基于PC的开放式数控系统的步进电机控制卡的研制与开发
摘要
本文在分析国内外开放式数控系统及其运动控制器的发展现状和趋势基础上，采用新型微处理器和集成电路来设计开放式数控系统的运动控制器。在系统硬件电路的开发中，突破了RS232串行通信标准的限制，实现了高速串行通信；采用了可编程集成电路来控制的脉冲分频输出，节省了CPU的资源；并设计了信号转换电路和系统抗干扰电路。在系统软件开发中，我们大胆地将Windows系统的消息驱动思想运用于单片机程序的开发中，实现了系统软件的模块化设计。本项目的开展，对开放式数控系统的运动控制器做出了有益探索。
第一章首先介绍了数控技术的发展趋势，研究了开放式数控系统的概念及通用模型，在此基础上介绍了几种常见的开放式数控系统体系结构，提出数控系统的开放方式，最后给出本文的研究内容和结构安排。
第二章对项目任务进行分析，确定了设计原则。通过对步进电机运动控制器开发所涉及到的关键技术的分析、研究、比较和论证，确定了系统开发所采用的技术实施方案。最后根据项目任务、设计原则、技术实施方案，提出了步进电机运动控制器的总体结构，并简要介绍了系统中主要模块的作用。
第三章主要围绕系统硬件部分的开发进行阐述，重点对运动控制器的脉冲分频电路、RS-232通信接口电路、数模(D／A)转换电路、V／I转换电路、开关信号输入电路、系统抗干扰电路等进行设计和分析。
第四章主要介绍系统的软件设计，将Windows软件编程的消息驱动思想应用于单片机程序开发。详细阐述了消息驱动的基本原理，然后根据该思想设计出系统软件。提出了系统控制软件的总体架构，对其中的自动加工、手动加工和高速串行通信的实现进行了详细介绍，研究了软件抗干扰技术。
第五章主要介绍项目开发所得步进电机控制器的系统结构和功能模块配置，并给出系统测试内容和测试结果。
第六章对全文工作进行总结和展望。
Base on the analyzing the development status and trend of Open-architecture NC system and its motion controller, this article uses new MCU and IC to design the motion controller of Open-architecture NC system which is based on PC. In the course of the hardware designing, we break the limits of RS232 standard, achieve the goal of high speed serial communication. The pulse is programmable so CPU have more time to do other jobs. We also scheme out the signal conversion circuit and the new system anti-interference circuit. We modularize the softerware with the message drive programming idea that usually applies in Windows programming.
Chapter one: Firstly, summarizes the development status of NC techenology. Then bring up the conception of Open-architecture NC system and its general module. By introducing some familiar architecture. Finally, the content and configuration arrangement of this dissertation was gived.
Chapter two: Confirms the designing principle through analyzing the assignment of this item; then studying, analyzing, comparing the pivotal technology of motion controller and Ascertaining the technology actualization scheme of system designing;
Chapter three: design the hardware system of motion controller, lays stress on analyzing the pulse output circuit, serial communication interface circuit, D/A conversion circuit, V/I conversion circuit, swich input circuit and the anti-interference circuit.
Chapter four: confirm the general architecture of software. Detailedly expounds the basic theory of the message drive. Discusse the module of auto process and the high speed serial communication in detail.
Chapter five: introduces the structure and functional module arranging of the motion controller, and gives the process and result of system test.
Chapter six: summarizes the work of this dissertation and puts forward the future research work.
第一章首先介绍了数控技术的发展趋势，研究了开放式数控系统的概念及通用模型，在此基础上介绍了几种常见的开放式数控系统体系结构，提出数控系统的开放方式，最后给出本文的研究内容和结构安排。
第二章对项目任务进行分析，确定了设计原则。通过对步进电机运动控制器开发所涉及到的关键技术的分析、研究、比较和论证，确定了系统开发所采用的技术实施方案。最后根据项目任务、设计原则、技术实施方案，提出了步进电机运动控制器的总体结构，并简要介绍了系统中主要模块的作用。
第三章主要围绕系统硬件部分的开发进行阐述，重点对运动控制器的脉冲分频电路、RS-232通信接口电路、数模(D／A)转换电路、V／I转换电路、开关信号输入电路、系统抗干扰电路等进行设计和分析。
第四章主要介绍系统的软件设计，将Windows软件编程的消息驱动思想应用于单片机程序开发。详细阐述了消息驱动的基本原理，然后根据该思想设计出系统软件。提出了系统控制软件的总体架构，对其中的自动加工、手动加工和高速串行通信的实现进行了详细介绍，研究了软件抗干扰技术。
第五章主要介绍项目开发所得步进电机控制器的系统结构和功能模块配置，并给出系统测试内容和测试结果。
第六章对全文工作进行总结和展望。
Base on the analyzing the development status and trend of Open-architecture NC system and its motion controller, this article uses new MCU and IC to design the motion controller of Open-architecture NC system which is based on PC. In the course of the hardware designing, we break the limits of RS232 standard, achieve the goal of high speed serial communication. The pulse is programmable so CPU have more time to do other jobs. We also scheme out the signal conversion circuit and the new system anti-interference circuit. We modularize the softerware with the message drive programming idea that usually applies in Windows programming.
Chapter one: Firstly, summarizes the development status of NC techenology. Then bring up the conception of Open-architecture NC system and its general module. By introducing some familiar architecture. Finally, the content and configuration arrangement of this dissertation was gived.
Chapter two: Confirms the designing principle through analyzing the assignment of this item; then studying, analyzing, comparing the pivotal technology of motion controller and Ascertaining the technology actualization scheme of system designing;
Chapter three: design the hardware system of motion controller, lays stress on analyzing the pulse output circuit, serial communication interface circuit, D/A conversion circuit, V/I conversion circuit, swich input circuit and the anti-interference circuit.
Chapter four: confirm the general architecture of software. Detailedly expounds the basic theory of the message drive. Discusse the module of auto process and the high speed serial communication in detail.
Chapter five: introduces the structure and functional module arranging of the motion controller, and gives the process and result of system test.
Chapter six: summarizes the work of this dissertation and puts forward the future research work.
引文
[1] 李宏胜．现代数控系统的技术特点与发展趋势．制造业自动化，2002(11)，p1～2，6．
[2] 文广，马宏伟．数控技术的现状及发展趋势．机械工程师，2003(1)，p9～12．
[3] 陈吉红．开放式网络化数控技术及其发展趋势．机械工人：冷加工，2002(6)，p13～15．
[4] 杨东勇，蒋静坪．新一代智能数控的研究现状与发展．组合机床与自动化加工技术，2001(7)，p51～55．
[5] 黄玉龙，杨建武．网络制造与开放式数控技术．制造业自动化，2002(10)，p8～10，25．
[6] G.Prischow, C.Danirl, G.Jngghans, W.Speling, open System Controllers-A Challenge for the Future of the Machine Tools Industry, Annals of the CIRP, 1993, Vol.42, No.1.
[7] 姚习武等．开放式数控系统的发展与趋势．华中理工大学，数控技术发展动向，1998．9，p1～15．
[8] 游有鹏等．开放式数控系统—新一代NC的主流．航空制造技术，1999(5)，p35～37，49．
[9] 洪钟洲．开放式数控系统—新一代NC的主流．机电一体化，1997(4)，p6～8．
[10] 陆志强等．开放式数控系统体系结构的研究．机电一体化，1994(4)，p7～9．
[11] 朴英锡等．综观开放式数控系统．磨床与磨削，1998(4)，p14～15．
[12] 王正兵．开放式体系结构—数控系统发展的潮流．制造技术与机床，2002(1)，p42．
[13] 梁建刚等．基于工业PC机的开放式数控系统．机电一体化，1997(5)，p17～19．
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[18] Gunter PritschoW, A Self-Tunning Controller for Digitally Controlled Electromechanical Servo Drives in MaChine ToolS, AnnalS of the CIRP Vol.48 NO. 1 : 1999, p307～312.
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[20] 富历新等．基于ASIC的四轴步进电机运动控制器．微特电机，1998(4)，p35～36．
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[24] 孙志刚等．基于80C196KC的交流伺服电机控制卡的开发与应用．机械与电子，1999(3)，p22～23．
[25] 唐义良等．基于PSD技术的控制器两片硬件设计．测控技术，1999(3)，p48～50．
[26] 齐宝华等．一种基于DSP的机器人控制器．电子技术应用，1996(2)，p10～12．
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[28] 王毓银．脉冲与数字电路．北京：高等教育出版社，1984．
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[32] 王晓明．电动机的单片机控制．北京：北京航天航空大学出版社，2002．
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[58] Dong-Il Kim, Sungkwun Kim. Performance evaluation of software acceleration and deceleration algorithms in machining and contouring. Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation, 1992. 'Power Electronics and Motion Control', Proceedings of the 1992 International Conference, 9-13 Nov 1992,vol.3,P1263～1269.
[59] Dong-Il Kim, Jin-Il Song, Sungkwun Kim. Dependence of machining accuracy on acceleration/deceleration and interpolation methods in CNC machine tools. Industry Applications Society Annual Meeting, 1994. Conference Record of the 1994IEEE, 2-6 Oct,1994,vol.3, p1898～1905.
[60] Jae Wook Jeon, Yun-Ki Kim. FPGA based acceleration and deceleration circuit for industrial robots and CNC machine tools. Mechatronics,12 (2002),p 635～642.
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[62] 周修理，陈萍等．常见的串行通讯接口标准．电测与仪表，2001(4)，p33～35．
[63] 李华．单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[64] 何立民．单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1990．
[65] 阎石．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，1997．
[66] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001．
[67] 马共立．MCS-51单片机实用子程序库．上海：复旦大学出版社，1989．
[68] 黄银园．基于消息驱动的光栅扫描雷达显示器软件设计．现代雷达，2000，22(2)，p23～26．
[69] 张宇．消息驱动的Windows DSP软件．计算机应用研究，1999,16(1)，p53～55．
[70] 张波．消息驱动思想在单片机定时体系中的应用．武汉大学学报，1998，44(1)，p130～132
[71] 杨亮．Windows消息驱动机制中的核心技术分析．计算机应用研究，1997，14(5)，p12～14．
[72] Charls Petzold．Windows程序设计．北京：北京大学出版社，1999．
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[72] Charls Petzold．Windows程序设计．北京：北京大学出版社，1999．
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