基于PC并口的激光雕刻机控制系统的研究设计

　　激光雕刻机是近年来发展起来的一种典型的光、机、电一体化产品，并已广泛应用于广告制作及包装等行业。目前，国内市场上有许多进口的该类产品，但价格偏高。本文介绍基于PC机并口的激光雕刻机控制系统。利用计算机并口进行控制不仅成本较低、实现较简单，而且数据传输高效、可靠，另外，还能够配合VC等面向对象编程语言编制操作界面，实现良好的人机交互。因此，利用计算机并行接口控制激光雕刻机不失为一种良好的方案。

　　1并口系统资源及控制硬件电路设计1.1并行接口系统资源计算机并行接口最初是为连接打印机而设计的，但是发展到今天，并口的应用已大大超过原来的设计。几乎所有的计算机外设都可以通过并口连接到计算机上。近年来出现的ECP并口还可以用于数据传输速度要求较高的控制系统中。一般的并口在硬件上包含数据寄存器（DATA口）、状态寄存器（STATUS口）和控制寄存器（CONTROL口）。DATA口由一个缓冲器和一个锁存器组成。其默认模式为单向输出，用户也可以根据需要将其配置成双向接口模式，配置工作可以由软件操作，也可以在系统启动后出现的CMOS配置界面上完成。将并行接口配置成双向模式后就可以通过将接口控制寄存器的第5位置1（输入）或清0（输出）来实现输入输出的变化。并行接口适配器的CONTROL口一般用于产生对外部设备的控制信号，同时也可以读取外部数据，因为它的所有信号的输出驱动电路都是带有上拉电阻的集电极开路电路。通过STATUS口的各种信号，并行接口适配器可以很方便地读取与之相连的外设的状态。

　　实现并行接口访问的软件方法很多，但是归根结底都是要进行端口寄存器的读写操作。在众多访问方法中直接对接口寄存器的读写操作能使用户对并行接口信号进行最全面的控制。并且在并行接口的EPP和ECP模即使是最简单的端口读写操作也会自动产生握手联络信号。要直接向端口写入数据，首先需要指定某一端口寄存器和要写入的数据，再指示CPU将数据写入相应的端口。直接从端口读取数据时，首先也要指定端口寄存器和用来存放所得数据的存放位置。在并行接口访问时有一点值得注意的是STATUS口是不完整的。另外，在它们的端口中有许多信号和输出连接器之间连接了反向器。这一点与DATA口情况不同。

　　对并口的编程基本上类似于一般应用程序的编制，可以选用汇编语言、C、VC、VB、Delphi等语言。需要特别注意的问题是：实现端口通信功能的代码应该放在何处；以及如何尽可能迅速地传输数据。

　　一般的控制端口的代码可以直接包含在应用程序中，也可以单独编写一个程序，并把它作为DOS设备驱动程序或驻留程序（TSR）进行汇编和编译。这两种方法经过一些改动即可放置到Windows系统下。另外，在Windows系统本身还可以选择将程序代码放入动态连接库（DLL）或虚拟设备驱动程序（VxD）中。

　　对于由单独的应用程序访问端口，并对其进行简单读写操作的情况，采用直接将端口控制程序放在应用程序中是一种非常方便的选择。

　　1.3并行接口的传输速度一般的标准并行接口的传输速度对于实时性要求较高的系统所需的速度而言仍然较低。因此在这种情况下就要配置高速增强型接口（EPP）或扩展功能接1ms）内完成。通常使用一个16字节缓冲器存储待发送或待写入的数据，同时也可以采用数据压缩方法将信息压缩到更少的字节中以满足更高的速度要求。另外，除了传输速度快之外，ECP传输还有更大的灵活性，它的接口硬件能自动完成主机端的握手，且握手联络不存在自动超时的问题，这样就可以迁就较慢的外设。EPP与ECP的性能类似。除此之外并口的数据传输速度还与总线速度、CPU速度、编程算法、所选编程语言及操作系统等有关。比如在实现高速数据传输方面DOS系统要优于Windows系统。在采用VB等解释型语言时编写程序的具体方法也会在很大程度上影响到程序的执行速度。

　　1.4硬件电路设计激光雕刻机的控制实质就是协调激光头在X―Y平台上的运动及激光电源的开断，从而完成雕刻加工。控制信号由雕刻软件产生，经过相应的程序处理后再通过PC并口来输出控制信号。此系统采用57BYG027型混合式步进电机，控制信号通过并行接口数据寄存器D0~D7位，经74HCT244驱动后与步进电机驱动电路相连，实现对混合式步进电机的控制，以完成相应操作。如所示，一个电机的控制需要计算机并行接口数据寄存器的两位来完成，即一位输出进给脉冲（电平稳定时间>0.5），另一位输出方向脉冲，且要求这两位同时输出，以同时作用于混合式步进电机。

　　电机进给脉冲、方向脉冲。在手动调整子程序中来调整加工零点，只有键盘的停止键被按下时程序才会终止运行。主程序采用VC编写，为了保证加工的实时性要求，插补程序用汇编语言编写后再嵌入C程序中。

　　2.1插补程序编制种对插补精度要求较高的加工方法。本系统中采用半步偏差一几何最优化插补方法，其最大插补误差不超过1/2个脉冲，工路径。基本原理如下：轮廓线分类原则：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。

　　轮廓线分类图走步原则：共有八种走步方式，四种直线=1；（Dx=1指沿X轴正向走一步；0，。=1指沿Y轴负向走一步）。

　　2控制软件的设计鉴于雕刻机控制的实时性要求较高，故采用PC并口方案来实现，这样所有控制程序都在计算机内编制，从而大大提高程序的运行速度和加工稳定性。主控流程如所示，其中数据文件由雕刻软件生成，在用户程序中再将生成的数据进行插补运算，运算后的数据包含激光电源开（D）/关（U），X、Y轴步进步方选用和轮廓线偏离不超过半步的一种走步方式，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。这半步的偏离值称为半步偏差。在水平和垂直方向的半步偏差分别用Ex和E.表示。如所示每类轮廓线只用Ex二开始>手动调整子程序fi始加输入加工参数1读取加工数据1数据处"5T键盘，扫描子程序1否停止掘插补"中断服务程序是图