基于80C196KC的激光雕刻机控制系统研制

　　激光雕刻机是综合应用计算机、机械、电子、激光等技术的机电一体化设备，主要用于纸箱印版、木板、橡胶、有机玻璃、皮革、纺织品等非金属材料的加工。

　　2003年我校研制了基于16位单片机80C196KC的二维激光雕刻机，利用16位单片机的有效资源，实现了对雕刻机的高速、精确控制，机床性能达到国内同类产品先进水平，获得用户好评。本文介绍机床控制系统研制方案。

　　1激光雕刻机工作原理及控制系统构成1.1工作原理首先采用雕刻处理软件对图形、文字进行路径描述，形成HPGL格式的数据文件，然后通过相关程序读取数据文件，进行插补运算，从而实现X、Y轴的步进电动机联动。利用激光与加工介质相互作用产生的特殊效果（汽化和烧蚀）来实现雕刻加工。控制系统按照给定的方式和加工轨迹以及激光控制变量来控制激光的开/断，驱动X、Y向步进电动机带动激光头，最终加工出预定的图形或文字。

　　1.控制系统构成系统采用顶TEL16位单片机80C196KC作为控制核心。运用80C196KC高速运算处理能力，通过读取加工数据文件，数学处理后来实现X、Y向步进电动机的运动和激光开/断的控制，从而完成雕刻加工工作。80C196KC通过串行通讯接口芯片MAX232与上位机进行信息交换。控制系统的构成如所示。

　　系统硬件电路设计设计控制系统硬件电路的指导思想是，充分利用80C196KC指令功能丰富、运算速度快、接口简单、控制精度高、功能强大、价格便宜等特点。系统电气原理制诰技术与机床如所示。

　　2.1存储器扩展电路的研究与设计实行统一编址的普林斯顿结构，所以要对程序存储器ROM、片内外数据存储器RAM和外部I/O设备进行统一编址。系统上电复位后，80C196KC从2080H单元开始执行程序，因此2080H之前的地址空间是不能被程序占用的，一般舍弃不用。通常2000H~5FFFH单元分配给程序存储器，6000H~FFFFH之间的单元分配给片外数据存储器和外部I/O设备。在本控制系统设计时，在综合分析比较几种方案后，从结构简单工作可靠观点出发，最终选用可编程逻辑器件GAL16V8作为地址译码器的方案。控制系统地址空间的分配为：2000H~5FFFH给ROM；6000H~CFFFH给RAM；6800H~6FFFH给DAC0832转换器。由于80C196KC本身512B的RAM远不能满足雕刻机处理大量数据的要求，所以需要扩展片外数据存储器RAM.根据实际要求，需扩展512kB数据存储器。80C196KC分配给片外RAM的地址空间是32kB，远远不够。采用对RAM页面寻址的方法，解决了此问题。所谓“页面”是指按一定大小将存储器分块；对各块进行存取操作时，采用其他的地址线（一般是高位部分）或其他I/O口予以区分。本系统采用的HM628512芯片是512kB的数据存储器，因此要将512kB的存储空间分为16块，每一块为一页。各个存储块的选通地址称为“页面地址”，只要改变页面地址即可以对不同的存储块进行读写操作。中，利用P1口的高3位和P2.6组合作为RAM的页面选择信号。表1是片外RAM的地址空间分配表。

　　表1片外RAM地址空间分配页面逻辑地址物理地址2.2步进电动机输出控制电路口作为输出控制口。由于P1口是双向I/O口且具有第二功能，对P1口的操作时要先对P1REG寄存器和方向寄存器P1-DIR以及模式寄存器P1MODE进行初始化，定义P1口为标准I/O口方式。其原理是：以动点形成轮廓线的走向作为轮廓的正方向，以切线和X轴的交角作为分类依据将轮廓线从=0开始间隔45分成8类，如所示，共分为8种走步方式，4种直线走步和4种45斜线走步。偏差判别的方法是先检查直线走步后，在沿直线走步的垂直方向偏离是否超过半步；没有超过半步就选用直线走步；超过半步就选用45斜线走步。

　　控制系统主程序流程图如所示，首先对系统进行初始化，预置单片机的相应端口和检测位。然后程序调用键盘扫描子程序，主程序循环扫描键盘，当有键按下时，执行相应的服务子程序。先后按下“开始”

　　和“确认”键后，上下位机进行握手通信。下位机接收到数据后进行插补运算向X、Y向步进电动机发送进给脉冲、方向脉冲以及激光控制变量，从而完成雕刻加工。

　　4.3中断服务程序口在相应的程序控制下可以控制多台步进电动机协调作业。激光雕刻机需要2台步进电动机，且要求既可以实现同方向旋转，又可以实现反方向旋转。为实现步进电动机的较精确的位置控制，采用定时中断（软件定时）的方式实现对P1口的操作。

　　对每一种步进电动机的走步方式，在插补完成后都会进入定时中断服务程序。定时中断服务程序框图如所示。

　　5结语运算处理能力作为雕刻机控制系统的下位机，不但可以实现复杂的控制功能，而且硬件电路设计比较简单。

　　本控制系统扩展了512kB的RAM，雕刻机可以实现高速脱机运行。系统上位PC机采用VC编程，下位单片机采用C语言编程，软件移植性好。本机在实际应用中，可以分别进行勾边、清扫、位图加工；在加工小字时可以实现360全面光滑斜坡功能。产品己进入市场销售阶段。