摘　要：本文提出了基于89C51/52單片機(jī)的數(shù)控機(jī)床面板智能處理單元，介紹了其工作原理和系統(tǒng)軟硬件，設(shè)計了一種新的軟件消除鍵抖動算法。該處理單元通過標(biāo)準(zhǔn)串口與數(shù)控系統(tǒng)交換信息，已經(jīng)用了三坐標(biāo)數(shù)控銑床手動操作面板的控制，軟硬件均可以可靠工作。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；單片計算機(jī)；串行通信
分類號：TP368.2　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1001-2265(2000)　02-0027-02

89C51/52-based flexible panel adapter for CNC machine tools

Mao Junhong　Zhao Zhongsheng　Li Lichuan

Abstract：A flexible panel adapter for CNC machine tools based on 89C51/52 single-chip computer is presented.The hardware and software of this adapter are described.A new design for noise rejection using state transfer graphs is given.This adapter is interfaced with CNC systems via standard RS232 serial port and has been applied to a 3-axis CNC milling machine tool.

Key words：CNC machine tool;single chip computer;serial communication

1　引言

　　在數(shù)控機(jī)床中，手動操作面板總是必不可少的，其特點(diǎn)是1.有些輸入量是互斥的，不允許誤操作，由機(jī)械的互鎖關(guān)系來保證要求；2.鍵的通/斷用電平觸發(fā)不同狀態(tài)，而不是用沿觸發(fā)不同狀態(tài)；3.允許多個狀態(tài)同時輸入并可靠地做出相應(yīng)的反應(yīng)；4.能對設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行必要的提示，如使用信號燈、發(fā)光二級管或液晶顯示屏?，F(xiàn)有的設(shè)計大多將手動操作面板的輸入/輸出作為開關(guān)量I/O的一部分，統(tǒng)一由一臺內(nèi)置的或外置的可編程控制器(PLC)進(jìn)行控制。數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家根據(jù)自己機(jī)床的工藝特點(diǎn)，購買數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過二次開發(fā)，形成工藝性能和操作互不相同的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品。二次開發(fā)的工作量絕大部分在于開關(guān)量I/O的設(shè)計，而其中又有60%以上的工作是根據(jù)工藝性能與操作設(shè)計手動操作面板［1］。事實上，手動操作面板的輸入/輸出僅僅是控制信號開關(guān)量I/O，對其驅(qū)動能力的要求很低，是一類特殊的數(shù)控機(jī)床開關(guān)量I/O。如果將手動操作面板的輸入/輸出與數(shù)控機(jī)床其它開關(guān)量I/O不加以區(qū)別，會大大增加數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的工作量，數(shù)控機(jī)床手動操作面板無法標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，其經(jīng)濟(jì)性也會受到很大影響。
　　本文提出了一種基于89C51/52單片機(jī)的數(shù)控機(jī)床面板智能處理單元，該處理單元通過標(biāo)準(zhǔn)串口與數(shù)控系統(tǒng)交換信息，可以顯示數(shù)控機(jī)床的基本狀態(tài)和對其進(jìn)行手動操作。該工作是國家863計劃“PC外設(shè)型完備數(shù)字機(jī)床及其關(guān)鍵技術(shù)研究”的一部分研究內(nèi)容，已經(jīng)用于三坐標(biāo)數(shù)控銑床。

2　工作原理

　　89C51/52單片機(jī)具有片內(nèi)ROM、16位計數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)串口［2］。在89C51/52單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控機(jī)床面板智能處理單元中，一般不需要外部擴(kuò)展ROM和RAM，單片機(jī)I/O口的一位對應(yīng)一個輸入/輸出量，若單片機(jī)I/O口不夠，可以進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)以定時中斷檢測輸入，一旦發(fā)現(xiàn)輸入電平變化，就將其對應(yīng)的新狀態(tài)由串口發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。另一方面，數(shù)控系統(tǒng)通過串口將需要顯示的信息發(fā)送給單片機(jī)。由于采用了串行通信，數(shù)控系統(tǒng)與面板智能處理單元的接口是標(biāo)準(zhǔn)的，操作面板的信息處理基本上不占用數(shù)控系統(tǒng)CPU的時間，而且面板智能處理單元本身成為一個標(biāo)準(zhǔn)化模塊。圖1為數(shù)控銑床面板智能處理單元的原理圖。圖中，數(shù)控銑床手動操作面板的輸入/輸出信息大致有以下幾類：

圖1　數(shù)控銑床面板智能處理單元原理圖

　　1)工作方式選擇：手動/自動/回原點(diǎn)
　　2)單步進(jìn)給量選擇
　　3)連續(xù)進(jìn)給速度選擇
　　4)進(jìn)給速度倍率選擇
　　5)進(jìn)給坐標(biāo)選擇
　　6)主軸電機(jī)、泵、電磁離合制動器等的通/斷控制
　　7)急停
　　8)暫停及顯示
　　9)進(jìn)給坐標(biāo)超行程顯示
　　10)故障顯示
　　其中，工作方式、單步進(jìn)給量和連續(xù)進(jìn)給速度等的選擇與進(jìn)給速度倍率選擇分別用轉(zhuǎn)換開關(guān)1和轉(zhuǎn)換開關(guān)2在不同狀態(tài)間切換。同一個轉(zhuǎn)換開關(guān)控制的狀態(tài)具有機(jī)械互鎖，可以避免由于誤操作同時接通兩個或兩個以上具有互鎖關(guān)系的狀態(tài)。圖1中其余的輸入/輸出量均由單片機(jī)的I/O口直接控制，可保證多個狀態(tài)同時可靠地輸入/輸出。

3　系統(tǒng)軟件

　　89C51/52單片機(jī)數(shù)控機(jī)床面板智能處理單元上電復(fù)位初始化后，進(jìn)入中斷工作狀態(tài)，允許定時中斷和串行中斷。在定時中斷中，將檢測輸入狀態(tài)有無變化，并將變化了的輸入狀態(tài)由串口發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)需要由手動操作面板顯示的信息從串口發(fā)送給單片機(jī)，并由單片機(jī)串行中斷服務(wù)程序作出相應(yīng)的處理，其程序框圖如圖2所示，其中圖2(a)為主程序框圖，圖2(b)為定時中斷服務(wù)程序框圖，圖2(c)為串行中斷服務(wù)程序框圖。

圖2　程序框圖

　　單片機(jī)上電復(fù)位及初始化可以在極短的時間內(nèi)完成，而數(shù)控系統(tǒng)的初始化則需要較長的時間。在數(shù)控系統(tǒng)的初始化沒有完成時，串行通信無法工作，因此單片機(jī)的主程序在完成初始化后，要等待數(shù)控系統(tǒng)從串口發(fā)送“READY”信號，并在接收到“READY”信號后開始對操作面板的輸入/輸出進(jìn)行控制。
　　在定時中斷服務(wù)程序中，逐一檢查每個鍵的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)某一個鍵的狀態(tài)發(fā)生變化，便將新的狀態(tài)從串口發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng)，同時退出中斷服務(wù)程序，否則，在檢查完所有鍵后退出中斷服務(wù)程序。為了檢測鍵狀態(tài)的變化，必須將鍵原先的狀態(tài)存放在內(nèi)存中，用00H表示鍵處于接通狀態(tài)，F(xiàn)FH表示鍵處于斷開狀態(tài)。當(dāng)讀到某個鍵處于接通狀態(tài)時，先判斷其內(nèi)存中的值是?80H還是＜80H，若內(nèi)存中值?80H，說明鍵原來處于斷開狀態(tài)，將其減1后若?FCH，則存入內(nèi)存，若＜FCH，則表明連續(xù)3次讀入鍵接通，即鍵的狀態(tài)由斷開變?yōu)榻油?，將?nèi)存清為00H(接通狀態(tài))；若內(nèi)存中的值＜80H，說明鍵原來處于接通狀態(tài)，鍵的狀態(tài)沒有改變，將內(nèi)存清為00H(由于有各種擾動，內(nèi)存中可能是一個＜03H的數(shù))。當(dāng)讀到某個鍵處于斷開狀態(tài)時，仍先判斷其內(nèi)存中的值是?80H還是＜80H，若內(nèi)存中的值?80H，說明鍵原來處于斷開狀態(tài)，鍵的狀態(tài)沒有改變，將內(nèi)存置為FFH(由于有各種擾動，內(nèi)存中可能是一個?FCH的數(shù))；若內(nèi)存中的值＜80H，說明鍵原來處于接通狀態(tài)，將其加1后若＜04H，則存入內(nèi)存，若?04H，則表明連續(xù)3次讀入鍵斷開，即鍵的狀態(tài)由接通變?yōu)閿嚅_，將內(nèi)存置為FFH(接通狀態(tài))。這樣可以有效避免由于鍵抖動和其它干擾造成的誤判斷。這些過程可以準(zhǔn)確地用圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移來加以描述。

圖3　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4　結(jié)論

　　本文提出了一種新的基于89C51/52單片機(jī)數(shù)控機(jī)床面板智能處理單元，從理論分析和實際應(yīng)用可以得到以下結(jié)論：
　　(1)面板智能處理單元滿足數(shù)控機(jī)床手動操作面板的功能需求，軟硬件設(shè)計合理，可靠性高；
　　(2)利用串行通信，使手動操作面板成為一個接口簡單并且標(biāo)準(zhǔn)的模塊；
　　(3)本文提出了一種軟件消除鍵抖動的算法，該算法具有可靠和簡單等優(yōu)點(diǎn)；
　　(4)面板智能處理單元具有很好的擴(kuò)展性，可以十分方便地擴(kuò)展單點(diǎn)輸入/輸出口，還可以帶動數(shù)碼或液晶顯示。