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_百

设计・研究　《电加工与模具）２０１０年第３期　基于Ｌｉｎｕｘ的电火花线切割机床数控系统中　ＰＣ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２００２４０）　摘要：介绍了基于Ｌｉｎｕｘ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ＲＳ一２３２串口和ＥＰＰ模式并口在Ｌｉｎｕｘ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；Ｌｉｎｕｘ；电火花线切割加工；数控　中图分类号：ＴＧ６６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—２７９Ｘ（２０１０）０３—００１５—０３　Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｐｏｒｔｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｈｉｐ　Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＰＣ　ｏｎ　Ｌｉｎｕｘ　ＯＳ　ｉｎ　ＷＥＤＭ　ＮＣ　Ｆａｎ　Ｙｉｍｉｎ，Ｇｕ　Ｌｉｎ，Ｃａｏ　Ｋｕｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｙｏｎｇｘｉｎ，Ｚｈａｏ　Ｗａｎｓｈｅｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｗｉｒｅ　ｃｕｔ　ｅｌｅｃ—　ｔｒｉｃａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＰＣ　ｂａｓｅｄ　Ｌｉｎｕｘ　ａｎｄ　ＭＣＵ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｂｏｔｈ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔｓ　ａｎｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｐｏｒｔｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｂｏｔｈ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｐｏｒｔ。　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｐｏｒｔｓ；ｌｉｎｕｘ；ＷＥＤＭ；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　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　大多数基于ＤＯＳ操作系统，但ＤＯＳ是单任务操作　系统，非图形界面，在ＤＯＳ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Ｗｉｎｄｏｗｓ　非开源及稳定性不够好等特点，基于Ｗｉｎｄｏｗｓ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Ｌｉｎｕｘ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。　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。ＲＳ一２３２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（ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｐｏｒｔ，　基于Ｌｉｎｕｘ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：２０１０—０２—２２　ＥＰＰ）具有较好的兼容性，传输速度快，可支持３００　ｋＢ／ｓ的双向速率。因此，基于Ｌｉｎｕｘ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。　第一作者简介：范益民，男，１９８５年生，硕士研究生。　本文给出了Ｌｉｎｕｘ下ＰＣ机与单片机的ＲＳ一２３２　—１　５—　

《电加工与模具）２０１０年第３期　串口，ＥＰＰ模式并口双向通信的设计。该设计可应　用于以Ｌｉｎｕｘ系统ＰＣ机为上位机，５１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。　设计・研究　引脚（ＴＩｌＮ）和１２引脚（Ｒ１ＯＵＴ）分别与单片机的　ＴＸＤ与ＲＸＤ引脚相接。电路图见图２。　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Ｌｉｎｕｘ系统的　ＰＣ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５１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　ＲＳ一２３２Ｃ串１２通信设计　２．１硬件接口设计　ＲＳ－２３２Ｃ接口最大传输速率为２０　ｋｂｐｓ，线缆最长　为１５　Ｉｌｌ。ＳＴＣ８９Ｃ．５１ＲＣ单片机有一个全双工的串行　通讯口ＵＡＲＴ，利用其ＲＸＤ和ＴＸＤ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ｓＢＵＦ，可同时发送和接收数据　。所以单片机和　ＰＣ机之间可方便地进行串口通讯。ＰＣ机下的标准　ＲＳ－２３２串行口，其电平采用的是ＥＩＡ电平。　９Ｃ５１ＲＣ单片机采用的是下ｒＬ电平，为了ＰＣ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ＭＡＸＩＭ公司生产的专用芯片　３２ＣＰＥ芯片进行转换。ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片的１１　一】６一　图２　Ｅ１Ａ与ＴＴＬ电平转换电路　２．２上下位机软件开发　每个Ｕｎｉｘ类操作系统中，都有至少一个设备　文件管理串口。在Ｌｉｎｕｘ系统中，串口被视为一个　文件，路径为“／ｄｅｖ／ｔｔｙＳ０”，“／ｄｅｖ／ｔｔｙＳ１”。Ｌｉｎｕｘ下，　通过标准的系统调用ｏｐｅｎ（），ｃｌｏｓｅ（），ｗｒｉｔｅ（），ｒｅａｄ　（）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Ｌｉｎｕｘ系统ＱＴ集成环境下部分程序代码。　ｖｏｉｄ　Ｓｅｒｉａｌ：：ｉｎｉｔＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ（）　／＊初始化端口＊／　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＢＡＵＤＲＡＴＥ　Ｂ９６００／＊设置通讯波特　率＊｜　ｆｄ＝ｏｐｅｎ（”／ｄｅｖ／ｔｔｙＳ０”，Ｏ．ＲＤＷＲ　ｌ　Ｏ—ＮＯＣＴ．　ＴＹ）；／＊打开端口＊／　ｉｆ（ｆｄ＜０）　｛　ｐｅｒｒｏｒ（”／ｄｅｖ／ｔｔｙＳ０”）；　ｅｘｉｔ（１）；　｝　ｔｃｇｅｔａｔｔｒ（ｆｄ，＆ｏｌｄｔｉｏ）；／＊配置端口＊／　ｂｚｅｒｏ（＆ｎｅｗｔｉｏ，ｓｉｚｅｏｆ（ｎｅｗｔｉｏ））；　ｎｅｗｔｉｏ．ｃ．ｃｆｌａｇ＝ＢＡＵＤＲＡＴＥ　Ｉ　ＣＳ８　ｌ　ＣＬＯ．　ＣＡＬ　ｌ　ＣＲＥＡＤ；　ｗｒｉｔｅ（ｆｄ，（ａｒｒａｙ＋ｎｕｍＯｆＳｅｎｄｅｄ），１）；／＊写　入数据至端口＊／　ｎｕｍＯｆＳｅｎｄｅｄ＋＋；　ｃｌｏｓｅ（ｆｄ）；／＊关闭端口＊／　串口测试程序界面见图３。　

设计・研究　图３　串口测试程序界面　以５ｌ单片机作为串口通讯下位机，并设置异步　通讯速率为９　６００　ｂｐｓ。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。　３　ＥＰＰ并口通信设计　３．１硬件接口设计　ＥＰＰ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，ＥＰＰ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。ＥＰＰ的基地址通常是３７８　ｈ或　２７８　ｈ，接口使用的地址为３７８　ｈ～３７　Ｆｈ或２７８　ｈ～　２７　ＦｈＥ　。　通常情况下，在ＰＣ机与单片机之间实现并口　通讯的硬件电路中，使用７４系列的２４４／２４５。通过　并口与单片机中８２Ｃ５５实现８ｂ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　ＰＣ机与单片机并Ｅｌ硬件连接原理图　３．２上下位机软件开发　Ｌｉｎｕｘ下并口设备文件路径为“／ｄｅｖ／ｐａｒｐｏｒｔＯ”．　Ｌｉｎｕｘ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ＩＥＥＥ１２８４　《电加工与模具｝２０１０年第３期　握手协议；利用指定的ＩＥＥＥ　１２８４模式传送数据　等。并行设备接口也同样支持ｏｐｅｎ（），ｃｌｏｓｅ（），ｒｅａｄ　（），ｗｒｉｔｅ（）和Ｉｏ口控制函数ｉｏｃｔｌ（）。部分代码如　下：　ｆｄ＝ｏｐｅｎ（”／ｄｅｖ／ｐａｒｐｏｒｔＯ”，０一ＲＤＯＮＬＹ　１　０一　ＮＯＣＴＴＹ）；／＊打开端口＊／　ｉｏｃｔｌ（ｆｄ，ＰＰＣＬＡＩＭ）；　ｍｏｄｅ＝ＩＥＥＥ１２８４一ＭＯＤＥ—ＥＰＰ；　／＊配置端口，设置为ＥＰＰ工作模式＊／　ｃｌｏｓｅ（ｆｄ）；／＊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。　４　测试与验证　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２１页）　一１７—　

设计・研究　ｍｍ，而相同条件下采用Ｗ４０型的金刚石磨粒加工　的孔径为１．６２２　９　１Ｔｉｍ。其表面对比图见图８。　《电加工与模具｝２０１０年第３期　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　图８两种磨粒加工的硬质合金表面　山　／　＼　厂＼／Ｊ　～＼＼　磨　／、刀具的平均　一一　＼／　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１．８０５、４．　２４９　ｍ。　个　Ｔ　树：｛　一骸人上仟　崖　ｌ图ｌＯ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：　图９　两种不ｌ司磨粒加工的硬质合金表面形貌图　［１］刘晋春，赵家齐．特种加工［Ｍ］．４版．北京：机械工业出版社，　１９９６．　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１０所示，磨　粒在超声振荡过程中嵌入工件表面，磨粒尺寸增大　［２］曹凤国，张勤俭．超硬材料的特种加工技术［Ｊ］．新材料产业，　２００６（１０）：４７—５１．　［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，２０００．　［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，２００７（３）：２２—２３．　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一０２）／（１＋ｑ）　（上接第１７页）　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　一５　结束语　针对全软件往复走丝电火花线切割机床数控系　体化机床［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００７．　［２］Ｊａｎ　Ａｘｅ１ｓ．ｏｎ，并行端口大全［Ｍ］．北京：中国电力出版社，　２００１．　统对上下位机通信效率要求不高的特点，本文采用　ＲＳ－２３２Ｃ串口及ＥＰＰ并口为通讯媒介，实现了　［３］亢维勋，王伟，吴成富，等．基于ＰＣ１０４和ＭＣＳ－５１单片机的串　口通讯［Ｊ］．科学技术与工程，２００７，７（５）：８３９—８４４．　［４］李华．ＭＣＳ・５１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，１９９３．　［５］李明，袁焱，扬煜普．Ｌｉｎｕｘ下ＥＰＰ—ＣＡＮ通信的设计与实现　［Ｊ］．计算机工程，２００６（２３）：２３８—２４０．　Ｌｉｎｕｘ下ＰＣ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。　一２１—