 高速走 丝 电火 花线 切割机 1 4 床 上 ， 实践 证 明其 具有 控 制 灵 活 、 安 全 可 靠 、 抗干 扰 能力好 等优 点 。在 此 接 口电路 的基 础 上 ， 还 可开 发 各种带 有 中断功 能 的更 复 杂 的控 制 板 ， 如 可将 线 切 割 问隙控制 系统 也集成 到该 接 口电路 中来 。 参考 文献 [ 1 ] 蒋志峰 ， 蒋伟峰 ， 刘济林 ．基 于 I S A 总线 接 口电路 的设计 及研 究 [ J ] 实 验 室 研 究 与 探索 ， 2 0 0 0 1 8 28 6 ． [ 2 ] 秦忆 ．现代交流伺 服系统 [ M] ．武 汉 华 中理 工大学 出版社 ， 1 9 9 5 [ 3 j 王力虎 ， 李红波P C控制及接 口程序 设计实例 [ MJ ．北京 科 学 出版 社 ， 2 0 0 4 [ 4 ] 杨强 ， 李秋 堂．Wi n 9 X虚拟设 备驱 动程序 编程 指南 [ M] ．北 京 清华大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 5 李慧君 ．基于 1 S A总线电火 花线切割脉冲电源的研究 [ D] ．哈 尔滨 哈尔滨理工 大学 ， 2 0 0 7 [ 6 ] 戴向国 ， 傅水根， 王先逵 ， 等 ．基于 I S A总线的步进 电机控制卡 设 计 [ J ] ． 机 械 与 电子 ， 2 0 0 1 5 3 1 3 2 [ 7 ] 陈 云 ， f -- l- 如 钟 ， 陈 明基 于 I S A 总 线 的 步 进 电机 控 制 器 软 硬 件 实 现 [ J ] ．组 合 机 床 与 自动 化 加工 技 术 ， 2 0 0 2 7 6 46 5 ． 欢迎浏 览中国特种加工网 最 及时 的 行 业 动 态 最 全 面 的 信 息 资 讯 最 有 效 的 广 告 宣 传 国际域 名 h t t p ／ ／w ww． c h i n a n t m． c o m 网络实 名 特 种加工