基于SoC技術的雕刻機的設計

王 彥，張 輝，方 明

(武漢鐵路職業技術學院，湖北 武漢 430205)

隨著現代技術的發展進步，運動控制技術取得了巨大的成就，被認為是21世紀最有發展潛力的技術之一。運動控制器作為數控系統的核心運算單元，具有舉足輕重的地位。但縱觀所有市場，幾乎所有的產品都定位于工控領域，在低成本的民用領域卻很少涉及。針對低端運動控制器的市場應用前景，本文主要應用SoC技術，采用SLAB公司最新推出的高性能混合信號處理器C8051F120，設計出基于SoC技術的運動控制器，從而實現低成本的大規模生產。

1 雕刻數控系統的一般構成

雕刻機的數控系統是指一種能夠裝載數控程序文件并能夠自動控制機床進行加工的控制系統。其工作原理：用計算機編制數控加工程序(或畫出需要雕刻的圖形)，通過存儲介質傳輸給運動控制模塊，運動控制模塊將NC程序解釋成特定的加工路徑數據，并通過查補和速度控制算法產生控制步進電機或伺服電機(本文采用步進電機)，控制X、Y、Z等軸的進給，對工件進行加工。結合雕刻機，運動控制模塊的工作流程示意圖如圖1所示。

2 基于C8051F120的運動控制系統

本設計采用SLAB公司最新推出的混合信號處理器C8051F120作為核心控制器，在滿足插補速度的同時，成本相對較低，但沒有涉及到多軸插補，一般應用在只需要低速度點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合。

2.1 C8051F120芯片簡介

C8051F120器件是完全集成混合信號的片上系統型MCU芯片，具有100個I/O引腳，其內部采用高速、流水線結構、與8051兼容的CIP-51內核，運行速度可達100 MIPS[1]；采用全速、非入侵式的系統片內調試接口，極大地方便了系統的調試；其16×16的MAC單元可以提供強大的數據處理能力；128 KB的片上Flash和8 KB的片內數據存儲器，為大容量的數據存儲提供了空間[2]。其結構示意圖如圖2所示。

2.2 C8051F120中直線插補的實現

C8051F120是實現數控過程中運算的關鍵，全部運算均由其完成。當采用逐點比較法實現直線插補時，每走一步都需要4個節拍[3]。其實現步驟如下：

(1)誤差判別。判別偏差函數F的正負，確定工作點相對于規定曲線的位置。

(2)坐標進給。根據偏差情況，控制X或Y坐標進給一步，使工作點向規定的曲線靠攏。

(3)偏差計算。進給一步后，計算工作點與規定曲線的新偏差，作為下一步偏差判別的依據。

(4)終點判別。判斷終點是否到達，如果未到達終點，繼續插補；如果已經到達終點，則停止插補。

4個象限內的直線插補如圖3所示。

3 C8051F120中軟件的實現

C8051F120具有雙周期的16×16 MAC單元，其100 MIPS強大的數據吞吐能力為逐點比較法實現直線插補提供了強有力的支持[4]。只需先將坐標絕對化，同時記錄象限值，偏差判斷后決定進給量即可方便地實現直線插補。

3.1 直線插補程序流程

軟件實現直線插補的流程圖如圖4所示。

3.2 直線插補的C語言實現

為了提高C8051F120的運行效率，系統的數控軟件部分主要采用C語言編寫。方法如下：

本文在吸收消化國內外先進產品的經驗后，采用低成本的器件開發出極低成本、性能優良的運動控制模塊，能夠滿足廣泛的刻章機、點膠機等小型數控系統的需要，并可以繼續開發出高端運動控制器才有的脫機功能，具有廣泛的推廣價值和使用價值。

[1]潘琢金.C8051F120/1/2 ISP Flash微控制器數據手冊.REV 1.5.新華龍電子有限公司，2004.

[2]張迎新，雷文，姚靜波.C8051F系列SOC單片機原理及應用[M].北京：國防工業出版社，2005.

[3]任玉田，焦振學.機床計算機數控技術[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

[4]潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051F單片機應用解析[M].Cygnol Integrated Products Inc.，2002.