基于PS／2接口的线切割机床控制系统功能扩展的研究.pdf

2 0 1 0 年第1 2 期 控 制与检测 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 0 1 2 0 0 7 7 0 3 基于 P S ／ 2接 口的线切割机床控制 系统功能扩展的研究 万文略 ， 郭文 清 重庆 理工 大学 机械 检 测技术 与装 备教 育部 工程 研 究 中心 ， 重庆4 0 0 0 5 4 摘要 针对 线切 割机床 加 工特 殊零件 时需要人 工 干预 的落后 现状 ， 采 用 P S ／ 2接 口的 时分 复 用技 术对 线切割机 床 控制 系统 的功 能扩展 进行 研 究 ， 设 计 了一个 自动控 制 线切割 的 功能扩展 装 置 。根 据 P S ／ 2 键 盘接 口的通信 原理介 绍 了对 线切 割 机床 功 能进 行 扩 展 的 方 法 ， 并进 行 了软 硬 件 的设 计 ， 给 出 了软 件程序 中状态机的流程图。应用结果表明， 本 系统具有较 高的智能化 ， 能够在无人干预的情况下 完 成零件 的 自动加 工 ， 减轻 了人 的 劳动 强度 ， 具 有一 定的 实 用性 和推 广价 值 。 关键词 P S ／ 2 ； 线切 割 ； 状 态机 ； 时分 复 用 ； 功 能扩展 中图分 类号 T H8 7 3 ． 7 文 献标 识码 A The St ud y o n Fun c t i o n Ext e n s i o n o f t he Li n e Cut t i ng M a c hi n e Co nt r o l Sy s t e m Ba s e d o n PS ／ 2 Ke y b oa r d I n t e r f a c e W AN W e n l u e，GUO W e n q i n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f Me c h a n i c a l T e s t i n g T e c h n o l o g y a n d E q u i p me n t ，Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n， C h o n g q i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 5 4，C h i n a Ab s t r a c t Th i s pa pe r de v e l o ps a t ype o f wi r e c ut t i n g a u t o c o n t r o l s ys t e m wi t h t i me - s ha r i n g mul t i pl e x i ng O f t h e p s ／ 2 int e r f a c e ．Ac c o r d ing t o t h e c o n s t r u c t i o n a nd c o mmu ni c a t i o n a g r e e me nt O f t h e p s ／ 2 int e r f a c e ， t h e pa pe r int r o d u c e d a me t h o d of f un c t i o n e x t e ns i o n i n a ut o wire c u t t ing ．I t pr e s e n t s a de s i g n s c h e me o n hard ware ，s of t ware a n d s t a t e ma c h ine ．The a ppl i c a t i o n s h o ws t h a t t hi s s ys t e m i s hi g h l y int e l l i g e n t i ze d an d a c hi e ve d a u t o ma n uf a c t u r ing , r e d u c e d l a bo u r int e n s i t y． Th e t e c h n o l o g y a nd me t ho d s a d o p t e d i n t h e s y s t e m are pr a c t i c a l an d wo r t h y o f u s ing a br oa d ． Ke y wo r dsPS ／ 2； wi r e c ut t ing ；s t a t e ma c h ine ； t i me - s hari n g mu l t i pl e x i ng ； f u n c t i o n e xte ns i o n 0 引 言 在研制 时 栅 位 移 传 感 器 的过 程 中 ， 需 要 加 工 定 子线 圈。加 工方法 一 般 是用 线 切 割机 床 在 圆周 上 等 间隔切 割 出 Ⅳ个 槽 。原 来 采 用 自动 循 环 功 能 加 工 时 ， 机床 的整 周分 度 控制 精 度不 高 ， 加 工 出 的零 件 不 能 满足使 用要 求 。为 此在 线 切 割机 床 上 安装 了高 精 度 时栅数 控 空 心转 台 完 成 分 度 控 制 ， 使 用 转 台 虽 然 提高了线切割机床的分度加工精度 ，但是 由于未使 用线切割机床 的 自动循 环加工功能 ， 需要人工控制 线切 割机 床与转 台工 作 ， 加 工 一 个槽 大 约需 要 2 3 分钟 ， 加工一个传感器定 子需要 2 0个小时左右 ， 操 作时间长 ， 人 工劳动强度 大。尤其夜 间工作 的情况 下 ， 人 员 容 易 疲 惫 ， 导 致 零 件 加 工 出 错 ， 造 成 不 可 挽 回的 巨大损失 。为此 根据 P S ／ 2时分 复用 的特性 ， 对 线切 割机 床控 制 系统 的 功能 进 行 扩展 ， 代 替 键盘 ， 实 现无人 干 预 ， 减 轻人 的劳 动强 度 ， 达 到 了很 好 的实 用 效 果 。 1 线切割机床 P S ／ 2接 口的工作原理 P S ／ 2接 口通 信 协 议 是 一 种 双 向 同 步 串行 通 信 协议 ， 是 现 在 大 多 数键 盘 与 P C机 通信 的标 准协 议 。通信的两端通过 C l o c k 时钟脚 同步 ， 并通 过 D a t a 数据脚 交换数据 。任何一方如果想抑制 另外一方通信时， 只需要把 C l o c k 时钟脚 拉 到低 电平 。如 果 是 P C机 和 P S ／ 2键 盘 间 的 通 信 ， 则 P C 收稿 日期 2 0 1 0 0 62 8 ； 修 回日期 2 0 1 00 7 2 6 作者简 介 万文略 1 9 6 4 一 ， 男 ， 重庆人 ， 重庆理工 大学副教授 ， 工学硕士 ， 研究方 向为嵌入式 开发， Ema i l w a n w e n l u e c q u t ． e d u ． c n 。 控 制与检测 组合机床与自 动化加工技术 机 必须 做 主 机 ， 也 就 是说 ，P C机 可 以抑 制 P S ／ 2键 盘 发送 数 据 ， 而 P S ／ 2键 盘则 不会 抑 制 P C机 发 送 数 据 。 线切 割机床 的控 制 系统 上 面有 一 个 P S ／ 2接 1 3 ， 在线 切割 加工 过 程 中 ， 线 切 割 机 床 的 控 制 系 统 就 是 作为 P C机 和键 盘 之间进 行 P S ／ 2通 信 的 。现有 的线 切割机 床控 制系 统 ， 由于 使 用 了时 栅 数控 空 心转 台 ， 无法完成 自动切割， 需要人工控制。线切割机床一 次只完 成一个 槽 的加 工程 序 ， 每 加工 完 一 个槽 ， 机床 控制 系统 上 面 的继 电器输 出状态 接 口发 送一 个 低 电 平 ， 线切 割机床 停止 运 行 ， 人工 操 作 时栅 数 控空 心 转 台转过一 个槽 的 间距 ， 按 下键 盘 上 的 “ w” 键 ， 线 切 割 机床 控制 系统 按 照 P S ／ 2接 口协 议 收 到 键 盘 编 码 后 驱动机床进行线切割运动。这样循环 Ⅳ次 ， 完 成 Ⅳ 个槽 的加 工 。 为 了解 决 人 工 操 作 不便 的 问 题 ， 对 线 切 割 自动 控制 系统 功 能 进 行 扩 展 。根 据 P S ／ 2接 口分 时 复 用 的特 性 ， 研 制 了一 个 带 有 P S ／ 2接 口的控 制 系 统 ， 将 线切 割机 床控 制 系统 与 时栅 数控 转 台 的控 制功 能结 合在一起 ， 不 断检测线切割机 床控制 系统及 转台控 制系统的工作状态 ， 当检测到线切割机床完成一个 槽 的加 工程 序 ， 扩 展 装 置 就 向转 台控 制 系统 发 送 控 制命 令 。驱动 转 台转 过一 个槽 的 间距 ， 然 后按 照 P S ／ 2键 盘协议模 拟键 盘按 键发送 “ w” 键 编码 ， 驱 动 线切 割 ， 进行 下一个 槽 的加工 。这 样循 环 Ⅳ次 ， 实 现 自动 加 工 。 2硬件 电路设计 硬件 部分 包括 了 I ／ 0电路 的设计 和 P S ／ 2接 口电 路 的设计 ， I ／ O电路是 通过 控制 A R M 处理 器 的 G P I O 功能 来实 现的 。硬件 电路 中采 用 的处 理 器是 飞 利 浦 公司的 L P C 2 1 3 8 ，L P C 2 1 3 8是基于支持 实时仿真和 嵌入 式 跟 踪 的 1 6 ／ 3 2位 A R M 7 T D MI S C P U 并 带 有 3 2 k B嵌入式 R A M， 1 个 1 2 8位宽度 的外部存储器接 口和 1个独特 的加速器架构使得 3 2位代码可在最 大时钟频 率下运行 。硬件 电路总体 框 图如 图 1所 示 。 硬 件 电路 设计 的 关键 是 P S ／ 2接 口电路 的设 计 。 在保证原有键盘正常通信的情况下对 P S ／ 2接 口进 行复用。同一个接 口在不同条件下 ， 与不 同的设备 进行通信 。因此选 用一个 双刀双掷的继电器 ， 分别 连 接 P S ／ 2键 盘 和功能 扩 展装 置 的 数据 线 和 时钟 线 。 机床功能扩展装置要保证键盘与线切割机床控制系 统的正常通信 ， 例如上 电复位 ， 大小写切换等。上 电 I I 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 _ 。 。 - ● ● ● ● ● _ _ _ ● ● _ _ 线 J＼ 隔离 I 隔离 ／ L 切 ] ／ 输入 i 输入 一 数控 割 空心 控 转台 制 控制 系 ／ 1 卜 、 J 隔离 卜 ＼ 系统 统 ＼r] ／ P S 『 2 I 输出 P S ／ 2 接 口 键 ／ 1 卜 广 ]／ 盘 图 1硬 件 电 路 总 体 框 图 自检时 ， 线切割 机床控制 系统 向 P S ／ 2键盘发送 命 令 ， 键盘 完 成 机 床 控 制 系 统 对 外 设 检 测 的应 答 。在 系统工作 过 程 中 ， 键 盘 接 口还 必 须 随 时 回应 机 床 控 制 系统发 送 的 控 制 命 令 ， 否则 机 床 控 制 系 统锁 定 键 盘接 口 ， 导致 系统死 机 。 图 2为硬 件部 分 P S ／ 2接 口电路 图接 口 J 1 1和线 切割 控制 系统部 分 相连 ， 接 口 J 1 2为键盘接 口。当处 于手动状 态 时， 键盘 和线 切 割控 制 系统 之 间通过 P S ／ 2 协议 进 行 通信 ， 当处 于 自动状 态 时 ， 功 能扩展 装 置取代 键 盘功能 实现 自动 编码 。 5 K Y 图 2 P S ／ 2接 口电 路 图 3系统软件设计 如何通过软件程序的控制保证键 盘和功能扩展 装置 互不 影 响是 系统 中重 要 的一方 面 。本 文 基 于嵌 入式 处理 器 A R M 为 平 台 ， 使用 K E I L开 发 工具 对 功 能扩展 装置 的 自动检测和 自动控 制功能进 行 了设 计 。实现 了线 切 割 控 制 系 统 的 自动 加 工 ， 具 有 良好 的用户 界 面 、 更 丰富 的功能 和易 扩展 性 。 系统中功能装置实现 2个主要 功能， 一方面 ， 线 切割机床控制系统发送控制命令给机床功能扩展装 置 ， 然后 再转 发 给键 盘 ； 另一 方 面 ， 当 人按 下 键 盘 时 ， 机 床功 能扩 展 装 置 接 收 键 盘 发 送 的按 键 编 码 ， 再 转 发给线切 割机床控 制系统。若需要 自动功能时 ， 不 需人 工按 键 ， 线 切 割 机 床 控 制 系 统 向 功 能 扩展 装 置 2 0 1 0 年第1 2 期 控制与检测 发送 “ 加工 完成 ” 状 态命 令 ， 功 能 扩展 装 置 在 收 到该 状态命令后 ， 从其 状态输 出口发送一个命令启动转 台步进到所需 的分度位置。到达分度 位置后 ， 功能 扩展装 置按 照 P S ／ 2协 议 向线 切 割 机 床 控 制 系 统 发 送 “ 分度 完成 ” 状态 命 令 ， 通 知其 进 行 该 位 置 的线 切 割加工 任务 。 根据 上述 思 想 ， 为 了防 止 线 切 割 机 床 自动 运 行 时发生 意外 ， 通 过 设 计 一 个 状 态机 判 断 和 切 换 线 切 割机床的工作状态。在程序中分别设置了 0 、 1 、 2 、 3 、 4五个 状态 。其 中状 态 2是 用 来 实 现 发 送 键 盘 编 码 驱 动线切 割运 动 的 。线 切 割 加 工过 程 中任 意一 个 状 态 ， 若线 切 割 断丝 ， 暂停 加 工 ， 线 切 割 机 床 将 不 能 继 续工 作 。 中间任 意 状态 被 切 换 到手 动 。状 态 机 的设 计流 程如 图 3所 示 。 图 3状 态 机 流 程 图 状态 2中实 现发 送 键 盘 编码 驱 动线 切 割 机 自动 运行 的程 序如下 i f s t a t e 2 { UART 0 一S e n d B y t e 0 x 3 2 ； S e n d Ke y Da t 0 x 2 9 ； D e l a y MS 1 0 0； S e n d K e y D a t O x f O ； S e n d K e y D a t 0 x 2 9 ； De l a y MS 1 0 0 0； S e n d Ke y D a t 0 x l d ； De l a y MS 1 0 0 ； S e n d K e y D a t O x f O ； D e l a y MS 1 0 0 ； S e n d K e y Da t 0 x l d ； D e l a y MS 2 0 0 0 0 ； i f I O O P I N X Q G S T A T E X Q G S T A T E s t a t e3； } } 经 过改造 后 的线切 割机 床如 图 4所 示 。 图 4 自动线切 割控 制系统 4 结束 语 本 项 研 究 采 用 了 P S ／ 2接 口的 时 分 复 用 技 术 。 在保证线切割机床控制系统原有键盘功能正常使用 的情况下， 通过程序控制线切割机床 ， 既能实现手动 加工 ， 又 实 现 了 自动 加 工 。整 个 加 工 过程 实 现 了 全 自动 化 ， 按 预 定 程 序 完 成 自动 分 度 转 位 、 自动 线 切 割 。全部 加 工 过 程 无 需 人 工 干 预 ， 解 决 了人 工操 作 的不 便 ， 减 轻 了 人 员 的劳 动 强 度 。该 装 置 同样 适 用 于其 他具 有 P S ／ 2接 口的工控 机 ， 完 成各 种各 样 的 自 动化 生产 过程 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]王荣 ， 吴旭 民．基于 P C控制 的多功 能微 型数控机床 的研 制 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 7 6 8 3 8 5 ． [ 2 ]刘丹 ， 傅建 中．基 于 A R M 和 P C L 6 0 4 5的运动控制 器设计 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 6 3 4 7 4 9 ． [ 3 ]张轶飞 ， 张智诠．P S ／ 2键盘接 口在单 片机 中的应 用研究 [ J ] ．装 甲兵工程学院学报 ， 2 0 0 4 1 2 4 8 5 0 ． [ 4 ]李冉奇 ， 白丽嫒．基于单片机 的 P S ／ 2标准键 盘接 口制作 [ J ] ．桂林 工学院 ， 2 0 0 7 1 1 1 21 5 ． [ 5 ]陈曦．P S ／ 2接 口协议解析及应用 [ J ] ．国外电子元器件 ， 2 0 0 4 4 1 41 8 ． [ 6 ]郑新景 ， 蒋洪 ．P S ／ 2键 盘 鼠标 协议 [ J ] ．电脑世 界 ， 2 0 0 1 1 7 2 62 8 ． [ 7 ]郑炜 ， 须文波 ， 胡晋 ．单 片机 系统 中 P S ／ 2键盘 驱动程 序 的设计 [ J ] ．江南大学学报 ， 2 0 0 6 3 2 8 1 2 8 5 ． [ 8 ]周立功 ， 等．A R M嵌入式系统基础教程 [ M] ．北 京 北京 航空航天大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 编辑赵蓉 本刊欢迎订阅 欢迎在线投稿 欢迎刊登广告 h t t p ／ ／ W W W ． z h j c z ． c o rn． c a 、 vvvi viv ， ‘