基于Linux的电火花线切割机床数控系统中PC机-单片机串并口双向通信.pdf

设 计 研 究 电加工与模具 2 0 1 0 年第3 期 基于 L i n u x的 电火 花线切 割机床数 控 系统 中 P C机一 单片机 串并 口双 向通信 范益民 ， 顾 琳 ， 曹 锟 ， 张永 鑫 ， 赵 万生 上海 交通 大 学机 械与 动力 工程 学 院 ， 上 海 2 0 0 2 4 0 摘要 介 绍 了基 于 L i n u x的往复 走 丝 电火花 线 切 割机 床 数 控 系统 中上 下 位机 间的 串并 口双 向 通信 的设 计 与 实现 方 法。给 出 了上位 机 R S 一 2 3 2串 口和 E P P模 式 并 口在 L i n u x下 QT平 台的双 向 通信 软件 的 开发 方法 。此 外 ， 还 介 绍 了下位机 通信 接 口板硬 件设 计 方 法。 关键 词 串并 口双 向通信 ； L i n u x ； 电火 花 线切 割加 工 ； 数控 中 图分类 号 T G6 6 1 文献 标 识码 A 文章编 号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 0 0 30 0 1 5 0 3 Bi d i r e c t i o na l Co mmu ni c a t i o n o f S e r i a l a nd Pa r a l l e l Po r t s b e t we e n Si ng l e Chi p M i c r o c o mpu t e r S y s t e m a nd PC o n Li n u x OS i n W EDM NC Fa n Yi m i n， Gu Li n， Ca o Kun， Zh a n g Yo n gx i n， Zh a o W a n s h e n g S h a n g h a i J i a o To n g Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0， C h i n a Abs t r a c t Thi s pa pe r i nt r o d u c e s a me t h od o f i n t e r c o mmu ni c a t i o n u s e d i n hi g h s p e e d wi r e c u t e l e c t r i c a l d i s c h a r g e ma c hi ni n g nu me r i c a l c on t r o l s y s t e m ．The i nt e r c o mm u n i c a t i o n b e t we e n PC b a s e d Li nu x a n d M CU i s r e a l i z e d b y u s i n g b o t h s e r i a l p o r t s a nd p a r a l l e l p o r t s．M e a n whi l e，t h i s p a pe r a l s o g i v e s t h e ha r dwa r e de s i gn f o r b o t h s e r i a l po r t a nd p a r a l l e l p o r t 。 Ke y wo r ds b i d i r e c t i on a l c o m mu ni c a t i o n o f s e r i a l a nd pa r a l l e l p or t s ； l i n u x； W EDM ； NC 当前 ， 往复走丝 电火花线切割机 床面临激烈 的 竞争环境 ， 急需在提高产品加工质量的同时， 合理地 降 低成 本 。而传 统 的基 于各厂 家 自行开 发 的运 动控 制 卡硬 件 系统开 发 成 本 高 ， 专 用 性 强 ， 可 移 植 性 差 。 目前市 场上 往 复走丝 电火 花线 切 割机 床数 控 系统绝 大多数基于 D OS操作系统 ， 但 D OS是单任务操作 系统 ， 非 图形 界 面 ， 在 DO S下 开 发 的数 控 系 统 实 时 性 差 ， 网络功 能弱 ， 功 能有 限 。同 肘 ， 由 于 Wi n d o w s 非 开源 及稳 定性 不够 好 等 特点 ， 基 于 W i n d o w s的数 控 系统 存在 使用 及维 护成 本 高 、 安 全性 差 等问题 ， 增 加 了使 用风 险 。而源 代码 公开 的 L i n u x系统 以其 良 好 的稳 定性 和安 全性 ， 受 到越来 越 多 的关 注和青 睐 。 基于 L i n u x系统平 台开发全软件数 控软件， 在节约 硬件开发成本、 降低系统开发难度及 提高系统稳定 收稿 日期 2 0 1 00 22 2 第一作者简介 范益民， 男， 1 9 8 5年生 ， 硕 士研究生 。 性 等 方 面 比其 他 系统都 有一 定 的优势 。 往复走丝电火花线切割机床数控系统 主要 由 4 个 部分 组成 数 控 系 统 主 机 、 运 动控 制 与 检 测 回路 、 机床 与工 作 台 、 脉 冲 电源及运 丝 系统⋯ 。其 中 ， 数 控 系统 主机 为上 位 机 ， 其 他 部 分 为下 位 机 。 上位 机 与 下位机通信主要分为运动控制信号 步进 电机和走 丝电机 ， 高频电源控制信号 ， 状态检测反馈信号等。 与传统数控系统相 比， 往复走丝电火花线切割机床 数控系统中上下位机通信数据量小 ， 对速度要求不 高 。R S 一 2 3 2串行 接 口具 有 接 口简 单 、 控 制灵 活 、 占 用系统资源少等优点 ， 被广泛应用于工业控制等领 域 。增 强 工 作 模 式 并 口 e n h a n c e d p a r a l l e l p o r t ， E P P 具有较好的兼容性 ， 传输速度快 ， 可支持 3 0 0 k B ／ s的双 向速率 。因 此 ， 基 于 L i n u x平 台 的往 复 走 丝电火花线切割机床数控系统上下位机通信可通过 串 口及 并 口实 现 。 本 文 给出了L i n u x 下P C机与单片机 的R S 一 2 3 2 1 5 电加工与模具 2 0 1 0 年第3 期 设 计 研 究 串口， E P P模式并 口双向通信的设计。该设计可应 用于以 L i n u x系统 P C机 为上位机 ， 5 1 单 片机 为核 心 的下位机 高速走丝 电火 花线切割机床数控系统 中。 1 数控 系统通信结构设计 该电火花线切割机床数控系统硬件结构分为上 位机和下位机两部分。上位机由运行 L i n u x系统的 P C机构成 ， 负 责 人一 机 界 面交互 、 代 码 解 释 、 插 补 运 算、 文件操作、 参数设置、 加工路径模拟等。下位机 以 5 1单片机 为控制核 心 ， 由步进 电机 、 走丝 电机 、 高 频 电源电路、 检测及外围电路构成 ， 主要完成加工轨 迹 控制 、 加 工状 态 和放 电间 隙检 测 等 。根 据 运行 时 通 信数据 量大小 的不 同 ， 数 据量较 大 的运动控 制 步 进 电机和走 丝 电机 和放 电间 隙实 时跟 踪 控 制部 分 与 主机通信使 用并 口 ， 而 高频 电源 和放 电状 态检 测 模块由于数据量较小 ， 使用串 口通信。上下位机之 间的通信结构框图如图 1 所示。 图 1通 信 结 构 框 图 2 R S 一 2 3 2 C串12通信设计 2 ． 1硬件接 口设计 R S - 2 3 2 C接口最大传输速率为 2 0 k b p s ， 线缆最长 为 1 5 I l l 。S T C 8 9 C ． 5 1 R C单片机 有一 个全 双工 的 串行 通讯 口 UA R T， 利用其 R X D和 T X D与外 界进行通 信 ， 其内部有 2个物理上完全独立的接收、 发送缓冲 器 s B U F ， 可同时发送和接收数据 。所以单片机和 P C机之间可方便地进行 串口通讯。P C机下 的标准 R S - 2 3 2 串 行 口， 其 电 平 采 用 的 是 E I A 电 平。 9 C 5 1 R C单片机采用的是 下r L电平， 为了 P C机 与单片机之间能可靠地进行 串行通信， 需要电平转 换H 。我们采用的是 MA XI M 公司生产 的专用芯片 3 2 C P E芯 片进行 转换。MA X 2 3 2 C P E芯片 的 1 1 一 】 6一 引脚 T I l N 和 1 2引脚 R 1 O UT 分别与单片机 的 T X D与 R X D引脚 相接 。电路 图见 图 2 。 图 2 E1 A与 TTL电 平 转 换 电路 2 ． 2上 下位机 软件 开发 每个 Un i x类操作系统中， 都有至少一个设备 文件 管理 串 口。在 L i n u x系 统 中 ， 串 口被 视 为一 个 文件 ， 路径为“ ／ d e v ／ t t y S 0 ” ， “ ／ d e v ／ t t y S 1 ” 。L i n u x下 ， 通过标 准 的系统 调用 o p e n ， c l o s e ， wr i t e ， r e a d 来实现对串口的操作和访 问， 而调用 的实际操作 则由设备的驱动程序实现。在访问串口设备前， 需 初始化端口， 并根据串 口工作状态配置端 口。下面 是 L i n u x系统 QT集成环境下部分程序代码。 v o i d S e r i a l i n i t S e r i a l P o r t ／ *初始化端口 *／ d e f i n e B A UD R A TE B 9 6 0 0 ／ *设 置通 讯 波特 率 *| f d o p e n ” ／ d e v ／ t t y S 0 ” ， O ． R D WR l O N O C T． T Y ； ／ *打开端口 *／ i f f d0 { p e r r o r ” ／ d e v ／ t t y S 0 ” ； e x i t 1 ； } t c g e t a t t r f d ， o l d t i o ； ／ * 配置端 口 *／ b z e r o n e wt i o ， s i z e o f n e wt i o ； n e wt i o ． c ． c f l a g B A UD R A T E I C S 8 l C L O． C AL l C R E A D； w r i t e f d， a r r a yn u mO f S e n d e d ， 1 ； ／ * 写 入数据至端 口 *／ nu mOf Se nd e d ； c l o s e f d ； ／ * 关 闭端 口 * ／ 串 口测试程 序界 面见 图 3 。 设 计 研 究 电加工与模具} 2 0 1 0 年第3 期 图 3 串 口测试程序界面 以 5 l 单 片机 作为 串 口通讯 下位 机 ， 并 设 置异 步 通讯速率为 9 6 0 0 b p s 。上下位机 串行通讯 波特率 设置 必须 一致 。 单 片机 读 写 程 序 较 简单 ， 在 此 不 做 详 细介 绍 。 握手 协 议 ； 利 用 指 定 的 I E E E 1 2 8 4模 式 传 送 数 据 等。并行设备接 口也同样支持 o p e n ， c l o s e ， r e a d ， wr i t e 和 I o 口控制 函数 i o c t l 。部分代码如 下 f d o p e n ” ／ d e v ／ p a r p o r t O ” ， 0 一 R D O NL Y 1 0 一 NO C T TY ； ／ *打 开端 口 *／ i o c t l f d，P PCL AI M ； mo d e I EEE1 2 8 4 一 M ODE EPP； ／ *配 置端 口 ， 设 置 为 E P P工 作模 式 *／ c l o s e f d ；／ * 关 闭端 口 *／ 并 行 通 讯 时 ， 下 位 机 单 片机 软 件 部分 与 串行通 讯 相似 ， 在 此不详 细 介绍 。 3 E P P并 口通信设计 4 测试 与验证 3 ． 1 硬 件接 口设 计 E P P可进行高速的双 向数据传输 ， 并能 区分被 定义的数据和地址信息 。由于能实现快速的方向转 换 ， E P P适用于较小数据块的传输 和经常变换数据 传输 方 向 的 设 备 。E P P 的 基 地 址 通 常 是 3 7 8 h或 2 7 8 h ， 接 口使 用 的地 址 为 3 7 8 h ～3 7 F h或 2 7 8 h ～ 2 7 FhE 。 通 常情 况下 ， 在 P C机 与 单 片 机 之 间 实 现 并 口 通讯 的硬件电路 中， 使用 7 4系列的 2 4 4 ／ 2 4 5 。通过 并 口与单片机中 8 2 C 5 5实现 8 b传输握手信号。并 口与单片机电路原理图如图 4所示。 ● ● D 图 4 P C机与单片机并 E l 硬件连接原理 图 3 ． 2上 下位机 软 件开发 L i n u x下并 口设备文件路径为“ ／ d e v ／ p a r p o r t O ” ． L i n u x下 的并 口驱 动 允 许 检 测 状 态 位 ； 设 置 控 制 位 ； 检 测 及 控 制 数 据 位 ； 等 待 中断 ； 使 用 I E E E 1 2 8 4 为 验 证 系统 的可 行性 ， 上位 机 分 别利 用 串 口及 并 口发 送一 串数 据 ， 下 位 机 读 到 数据 后 立 即 向上位 机发送相 同的数据 。单片机对 收到的数据进行筛 选 ， 当读人字符为‘ ’ 时 ， 单片机控制数码管使其显 示 加 1 ， 以模 拟并 验 证 读 入 数 据数 值 及 数 量 是 否正 确 。经 测试 ， 显示 结 果系 统稳 定运行 ， 验 证 了系统 的 可行性 。测试结 果 如 图 5 、 图 6所 示 。 图 5 上位机发送与接收 的数据 图 6下位单 片机显示模块 下 转第 2 1页 一 1 7 设 计 研 究 电加工与模具} 2 0 1 0年第 3 期 mm， 而相 同条件 下 采 用 W4 0型 的金 刚 石 磨粒 加 工 的孔 径为 1 ． 6 2 2 9 1 T i m。其 表 面对 比图见 图 8 。 图 8 两种磨粒加工的硬质合金表 面 用形貌仪对其进行扫描分析 ， 得 出这两个小孔 的表面形貌情况 图 9 。可 以测出两种不同磨粒加 工 的硬 质 合 金 表 面粗 糙 度 值 Ra分 别 为 1 ． 8 0 5 、 4 ． 2 49 m 。 图 9 两 种 不 l司磨 粒 加 工 的硬 质 合 金 表 面 形 貌 图 试验 结 果 表 明 ， 磨 粒 直 径 越 大 ， 材 料 去 除 率 越 大， 加工材料表 面粗糙度值越大。如 图 1 0所示 ， 磨 粒 在超 声振 荡过 程 中嵌 入 工件 表 面 ， 磨粒 尺寸 增 大 而使表面粗糙度值增大的原因可用磨粒对工件的压 痕深 度来解 释 。压痕 深度 可 写成 d一0 2 ／ 1 q 式 中 d为磨 粒 平均 直径 ； z为 工具 电极 与工件 的间 隙 ； 口为工件与工具 电极硬度的比值。 压痕深度 随磨粒 尺寸增 大而增加 ， 在 每次 压入 过程 中 ， 较大 的磨 粒切 除 的材料也 较 多 ， 在工 件 表面 留下一个凹坑 ， 因此 ， 磨粒愈大表面粗糙度值也 愈大 。 f J 厂 ＼／ 、刀 具 的 平 均 山 ／ ＼ ／ J ～ ＼ ＼ ＼ ／ 一一 个 磨 树T l{ 一 骸 人 上 仟 崖 图 l O磨 粒 加 工 工 件 表 面原 理 图 5 结 束 语 本 文针 对 硬 质合 金 的超声 电火 花 加工 ， 通 过 实 验研 究 了材料 去除 率 、 表面粗 糙度 在超 声 幅值 、 脉 冲 宽度及磨粒大小等参数影响下的变化规律。 实验 结果 表 明 ， 其他 条件 不变 时 ， 在 一定 的范 围 内， 材料去除率和表面粗糙度值随着脉冲宽度、 超声 功率 、 磨粒 的增 大 而增 大 。 参考 文献 [ 1 ] 刘晋春 ， 赵 家齐．特种加工[ M] ． 4版．北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 6． [ 2 ] 曹凤国 ， 张勤俭 ．超硬材料 的特种 加工 技术[ J ] ．新 材料产业 ， 2 0 0 6 1 0 4 75 1 ． [ 3 ] 袁 松梅 ．小型超声电火 花复合加工 系统 的研 究[ D] ．哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 曹明让 ， 杨世 春， 杨胜强 ， 等 ．超声电火花复合加 工速度工艺试 验研究[ J ] ．新技术新工艺 ， 2 0 0 7 3 2 22 3 ． 上接 第 1 7页 5 结束语 针对全 软 件往复 走 丝 电火 花 线切 割机 床数 控系 统对上下位机通信效率要求不高的特点 ， 本文采用 R S - 2 3 2 C 串 口 及 E P P 并 口 为 通 讯 媒 介 ， 实 现 了 L i n u x下 P C机为上位机 和单 片机为核心下位机 的 双向通信。该设计很好地提高了通讯效率 ， 并 明显 降低 了硬 件开 发 的成本 。 参 考文 献 [ 1 ] 张学仁 ， 罗 晶， 韩 秀琴 ．数控 电火花线切割 加工微机 编程控制 一 体化机 床[ M] ．哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] J a n Ax e 1 ．s o n ，并 行端 口大 全 [ M] ．北京 中 国 电力 出版 社 ， 2 0 0 1． [ 3 ] 亢维勋 ， 王伟， 吴成富 ， 等．基于 P C1 0 4和 MC S - 5 1单片机 的串 口通讯 [ J ] ．科学技术与工程 ， 2 0 0 7 ， 7 5 8 3 98 4 4 ． [ 4 ] 李 华．MC S 5 1系列单 片机 实用接 口技术 [ M] ．北 京 北京航 空航天大学 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 5 ] 李 明 ， 袁 焱 ， 扬 煜普 ．L i n u x下 E P P C A N 通 信 的设计 与 实现 [ J ] ．计算机工程 ， 2 0 0 6 2 3 2 3 82 4 0 ． 一 21