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激光切割机控制系统的改进研究


y8 5 1 = 88
四川大学硕士学位论 文

激光切割机控制系统的改进研究
测试计量技术及仪器

研究生 李文华

指导教师 周肇飞

随着制造加工技术的快速发展,各种加工技术不断涌现,尤其是激光切割 ( 雕刻)加工技术在各行各业得到了广泛的应用.本课题主要结合激光切

割加 工技术在雕刻领域的应用来展开,比如我们常见的广告字体,或者办公用章, 这些都是很常见的激光雕刻技术,因此该技术在市场有着广泛的实际应用.我 们通过对现有切割机 ( 雕刻机)的调查发现,这些产品仍然存在着或是成本偏 高,或是效率低,可靠性不足的问题,因此本课题的主要任务就是重新设计一
款既是低成本 ,又是高效率高可靠性的切割机 ( 雕刻机 ).

针对上述 目标,完成了以下研究工作: 一, 重新制作了雕刻机软件,含以下功能: 用户可以直接在界面内编辑文字大小,格式,字体.同时,软件 界面上标出了实际雕刻平台的尺度,用户可以对照得知所刻字体 1 编写了更加方便操作的软件界面. )

的实际大小. 2 文字编辑功能,按刻字平台大小,按比例显示在界面上,方便用 )
户在雕刻前知道实际的雕刻出来的文字大小. 3 文字轮廓识别功能. )

我们设计一个文字轮廓识别的方法,可以将文字外围轮廓计算出 来,然后进一步转化成为雕刻机的运动指令,这些指令被单片机 系统用来指挥雕刻机进行雕刻.除了可以识别文字外,对图形的
识别也是可以的,其原理与文字识别类似.

4 雕刻进度显示,对于工人的操作有指导意义. ) 以往的雕刻机在雕刻过程中没有进度指示,操作人员往往不知道
雕刻过程还要持续多久.我们把雕刻进度显示在软件界面的最上

方,该进度显示出雕刻指令的总数以及当前己 经执行到第几条指

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令,从而方便操作人员估计工作时间.
重新制作了硬件,含 以下功能:

设计单片机硬件电路,控制步进电机.

首先重新设计电路原理图, 然后做成PB 采用POE电 C, RTL 路设计工 具.单片机采用SC95,该型号单片机具有大存储容量 ( T8C8 用于 存储雕刻指令) ,超强抗干扰能力,轻松过2V4V K/K快速脉冲干扰 ( T, E )加密性强, F 无法解密 ( TE, I的5单片机均可解 而AMLP工 P 1 HL 密) ,使得本产品的知识产权得以 保护,不易被其他厂家所仿制. 编写单片机程序,实现从上位机下载雕刻数据,并执行. 单片机程序采用ki开发工具, 5编写, el 用C1 代码执行效率高, 开 发速度快, 可以直接生成HX E文件烧写入单片机内. 单片机烧写采 用最新的串口工P S技术, 无需外加编程器, 降低了开发成本. 从上 位机下载的雕刻指令存储在单片机内部的FAH LS内.
实现脱机工作,增强系统实时性,降低产品成本.
研究创新点与改进后的优势:

1 降低 成本:改用单片机控制,节省了一台电脑. 了 )

2 提高了可靠性:单片机专注于控制,不受其他软件干扰. )
3 提高了实时性:单片机的中断反应时间更快. )

4 提高了效率:一方面是提高了 ) 雕刻速度,更重要的是,工作人员
的设计工作和雕刻控制工作可以同时进行.

采用了最新的单片机技术:

IP A在线仿真技术,工P S在线程序烧写技术, 新型反 解密单片机.
关键词: 激光 , 雕刻 , 运动控制 , 步进电机 , 单片机

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R sac o Ls r i m c i 'c n oss m ee rh ae c r n ah e ot l t f u g n s r y e v
S eit Tcnl y ei ad a r e &I t m n pc l : ho g oTsn n M s e n n r et a y e o f g e u m t su t
P s rd ae L Weha S e s : u oe ga u t: nu pri rZ o Z af ot i u v o h h i

A t m nf t e d e p g cmn p h y u c r au c r fl dvl i , i u wt m n m nf te s h e a u i e o n o g i a a a u e
t ho g, c l te r i t ho g iwdlue. e nl yep il h l ecr n e nl y i y d c o se ay a a g o s e s s v c

T ippr at apc i f r i tho g ic v g d a s e lao o lec v g nl y a i fl h ae i t p itn a a n e o n n i . s m h s r c r e Fr m l t avrs f t ag t t fn im nf te wtle oea p , dei o &bde w o e s s u c r i a r x eh e te n h e e a t e a a u d h s
t ho g, te e cri t ho g iwdl ue i t m re Va e n l y s h l r v g nl y i y d h a t i t c o o a s a n e c o s e s n e k . h e

i e i tn l em ci pout w ' fud t i - s l - c ny n sg i o a r h e dc , v on t ih h oto e i c, v t ao f a n r s e e h s c , f e s a g w i

ad eal S, m i t k ts j t o i a lem ci , n u lb . t a a o h po cit dsn e a r h e n ie oh r e n f re s eg nw s i s a n w i il - s h he iec, ri l h h o c t i - c nyad a e c s o , f i w g n e b. l T cm le t kt oo n o a n e tt s , f l i w rh be dn: o p h a h lw g k e o o e i s e s
R -ei h sf a n f l i u t n oc dd te w ro P , wn f co a cnl e: e s n o d g t e C oo g i r l n e u

1 D s n e n r c ot o a , c s e vn ne s . a ieae h s w r w i im rcnei c f ue . i nw f f f e h h o o e o r eg t e t r
2 T e r d cy t o , ad r a t a t , e cn et eit f tse o ef m tA t s e e . u a i l d h n i n t o . h m i h s r e z h r e m
t i e ae pa te u s e a n l r . h , s a s at l o cri f t f o t h ue cn h n r c dsl h c a i f v g o S t t e f i y t z a o a e r
k o s ata s e h ca t taw lb cre l e z o te rc r t l avd r n w t c l f h a e h i e h e u i a . t

3 R cg t o ca c r ui . i n hr t 'ot e . oni f a e s n e o l

W ' ds nd u tn e 娜 e ui o ca crfs , a co o r o z t ot e a rt, l e e i e f i f v eg n c h l f a e it e n h ry f u ot ot ead cne n i r tn t t b ue u i , t n vriio tcos wl e d i r ut g e h l n h o t t n u i h i e n e t s a l s
f cr n m ci . i s hr t r oni , r h s ao h eBs et ca c r gi nt g pi cn o a i a n ed h r g v e a e e t h a c a l c o e s b r o zdw i w k s h hr t de h h rs t ca c r s e 娜 e, c o a e c s e a e o . 4 Dsl t a op cs w i c ict o e y re r e , h d et w r r . p h t f s h a r h k . i a e o c n e T e e poe s d p yd h l a i a n s h cs i nt l e i t o crn m ci , t h r o r s o i a n d v g h e o a f t s e e w r r ' l r ko h l t a i p e ilt e l ay w w g c v g cswla. d p y o ecn c l n o o h r n r s sW i a k a t e n e o l s
t r e poes h o f o w r n r c, h o r o t t o t sf a ieaes t w re cn h a o rcs n p h t e f o e f t e e t e k a esy ia t t e m . ai e m t h i l s e t e

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We s r ds n e rw r c ci t flwn f cos a o -e g t h d a i u , oo i u tn a l e i h a e r t h e l g n i r e
c n ld d o cu e :

1D s n hr a ccio t l sp o r .ei t a w r iu tcnot t - t. g h d e t r h e m o e r o e R- i t c m t, , vr t C , c s i e b s n s e act n cne it P B w i idsnd e eg h h i h o t d e e o h h eg y
Poe We SC 95 ta h s i eoy srn at-amn, l ue 8C 8 t a mmr , og ijm ig r . s T t h a bg t n sog rp e t r tc f m yn b tes ecytd p o et o cp ig ohr. tn n r o r o y

2 Dsg te mae MU t l nod tutos m . in frwr i C ta w l dwla isrcin fo e h i n h i o n r
te W s K l&C 1 nu g t dsg te U rwr, P . ue i h C e e 5 l ga e e in M f mae a o h C i w i e c ts etvl. eu e d eoig t te h eue efc iey T r dc te vlpn cs, hc x f o h e o h nw t I t h o oy s d un M w hu u n s CM P cn lg i u e t br te U tot ig ee O S e s o h C i s
t e g am r T i tu t o s nodd m P r p or m e. e sr c in dw lae fo te ae h r h n o r h C so g o h F s i ie M . a e te a h sd te U tr n l n h C

3 T e r ig hn c n k fie ad sse ra-ie . c vn mc ie wr o ln , te tm ltm h a a a o f n h y e i e hn e, o p dc c t eue. cd a s te ou t s i rdcd s a n l h r o s Cn lso : ce tv p it &te atg o or dsg. ocu in te a ie ns h avnae u nw in h r o d f e e
1 R d c t e s . e u e h c t:u e U n t a o P o s M i s e d f C C

2 Ipoe rla iiy MU to sse cn t dsubd . rv te ib lt: cnr l tm ' e tre m h e C o y a b i
b oh r ta e t e s fw r . y o

3 Ehne e a- ie MU trut m i mc sotr e . ac t r ltm : i erp t e uh re t n h e C n i s h h
P. C

4 Ip oe efce c : ol te vn sed ice sd . rv te iiny nt y cr ig e i nrae, m h f o n h a p s b t s te sg u a o d in&cr ig r cn dn a te m tm l h e avn w k b oe h s e e o a e t a i

K y od: sr ew rs ae l

ca rve

c nr l o to

s pmoo t - tr e

M CU

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第一章 绪论

11课题的来源及研究的意义 .
随着制造加工技术的快速发展[ 各种加工技术不断涌 尤其是激光切 [ i 7 , 现,
割( 雕刻)加工技术在各行各业得到了广泛的应用.本课题主要结合激光切割 加工技术在雕刻领域的应用来展开, 比如我们常见的广告字体, 或者办公用章,

这些都是很常见的 激光雕刻技术, 此该 因 技术在市 场有着广泛的实际应用. 我
们通过对现有切割机 ( 雕刻机)的调查发现,这些产品仍然存在着或是成本偏 高,或是效率低,可靠性不足的问 题,因此本课题的主要任务就是重新设计一
款既是低成本,又是高效率高可靠性的切割机 ( 雕刻机).

1 . 2激光雕刻原理简介
使用激光雕刻和切割,过程非常简单,如同使用电脑和打印机在纸张上打

印. 可以在 Wn8Wn00WnP i9/i20/iX 环境下利用多种图形处理软件, oeDa 如Crlrw 等软件进行设计,扫描的图形,矢量化的图文及多种 CD A 文件都可轻松地 " 打 印"到雕刻机中.唯一的不同之处是,打印将墨粉涂到纸张上,而激光雕刻是

将激光射到木制品,亚克粒,塑料板,金属板,石材等几乎所有的材料之上.
主要有以下几种雕刻方法:

. 点阵雕刻〔 幻
点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印.激光头左右摆动,每次雕刻出一条由

一系列点组成的一条线, 然后激光头同时上下移动雕刻出多条线,最后构成整 版的图象或文字.扫描的图形,文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻. . 矢量切割L 幻 与点阵雕刻不同,矢量切割是在图文的外轮廓线上进行.我们通常使用此 模式在木材,亚克粒,纸张等材料上进行穿透切割,也可在多种材料表面进行

t

激光切害机控制系统更新 9

打标操作 .

. 雕刻速度〔 叼
雕刻速度指的是激光头移动的速度,通常用 IS( P 英寸/ 表示,高速度 秒)

带来高的生产效率.速度也用于控制切割的深度, 对于特定的激光强 速度 度, 越慢,切割或雕刻的深度就越大.您可利用雕刻机面板调节速度,也可利用计
算机的打印驱动程序来调节.在 1到 10的范围内,调整幅度是 1.悍马机 % 0% % 先进的运动控制系统可以使您在高速雕刻时,仍然得到超精细的雕刻质量

. 雕刻强度〔 引
雕刻强度指射到于材料表面激光的强度. 对于特定的雕刻速度, 强度越大, 切割或雕刻的深度就越大.您可利用雕刻机面板调节强度,也可利用计算机的

打印驱动程序来调节.在 1到 1 % % 0 的范围内,调整幅度是 1.强度越大,相 0 % 当于速度也越大,切割的深度也越深.

今 光 小6 〔 斑大 "
激光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节.小光斑的透镜用于高分 辨率的雕刻,大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻.

. 可雕刻材料闭
木制品, 有机玻璃, 金属板, 玻璃,石材, 水晶, 可丽耐, 纸张, 双色板,
氧化铝,皮革,树脂及喷塑金属等.

1 . 3国内外激光加工的几种方式
激光刚刚诞生不久就被人们称为 " 解决问题的工具".科学家们一开始就 意识到激光这种奇特的东西,将会要成为这个时代最重要的技术因素.迄今为 止, 仅仅数十年的初步应用,激光己 经对我们的生活方式产生了 重大影响.

. 激光打 术( 标技 8 ]
激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一.激光打标是利用高能量密 度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应, 从而留下永久性标记的一种打标方法. 激光打标可以打出各种文字,符号和图

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X轴电机

雕 刻 机


A机

一 M -一一一一 ) 一 m 团Y轴电机
B机

数据


B机专门负责接收上
位机数据, 根据这些数 据来雕刻.

激光开关

A 机专门负责文字设 计, 生成雕刻数据后传
给 B机 . '

图 1 传统雕刻 一 5 机控制示意图

上图这种传统工作方式用了2 台电脑, 成本比较高, 于是, 我们的改 进的方法就是换用单片机系统来控制,从而节省了一台电脑,如图 16 . -:

单片机控
制电路板
A机 B机

爸 叫 卿一 雕
} -刻 竺}
Y 机 轴电
-一~一~ -习 利L

}. ,

八 机专门负责文字设 计, 生成雕刻数据后传
给 B机 .

B 机专门负责接收上 位机数据, 根据这些数
据来雕刻.

图 16 - 改进后的雕刻机控制示意图

为了方便后面的讨论,我们先阐明一个技术参数的概念, 即什么是实时性? 简单的说: 实时性就是系统执行任务过程时, 对外界响应的快速性. 系统

响 应越快,实时性越好回.
具体的说:任何一个电子系统都可看成是一个激励一 响应系统.每个特定 的电子系统都有一个从激励输入到响应输出的时间,即激励一 响应周期T ,

激光切割机控制系统更新

它表现为系统的响应能力.如果系统的响应能力T 能满足嵌入对象所规定

的响应时间t要求,即T t , o < - a 这个系统便是实时的电 子系统『. ' 目
那么,什么是嵌入对象所要求的响应时间t 呢?通常,不论哪一种电了 o
系统, 要实现对象体系的控制管理要求, 这些控制管理通常都会有一定的

时间限制.例如, 一个振动监测系统, 对振动波形的检测周期必须满足采

样定理要求; 饮料生产线上的计量, 控制系统, 必须在一个工位的移动周
期里完成秤量,封口的控制输出:对于超市中使用的电子秤,在秤量时,

希望能立即显示出重量和计价金额; 我们日常使用的计算机, 在敲击键盘 时, 也要求在显示屏上快速地出现键盘输入结果.因此, 几乎所有的电子
系统都有一个客观的响应时间t 要求.这就电子系统普遍存在的实时性 o

问 题,即要求T t o < - a
基于原有激光与机械平台,主要是重新设计软件和硬件,改进的目 标: 令 软件方便操作
. 低成本 . 高效率

. 高实时性
. 可靠,抗干扰

激光切割机控制系统更新

3 软件流程 . 2
整个系统的工作流程如下:

1 )用户编辑文字 2 )软件识别轮廓
3 )轮廓转换成加工指令

4 )指令传输给单片机系统 5 )单片机根据指令来控制步进电机运动 软件流程图见图32 -0

程序识别文字轮廓,
每隔 05 m 取一个 . m 点.把轮廓数据保存 成一个数组.

通过串口传送给单 片机,并命令其开
始执行.

图32 - 软件流程图

3 图像的识别与笔画顺序 . 3
在雕刻行业中,要保留汉字所具有的笔锋和韵律,很显然直接读取点阵汉 字信息进行雕刻控制是不容易的. 激光雕刻机采用逐行来回扫描的雕刻方式, 由于其激光的光斑面积很小,还可以 使雕刻出来的印章效果较为满意. 激光雕 刻机主要用于木质,有机玻璃等软质材料的雕刻,但对于钢质印章的雕刻,小

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功率的激光雕刻机难以在极短的时间内使钢质材料达到汽化点,而且在如何将 熔化的钢屑除去这一向题尚还存在着技术上的障碍 当我们采用金属刀具切削 的方法来进行雕刻时,因为刀具半径相对较大,若继续采用逐行扫描的方法来

进行雕刻的话,则雕刻出来的文字轮廓会明显地出 现锯齿的形状.为此,我们 首先对点阵汉字迸行了矢量化,并将矢量化后的汉字信息转换成相应的雕刻命 令, 然后控制雕刻机按照汉字的轮廓形状进行雕刻,建立基于点阵 汉字矢量化 的汉字雕刻控制方法,从而最大程度地保留 其在点阵字库中所具有的笔锋和韵
律.

321点阵汉字的矢量化 . .
3211点阵汉字矢量化步骤 ...

点阵 化叫. 先按照 字的 位码从 汉字矢量 首 汉 区 选定的 阵 库中 得相 点 字 取 应
的汉字,再通过一定的算法将其转换为一系列的轮廓矢量输出,从而完成汉字 的刻绘.因此,矢量化的算法包括 4 个模块:

( 根据输入汉字的区位码, 1 ) 从相应字体的点阵字库中找到其数据存取的起
始位置,然后从点阵汉字库中读取相应汉字的点阵信息.

() 2点阵汉字的空心化. 汉字的空心化是矢量化的基础, 具主要作用是找出 包围汉字的外形轮廓,并将轮廓包围的型值点置 0即空心化). (

( 空心汉字的矢量化. 3 ) 这个模块主要是将空心化后的汉字轮廊按一定搜索 顺序将与前一个有效搜索点相连的点一一找出;并形成一组组封闭的轮廓外形 这是整个汉字矢量化过程的关键.

( 矢量数据的输出. 4 ) 这个模块主要是记录矢量化数据, 并将矢量化数据转 换成步进电 机的控制数据,以 后的 备以 雕刻机控制之用.所谓主心化是指, 使 点阵汉宇产生组成外形轮廓的点 ( 点值置1 , ) 而将点阵中组成汉字的值点 ( 原
值为 1 )去掉 ( 点值置 0 ).下面主要介绍点阵汉字矢量化的工作原理.

322汉字的矢量化 . .

激光切割机控制系统更新

要获取点阵汉字的外形轮廓, 需对已空心化的 汉字进行矢量化, 其算法( v 1
如下 :

图 33 - 矢量搜索方向

() [ [ 开始 ] 1 从Y0 0 〕 () 2 按从左到右从上到下的顺序,逐个读取点阵的值. 当行值=+1 n ,列值 二n l + 时,转( 6 )
() Y [] 3 假设在 [] 碰到点值为 1 ab 的点.若 b ,则记录下一次搜索的起 <n
点为 Ya [+] [] l.若 b 则起点为 Ya l[] b >0 [+]0

() 此点为中 沿图33 4以 心, - 所示的8 个方向 及优先顺序查找下一个点值
为1 的点.

() 5 若找到则记录点的位置并置该点点值为 2 ,转 ();若找不到,表 4 明己完成该汉字外形笔画中的一笔,并以己 记录的下一轮搜索起点为始点,转 ();若找不到,且行值=n} ,转 () 2 -1 - 6 ( )结束矢量化. 6 通过上述算法的处理, 可以获取空心汉字的外形轮廓. 这些外形轮廓数

据包含了 各个轮廓点在点阵中的位置.这一点对产生步进电 机的控制数据很重 要.因为要控制步迸电 机,就必须知道在雕刻时,步进电 机转动所需的脉冲数 和转动方向.面从轮廓点的相对位移,可以得出其脉冲数,从轮廓点的相对位 置可以得出 其转动方向. 这样, 就可以生成步进电 机的控制数据了.虽然矢量 化后的汉字作为大字显示时仍有明显的锯齿, 但作为小字显示时, 这些锯齿的

影 就为少 [ 响 大 减 了a G l

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323基于矢量化的汉字雕刻控制 ..
我们研制的雕刻机的雕刻动作,就是根据汉字矢量化后生成的笔划数据来 进行的.汉字矢量化后可以清楚地知道.每个字有几笔轮廓笔划.每一笔轮廓 笔划中包含有多少个点,以 及每一个点在点阵中的位置.根据这些点的坐标, 可以算出每一笔划中后一个点与前一个点的X Y , 两个方向的位移. 这样, 就可

以根据位移得出控制雕刻机X Y 移动的步 机所需的 , 方向 进电 脉冲数和转动方 向.另外. 在每一轮廓笔划开始和结束的时候还需要控制 激光开关.因为雕刻 文字字体较小, 所以, 基本上没有阶梯状锯齿, 得出的是 较光滑的 字形轮廓,
实际上是利用镜像反转后的字形轮廓数据进行控制.

34数据传输控件 MCM3 . SOM2
MCm 1 Som控件【通过串 ] 9 行端口 传输和接收数据, 应用程序提供串 为 行通讯功 能. Som MCm 控件在串口 编程时非常方便, 程序员不必去花时间去了解较为复杂 的AI P 函数,而且在V, Dlh 等语言中均可使用. irsf C V, pi B e Mcoot
Cmuiain Cnrl( omnctos to 以下简称MCm ) Mcoot o Som 是 irsf 公司提供的简化

w门os idw 下串行通信编程的AtvX cie 控件, 应用程序提供了 它为 通过串行接口 收发数据的简便方法.具体的来说,它提供了两种处理通信问题的方法:一是 事件驰动( et rvn方法,一是查询法. E n一die) v

33 1 C 控件两种处理通讯的方式 . M 二 . S
MCm 控件提供下列两种处理通讯的方式I: Som n 事件驱动方式和查询方式. )

3311事件驱动方式 .. .
事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法. 在许多情
况下,在事件发生时需要得到通知,例如,在串口接收缓冲区中有字符,或者

Cri Dtc ( )或 R us T Sn ( S 上 个字符到 或一 are eet r C D e et ed )线 一 q o R T 达 个变
化发生时.在这些情况下,可以利用 MC二 控件的 OC二 事件捕获并处理 SO no

I 5

激光切割机控制系统更新

这些通讯事件. n. 事件还可以检查和处理通讯错误. OC二 所有通讯事件和通讯 错误的列表,参阅 CmEet属性.在编程过程中,就可以在OCm 事件处 omvn nom 理函数中加入自己的处理代码.这种方法的优点是程序响应及时,可靠性高.

每个 MC, 控件对应着一个串行端口. SO 如果应用程序需要访问多个串 行端口,
必须使用多个 MCm Som控件.

3 .. .1 3 2查询方式
查询方式实质上还是事件驱动, 但在有些情况下, 这种方式显得更为便捷. 在程序的每个关键功能之后, 可以通过检查 CmEet属性的值来查询事件和 omvn 错误.如果应用程序较小,并且是自 保持的, 这种方法可能是更可取的. 例如, 如果写一个简单的电话拨号程序,则没有必要对每接收一个字符都产生事件, 因为唯一等待接收的字符是调制解调器的 " 确定"响应.

332 o 控件的常用属性 .. M m
MC. 控件有很多重要的属性, SO 但首先必须熟悉几个属性.
CmPr 设置并返回通讯端 口号. omo t

Stig etns PrOe otpn Ipt nu Otu upt

以字符串的形式设置并返回波特率,奇偶校验, 数据位, 停止位. 设置并返回通讯端口 的状态. 也可以 打开和关闭 . 端口 从接收缓冲区返回和删除字符. 向传输缓冲区写一个字符串.

333 用 MCm 控件的方法 . T . 吏 Som
3331 ... 建立项目
打开 V ++60 C . ,建立一个基于对话框的 MC F 应用程序 Somet cmTs

3332在项目中插入 MC, 控件 ... SO

选择 Po c et菜单下 Ad Poet子菜单中的 Cmoet ad rj d T rjc o opnns n
Cnr l…选项, otos 在弹出的对话框中双击 Rgsee A tvX tos ( eitrd ie Cnrl 项 稍 c o

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35循环冗余校验 CC . R 的算法分析和程序实现
通信的目的是要把信息及时可靠地传送给对方,因此要求一个通信系统传 输消息必须可靠与快速,在数字通信系统中可靠与快速往往是一对矛盾.为了

解决可靠性,通信系统都采用了差错控制. 本文详细介绍了 循环冗余校验CC R

( ci R u a y c) 差 控 原 及 算 实 〔 C l e n n Ce 的 错 制 理 其 法 现' y c d c h k d , 1 .
34 1算法概述 ..
在数字通信系统中可靠与快速往往是一对矛盾.若要求快速,则必然使得 每个数据码元所占地时间缩短,波形变窄,能量减少,从而在受到干扰后产生 错误地可能性增加,传送信息地可靠性下降. 若是要求可靠,则使得传送消息
地速率变慢.因此,如何合理地解决可靠性和速度这一对矛盾,是正确设计一

个通信系统地关键问题之一.为保证传输过程的 正确性,需要对通信过程进行
差错控制.差错控制最常用的方法是自 动请求重发方式 (R ),向前纠错方式 AQ (E )和混合纠错 (E ).在传输过程误码率比较低时,用 FC FC HC E 方式比较理

想.在传输过程误码率较高时,采用FC E 容易出现 " 乱纠"现象.HC E 方式则

式AQ FC R 和 E 的结合.在许多数字通信中, 广泛采用 AQ R 方式,此时的差错控 制只需要检错功能. 实现检错功能的差错控制方法很多, 传统的有: 奇偶校验, 校验和检测,重复码校验,恒比码校验,行列冗余码校验等,这些方法都是增 加数据的冗余量,将校验码和数据一起发送到接受端. 接受端对接受到的数据 进行相同校验,再将得到的校验码和接受到的校验码比 较,如果二者一致则认 为传输正确.但这些方法都有各自 缺点, 的 误判的概率比 较高. 循环冗余校验CC ci Rdnac Cek 是由 R (ylc udny c) 分组线性码的分支而 C e h 来,其主要应用是二元码组.编码简单且误判概率很低,在通信系统中得到了
广泛的应用.下面重点介绍了CC R 校验的原理及其 算法实现.

激光切割机控制系统更新

342循环冗余校验码 (R ) .. CC
CC R 校验采用多项式编码方法.被处理的数据块可以看作是一个 n 阶的二

进 多 式 由," ax + +xa 如 个 位 进 数001 制 项 , ax+-一- a+ .一 8二 制 110 -- ,' I' 2, , o 11
可 表 为 l + 1 1 +x+ 2 +. 项 乘 法 算 程 以 示 :x O 十 x 0 1 +xl多 式 除 运 过 与 ' 扩+ 4 x O x ' 3
普通代数多项式的乘除法相同.多项式的加减法运算以2 为模,加减时不进, 错位,和逻辑异或运算一致. 采用 CC R 校验时, 发送方和接收方用同一个生成多项式 g ) 并且 g ) ( , x ( x

的首位和最后一位的系数必须为 1 CC . 的处理方法是: R 发送方以g 去除t () x
( ),得到余数作为 CC x R 校验码.校验时,以计算的校正结果是否为 0 为据, 判断数据帧是否出错.

CC R 校验可以 10 0%地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于k 为 ( k

g )的阶数)的突发错误.所以CC ( x R 的生成多项式的阶数越高, 那么 误判的 概率就越小.C IT CT 建议:24 ki/ 的PM 08 ts C 基群设备采用CC4 b R- 方案,使用

的C 校 码生 多 式g -4二+. 用1位C 校 , 保 R 验 成 项 () X+ + 采 6 R 验 可以 证 C x 1 C 在14 码 只 有 位 被 测出 错 在工 的 步 据 路 制 0 b 元中 含 一 未 检 的 误. B 同 数 链 控 'i t M
规程SL 的帧校验序列FS DC C 中,使用CC1, R-6 其生成多 项式 g ) ( x

-1 二 + 2 而 C T 荐 高 数 链 控 规 D 的 校 序 x +, x+; 在C T推 的 级 据 路 制 程H C 帧 验 6 5 1 I L 列F 中 使 C T 6 其 成 项 ( -' X+51C- 的 C , 用C T 1 生 多 式g x+I X , 3 S I- , x s I + R2 ) C
生成多项式:

g 一3 x +' x +1 x +" x +ex+sx+2x 1 ( X +z x +2 x +1 x+l x+'x+'x++. x 2 6 3 2 6 2 ) 0

C- 出 的 率 L 1低 0倍 由 R3的 靠 , R3用 R3 错 概 LC- 15 . 于C - 可 性 把C- C2 R6 - C C2 C2
于重要数据传输十分合适,所以在通信,计算机等领域运用十分广泛.在一些 UR 通信控制芯片 ( M68 , tl23 Z0SO AT 如 C52 I e87 和 8-I)内,都采用了CC n R校

验码进行差错控制;以 太网卡芯片, PG ME 解码芯片中, 也采用CC3 进行差 R-2
错控制.

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343 C . C 校验码的算法分析 . R
CC R 校验码的编码方法是用待发送的二进制数据t ) ( 除以 x 生成多项式 g
( ),将最后的余数作为 CC x R 校验码.其实现步骤如下:

设待发送的数据块是 m 位的二进制多项式 t ),生成多项式为r ( x 阶的g ( ).在数据块的末尾添加 r 0 x 个 ,数据块的长度增加到mr 对应的二进 + 位,

制 项 为 ') 多 式 x( t x 用成 项 ( 去 x(, 得 数 阶 为r 的 进 多 式 生 多 式g 除 ')求 余 为 数 - 二 制 项 x ) t x 1
y ).此二进制多项式 y ) ( x ( 就是 t )经过生成多项式 g ) x ( x ( 编码的CC x R
校验码 .

用 ')模2 方 减 ( 得 二 制 项 x' .'x x以 的 式 去y , 到 进 多 式 Ix ) x( t x ) t)x' 就 ( t (
是包含了 CC校验码的待发送字符串. R

从 CC R 的编码规则可以看出,CC R 编码实际上是将代发送的m 位二进制多

项 ( 转 成 可 被g 除 的 +位 进 多 式 'x 所 解 式t 换 了 以 ( 尽 . 二 制 项 ,' 以 x ) x ) r t) (,
码时可以用接受到的数据去除 g ),如果余数位零, ( x 则表示传输过程没有错 误;如果余数不为零,则在传输过程中肯定存在错误.许多CC R 的硬件解码电

路 是 这 方 进 检 的 同 x' 可 看 是 t 和C 校 码 就 按 种 式 行 错 . 时 'x 以 做 由 ( t) ( x R 验 ) C
的组合,所以解码时将接收到的二进制数据去掉尾部的r 位数据, 得到的就是
原始数据 .

为了更清楚的了解 CC R 校验码的编码过程,下面用一个简单的例子来说明 CC R 校验码的编码过程.由于CC3, -6 CIT CC4 R-2 CC 1, T 和 R- 的编码过程基 R C

本一致,只有位数和生成多项式不一 样.为了 叙述简单, 用一个CC4 R 编码的 -
例子来说明CC的编码过程. R

设待发送的 数据t 为1 位的二进制数据 1 1 01 0 CC4 () 2 x 0 0 11 ; - 的生 00 0 R

成 项 为g =0 1阶 为4 即11 首 在t 的 尾 多 式 ( x+ +, 数r , 0 1 先 ( 末 x ) x 0. x )

添 4 构 xx 数 块 成 110100然 用 ( 去 加 个. 成 0) 据 就 了 00100. 后 g 除 t, ( 00100 x )
x(, 用 商 多 , 需 求 余 ( . a ) 不 管 是 少 只 要 得 数y t x x )
CC R 编码实际上是一个循环移位的模2 运算. R-, 对CC4 我们假设有一个 5 bt 的寄存器, is 通过反复的移位和进行CC R 的除法, 那么最终该寄存器中的值 去掉最高一位就是我们所要求的余数. 所以可以将上述步骤用下面的流程描述:

激 光切 割机 N 制 系 统 更 新 .

/rg /e 是一个 5 t 的寄存器 b s i

把 rg 值置0 e 中的 . 把原始的数据后添加 r 0 个 .
W ie( hl 数据未处理完)
B gn ei

I (e 首位是 1 f g r )
r g=r X 0 1 g R 1 e e O 0

把 rg 值左移一位, e 中的 读入一个新的数据并置于rgse 的O i 的位 eitr bt
置.
Ed n

rg e 的后四位就是我们所要求的余数. 这种算法简单,容易实现,对任意长度生成多项式的G ) ( 都适用. x 在发
送的数据不长的情况下可以使用 .但是如果发送的数据块很长的话,这种方法

就不太适合了.它一次只能处理一位数据,效率太低.为了 提高处理效率,可 以一次处理 4 位,8 位,1 位,3 位.由于处理器的结构基本上都支持 8 6 2 位数
据的处理,所以一次处理 8 位比较合适.

为了对优化后的算法有一种直观的了解,先将上面的算法换个角度理解一
下.在上面例子中,可以将编码过程看作如下过程:

由于最后只需要余数, 所以我们只看后四位. 构造一个四位的寄存器 rg e,

初值为0 ,数据依次移入rg (e 的0 eO g 位),同时rg 的数据移出rg r e3 e.有 上面的算法可以 知道,只有当移出的数据为1 rg 时, e 才和g 进行XR () x O运 算;移出的数据为0 时,rg e 不与g ) ( 进行 XR x O 运算,相当 与和00 进行 00 XR O 运算. 就是说, e 和什么样的数据进行 XR rg O 移出的数据决定. 由于只有一

个b , 有2 选 上 算 可以 述如 i 所以 , 择. 述 法 描 下, t 种
/rg /e 是一个 4 t 的寄存器 bs i

初始化t卜{ 1 00 01 001 [ 0 ,
把 rg e 中的值置 o . 把原始的数据后添加 r . 个o

Wie( hl 数据未处理完)
B gn ei

四川大学硕士学位论文

把 rg 值左移一位, e 中的 读入一个新的数据并置于rgse 的O i 的位 eitr bt
置.
reg

rg t移出的 e XR O [ 位〕

h d a n

上面算法是以bt i 为单位进行处理的,可以将上述算法扩展到 8 位,即以

Bt 为单位进行处理,即CC3. ye R-2 构造一个四 ye 存器rg 初值为 个Bt 的寄 e, 00000, x0000 数据依次移入rg ( g 字节,以 类似) 同时rg 的 eO 的. r e 下 , e3 数
据移出rg e.用上面的算法类推可知,移出的数据字节决定rg e 和什么样的数

据 行XR 由 有8 i 所以 铸 选 上 算 可以 述 下: 进 O. 于 个b , 有2 中 择. 述 法 描 如 t
/rg /e 是一个4 t 的寄存器 Be y

初始 [ .· 有2= 5项 化t] } ={ 刀共 ' 6 2
把 rg e 中的值置 . 把原始的数据后添加 r8 0 / 个 字节

Wie( hl 数据未处理完)
Bg n ei

把rg 值左移一个字节, e 中的 读入一个新的 字节并置于rg 第0 ye e 的 个bt
的位置.

rg=rg t XR 移出的字节〕 e e O [
Ed n

算法的依据和多项式除法性质有关. 如果一个用 位的多 项式 t 除以一 () x

个 阶 生 多 式 ( ,(= '+- -+ +2+x a r 的 成 项 g T aI-aZ Z aZ +, x x 二 " X " X a' ) ) x' 一 i
成多项式 g ) ( 得到的余式. x 对于CC3,可以 R-2 将每个字节在后面补上 3 个 2 0 后与生成多项式进行运算,得到余式和此字节唯一对应,这个余式就是上面

将 一 ak < 提 来 在 面 足 个 后 单 去 g 得 侮 位k (<m 出 , 后 不 r ., 独 除 ( , ' 0k) x = x )
到 余 位 k)则 Yi ,(. Yx 得 的 是 ( 由 的 式 Yx 将 mx Y2 . o 到 就 t: 生 (. -) x . (后 (. ) ) - . . )
算 种t 中 值, 于 个 节 位, 法 [ 的 由 一 字 有8 所以t 共 8 项 这 算 〕 [ 有2= 5 . 种 法 〕 2 6
每次处理一个字节,通过查表法进行运算,大大提高了 处理速度,故为大多数
应用所采用.

一一 一 一 —

一—

一 遨燮哩丝型燮丝 塾

344 C 3 的程序实现 .. C - 2 R
为了提高编码效率, 在实际运用中大多采用查表法来完成 CC3 校验,F R-2 面是产生 CC3 校验吗的子程序. R-2

usge og _ tb2 ] { ln cc3_a [ 6= nind r 2 5
0 0 00 0 0 770 6 O ee 1c O 99 1a O 7d49 0, 70 39 , eO6 2 , 905b, O6c1, x 00 0 x x x x

O76f8, e6a3, e453OOd83, xOa4f O 9355 O969a,xeb82…,O5Od1, x x xa5f6
O2O e 8 xd 2 f d

}/事先计算出的参数表,共有 26 ;/ 5 项,未全部列出.

usge og eaeR3( r t ln GnrtCC2ca xaa*DtBfusge ln nind e h d aau,nind g o
ln e)

u sg e ln o dr 3 ; n in d g c c2 o l u sg e ln c c2 n in d g 3 ; o r u s ge ln o dr ; n in d g c c o l u sg e it ac t n ind n c r n ; h
ca c t h r , ;

odr 3 lcc2=00000 ;/初值为 0 x0000 /
c a c t0 h r n= ;

wie e-) hl ( n- l
{

t (l r3 )2)&OF; /要移出的 节的 = d c2> 4 oc xF / 字 值 odr=r 3 tbt 刀根据移出的字节的 lcccc 2 [ _ a L 值查表 cDtBfcact; =aau [ rn] h /新移进来的字节值 /
odr3= l r3 <8 c lcc2 ( d c2< )} ; oc /将新移进来的字节值添在寄存器末字节中 /
odr 3=lcc2 odr ; lcc2o dr 3 -lcc

刀将寄存器与查出的值进行 xr o 运算
ca c t+ hr n + ;

2 8

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c c 2o dr 3 ; r 3= lcc2
r tr cc 2 e u n 3 ; r

}

参数表可以先在 P 机上算出来, C 也可在程序初始化时完成. 下面是用于计

算参数表的. 语言子程序,在Vsa C+ 下编译通过. iul 60 + .
# n l d < t i. > e s d o h icu

usge og cc2tbe2 ] ln it 3_ l[ 6 ; nind n r a 5
usge og u oyo il=OOclb ; ln it P lnma n ind n l x4 ld7

usge og R lc (nind g r , r ln it fetusge ln it f ca c) nind n e o n e h h { usg d g v u ( e ln it le0 ; nin o n a ) / t , t 和 bt,类推 /交换 bt 和 b 7 b l i6 iO i i
fr it =1 c o (n i ;i<(h+1;i+ ) +)
i (e f f&1 r )

vle 1< c au 1 = <( h一i; )
r f>=1 } e > ;
r t r v le e u n u ; a

}

ii cc2 be) n t 3 t l ( r a

{ usge ln it ctm ; nind g c ,ep o n r
/ 5 个值 /26

fr it ; =OF ; ) i=0 i< xF i+ o (n +

{ tm=elc( ) Rfeti 8 ; ep , cc2tbei= p 2 ] tm< ; r3_ l[ a e 4 fr n j=0 j(8 j+{ ; ; ) o ( t i +
u sge ln i t t ; t ,2 n ind g o n l

us nd g fa=r3_ l[ 08000 ge ln it gcc2tbei&x0000 ni o n l a ]

t ( c2tbei <1; l c 3 al[ = r _ ]< )
i( a=0 ff g=) l
t= ; 20
es le
2 9

激光切割机控制系统更新

t= loy o a ; i l 2 u P lnm

{ c3 li= - : } r2ae] t c一b[ t 2 t l
cccc2tbei; r3_ l[] r= a

cc2tb 仁 _ ei r3 al 1=Rf c( c2tbei 3) el tc 3 al[ , e r _ ] 2

345算法总结 ..
CC R 校验由于实现简单,检错能力强, 被广泛使用在各种数据校验应用中. 该算法占用系统资源少,用软硬件均能实现,是进行数据传输差错检测地一种
很好的手段.

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第四章 单片机硬件

4 . 1单片机主电路
本系统采用近年来广泛应用于工业控制,智能化仪器仪表和设备及家用电 器领域的单片机作为 C U 进行实时控制和数据处理.同其他种类微机机种相 P 比,它具有以 下特点【 2 2 ) () 小巧,灵活,成本低, 1 易于成品化,能方便地组成各种智能化控
制设备和仪器仪表,从而做到机电仪一体化.

() 面向控制,能解决各类从简单到复杂的控制功能,从而可获得最 2
佳的性能一价格比.

() 抗干扰能力强,适应温度范围广,在各种恶劣环境下都能可靠地 3 工作,这些优点是其它种类微机机种所无法比拟的.

() 此种单片机可以方便地实现多机,分布式的集散控制,使整个系 4
统的效率和可靠性大大提高.

在多种单片机机型中,本系统选用了目 前较为流行,本实验室已有开发基

础的美国Ie公司的M S 5 系列的85广3 nl t C- 1 95 1 作为CU 同 P , 其它单片机机型 相比,此系列单片机具有体积小,抗干扰能力强,性能一价格比高及面向 控制 的 特点〔, 川 这对于 提高系统的 性, 应的 实时 相 控制能 及数 处 力大 力 据 理能 有好 处,因此本系统在电路处理部分后的实时控制,数据处理中都应用 8S1 95 作为 C U 这大大提高了系统的抗干扰能力及测量的智能化,自 P, 动化程度. 单片机
周边部分电路见图41 -0

42数据存储模块 RM226 . A6C5
在单片机应用系统中,6C5 是常用的 226 静态数据存 储器RM A 芯片1.与动 x 5 1
态 RM A 相比,静态 RM无须考虑保持数据而设置的刷新电路,故扩展电路较简 A

单. 但由 于静态 RM A 是通过有源电路来保持存储器中的 数据,因此,要消耗较
多功率.6C5 是 3K 8 226 2X 位静态随机存储器芯片,采用 CO 工艺制作,单一 Ms

激光切割机控制系统更新

正s 电 v 源供电, 额定功耗 1ow 典型 6m, 存取时间为30 , A一 1 为1 0 纳秒【. o A4 5 6 J
位地址线.D一 为8 OD 7 位数据线,C 为片选信号线; / 为读,写信号线.数 E W O EE 据存储部分电路见图42 一.

队葬 条1 }__ _{ __添 _ ,斤 「「;一 络 瀑- 一韶-黔 一p臼
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〕旧 J ! 2 { 刀公 2 , 二 L 边 _ 1 砂1 吞口 0 呛 助 1 [{ 扒 刀呀1 1 , 刃3 扣 ' 注 L{ t二 电2 乃

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图 41 一 单片机主电路
10
1 15 1

一, 1 . 1,

粼 毅


6C 五 2 二6

簿 澹 涝 踢

蘸 碳 戴 薰 联

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鬓 羹 赘辨 : 别 粗

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7

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1

毒飞 层接

甘止 心

夯 撰

络 照霆 冥



图 4ZRM 一 A 存储器
3 2

四川大学硕士学位论文

对于 A 的绝对地址访问,C1 RM 5 提供了三种访问绝对地址的方法:

. 绝对宏〔 2 7 1
在程序中,用 " icueasc.) 语句,即可使用 asc. # ld<bach" n bach 中定义
的宏来访问绝对地址,包括:
C Y , T , R , T , R , R , T , R E X Y E P O D D Y E C O D X O D P Y E D O D BT B W B W W B W

具 体使用 可看一 ba . 看asc h c 便知.
例如 :

ra=B E0001指向程序存贮器的 00h T 仁x02 ; vlCY 02 地址

ra=WR[x02: D000]把外部 RM v1XO A 的数据传给变量 ra vl XODO00] x : 02 = 2给外部 RM WR [x 00 A 赋值

. _t关 a 键字【 _ s e t
直接在数据定义后加上一t os 即可,但是注意: _ t cn
() 1绝对变量不能被初使化; ( bt 2 i 型函数及变量不能用一t指定. ) s e
例如:

iaa ut k t 0 ; a_ 0指定ls 结构从4 开始. dt src ln ls t x t i i 4 it 0 h

xa ca t t2 ] 一X 0; t E 0 指定t t 组从O O 开 dt hr [ b a e 5 a 0 x e数 x EO 始 OH
提示: 如果外部绝对变量是 10 等可自 / 端口 行变化数据, 需要使用vltl oaie 关键字进行描述, 请参考asc.a bach

43串口R 22 . S3
在进行复杂数据处理时, 单片机的功能显然是不够的,因而有必要建立测 量系统与具有强大功能的系统机 ( 微机)的通讯.考虑到通用性及易用性,决

激光切割机控制系统更新

定 用微 利 机标准串口 S22进行通 3 R-3 C 讯L s J 无论是R-3C R-2, 43 22, 42 R-2还是2m电 S S S 0A 流环都各自 规定了自 的电 己 器
标准. 这些标准大多不能满足TL T 电平传送要求.因此, 在这些接C中都存在着 7

和TL 平的转换问题. 前许多厂家为这些接口 T电 目 信号的电 平调整生产出 许多集 成芯片, 用户使用这些芯片 可以 很方便的完成至 T电 调整转换[ TL 平的 3 0 )

431 .. 接口信号特性
R-3C S22信号线提供了1 以内单端线路的单向数据传输, 5 . 最大数据传输速 率为2k/ . 0Bs 逻辑0 电平必须超过5, V 但不能高于1V 逻辑1 5I 电平必须低于一V 5,
但不能低于一 5' . 1V1 3 1

432电平转换电路 ..
采用M XM 3 芯 D 9 , 只 用了TD RD G D 根 据 L A I22 片, B 接口 实际 使 X , , 三 数 线3 X N 2 )

图 43串口电路 -

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4 电源模块 . 4
系统电 2 源有 种方式: 一种是直接从电脑的U B接口 S 取电, 最大供电电流 可达 50 A 0m ;第二种方式是外接电 3 源[,经过整流桥后,由 70 三端稳压, 3 7 85 最大供电电流可达 I a A

图44电源电路 -
4. 5

中断服 务

C1 5 编译器允许用C 语言创建中断 服务程序. 你仅仅需 要关心中 断号和寄 存器组的选择.编译器自 动产生中断向 量和程序的入栈及出 栈代码. 在函数声 明时包括 ieut 将把所声明的函 n rp tr , 数定义为一个中断 程序. 服务 另外,你可

以 sg 用un 定义此中 服务 序所使 寄 i 断 程 用的 存器组[. 例 如下: 3 4 ] 程
l g i a tj o i d ; nn a t
viei ( i ie ut i 2 l o ) r p2 g o x tv d n r u n { d n t s

f} 0<00 + +) o j j50) r=
{

} 键中断的 刀 用户按 软件延时
iP 3 0 f 3= ) (
{
P 6 !1; 1=P 6

激光切割机控制系统更新

}

vim i( i { o a vd d n ) o
E = ; X1 1 / / 开中断
II O T ; = E A=1 ;

w i( he1 l )
{ }
}

令 参数传递

C1 5 编译器能在C U寄存器中传递最多三个参数, 于不用从存储器中读 P 由
出和 写入 参 数 ,从而 显著提高 了系统性 能 .参数传递 由 R G A MS和 E PR

N R G A M 编译参数所控制〔. O E PR S W 参数传递可以 使用R- 7 组寄 OR 四 存器. 如
果没有 C U寄存器供参数传递所用, P 或太多的参数需要传递时, 地址固定的存 储器将用来存储这些额外的参数.固定地址参数传递可以使用单片机内R M. A EP O E R M或者外接 R M和 E P O m A ER M"o '

4 控制激光开关的继电器 . 6

图 4s激光开关电路 -

该继电 器是单片机用来控制激光管的开关的.单片机P. l6 脚通过 7H24 4C4 来驱动这个继电 器.140 是用来防止反向冲击电 N01 流的. O N 为常开, C为常 N 闭.也就是说,当P. 是N 与CM l= 61 C O 断开,当P. 时N 与CM l60 C O 接通. =

3 6

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第五章 单片机固件程序
51控制流程 .
单片机系统首先在开机时让雕刻机平台进行初始化运动,找到雕刻平台的 边界,确定雕刻平台的原点,然后等待接受来自 上位机的雕刻指令.如果发生 越界,就会立即产生中断,使平台停止运动并回到原点.具体流程见图s} -o
中断 1 :

初始化居中:平台先移动到最左端,然后 移动到最右端, 从而确定原点. 初始化完 成后通知主机.

边界保护 中断

等待主机指令

停机,回到原点

接收主机传来的数据, 存放到R M, A 数 据传送结束后开始执行.

中断 2 : 用户暂停 中断

刻完后,回到原点.

原地停止, 数据入

堆栈, 等待用户再 次按暂停键后, 回
复执行.

图 51 - 单片机固件程序流程图

激光切割机控制系统 更新

5 . 3步进电机控制
53飞电机平面运动的坐标定义 ..
为了方便对雕刻平台进行控制,我们首先定义了雕刻平台的坐标和方向,
见图 54 - .由于步进电机最小步进 05m . ,所以 40 的运动距离可以划分为 m 0, 80 0 步.在运动平台的边界有 限位开关,防止运动时越界.
原点 x轴

该运动平面的 四周均有限位 开关, 开机时, 平台先移到最 左,再移到最 右,从而确定 该平 面 为正方 形 ,各 边长 为 40 即80 0mm 0步
Y轴 原点.

图 54电机平面运动的坐标 -

532串口通讯协议 ..
上位机软件识别出用户字体轮廓后, 变成相关指令, 通过串口 传给单片机 单片机根据这些指令运动.单片机每接收一个指令就执行一次. A: 向上走 4c 8p
B: 右 1 上 1 右 1 上 1 右 1 上 1 右 1 上 1 2 2 2 2 2 2 2 2
C: 右 4 8

以此类推……

图 55 - 定义了指令的运动方向.

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图 55 一 指令中对运动方向的定义
P C一 > CU M

初始化命令 K

MC U-> P C

初始化完毕L

P 一> U C MC

开始发数据, 结束标志M

MC U-> P C

MC U执行完毕后, 返回N

等待下一条指令

图 56 数据收发流程图 - 串口

l光切知机扮制 系 i d 统史新

533 接 口说 明
中片机 i ) 步进「 挖制器乙间的连接,请石衷格 51 日几 - "表格 5 1 - 2的按1说明 1
表格 51 接 口说 明 1 -
连接到激 光怜和限位升关的串日说明:

NO 2 〕
4


C 1 N
I 1 N 1 '

月关

Lr N l
I NTI

,关 升
丫轴_刀关 L

6

l OM
二, 一

弓 -

激光
未使用

8 ONO

长用 使
6ND

对于 大电机而言,在以 下 状态可以工作

防 」 匕 卜 L一 一

表格 5 2 接口说明 2 -


说明:
. 1

当PO I 发出C 信号, P


串L脚 I ; I =0 {Ch 3 1 十 l - 寸 1 ; 1 ;
脱机或暂停

串1 6 ; - 一飞 1 脚 这时大电
机可以运动,若改变串

D(P 1 二 = P 4 ^ DUD =PI o ^

1 1 es l





一一, }/ := lD 11 'o -, }N Qw Ln y, } R) ' ll a! ]. I CF ; - 1 Y ) r l f ' R , l ; p 一 ! ,
I I 运动.我们仅使) 1, 1 a


日 ] 串1 3则停 脚 _ - I 脚

曰 } 做脱机或暂停 脚 来

的控制

四川大学顿 } 学位论交

:l tI : 引脚

J O S去 座

I

口P 八US F= P10 ^

脱机或e停 p
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2 3 4
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一 ;n 上( N
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沐电 Gn 扒N 1
脱机或暂停

_ P 那人 1 = 2 7 <
Xc = l 3 P ^ P

大电机C P信号
i信号 小插头 1 小电机 C} 脚

6

厂 D挂P 6 DU l

大 1A心 n百一 控 万 蜘 1 妙) 防向藏 )p 1i _
.F 负q Y . 轴 C" - 向 0 ,I ' , i " i l ; ; L }
小插头 a 脚 小电 , 机G ) ?

7

卜G ND 一 D书 ^ XU 朴L a

8

树心) 油石n一 I ' I 士, 撞制 小捅头3 添电 1! 命 % 浓方向 脚「

犷) 左 红娜 右 n向 半 向 )
9

XP 八US = P " E 1 4

" " 1 "' ' 小插头2 脚 小电机脱机, 0 1常运动, ! 脱机哲停

为了方便程序编写,我们进行了端口引脚进行了以下定义: 刀 大电机控制
siD A S bt U E=P ; P 1 ^ 0
siDP J E bt AlS 2=P ^ ; ll
s iDCP P : bt . 1 ^ 2 s iDUD bt

P ; 1 ^ 6

/ 小电机控制
s iX P=P ^ ; ht C 1>

s i XP bt AUS =P ^ ; E 13

si D"P ^ ; b XU t I4

, / 激光汗关
siO O F I bt F -P 1; N - 7 = siL S R t ^ ; ht E = 3 A ' 3

激光切割机控制系统更新

小电机航空插头引脚说明:

接 串口 5

接 串口 9

接 串口 8

接G ND

图 57 - 航空插头说明图

534 P . C 信号的产生 .
C 信号是控制步进电 P 机运动速率的信号,产生C 信号有两种方法: P
令 第 一种:延时法

vd i sp{ o c(t i pn t ) e

/ e为 / p 用户要求的 s t 步数

fr=;sp2+) t *;+ o(0< e j j j / 因为一步由高,低两个电平组成,所以此处步数要乘以2


f(O<xf+) 这个延时 率约 3 + / oi ;O ; r i 3i = 频 为8 K
{ }
C =C ; P !P }

. 第二种:中断法

定时器0 采用工作方式 1要产生I H 的频率, H=X B L=X O , O z O 取T OOD , OO F T

四川大学硕士学位论文

我们在程序中实际用法:

vidpnsp/ 机 o c(t I d i t ) 运动函 参数sp 运动e数 e 大电 数, t是 e p
{ /t 为用户要求的步数 /e sp
fr= ; t *;+ sp2 + ) o( 0 < e j j j

/ 因为一步由高,低两个电平组成,所以 此处步数要乘以2
{

f( O<x5;+/ +) o i ;O1 i / r= i 0 这个运动频率约比 较快,比 适 较合
厦 }
D P !C ; C =D P

} }

vixpnsp/ 机运动函 o e(t ) d i t / e 小电 数, 参数sp t 是运动c数 e p { /t 为用户要求的步数 /e sp
f心= x t *;+ s p2 + ) o O< e j j / 因为一步由高,低两个电平组成,所以此处步数要乘以2
{

f(O<x5; ) +/ 个运动 率 较快,比 合 oi ;O1 i / r i 0+ 这 = 频 约比 较 适
{

} X P !C ; C =X P }
}

每 1个C 2 P信号的运动步长是 . 5 m,那么 4 个 C 信号就运动 l m> .m 2 8 P m

C 数越少,精度就越高,字体的边缘轮廓就越光滑. P

激 光切割机控制 系统更新

第六章 结论
激光雕刻在现实生活中有着广泛的应用,对这类设备的改进有着实际的应 用价值.本次设计工作历时两年,完成了软件和硬件的 全部设计,调试, 试验
工作,最终成功的雕刻出了字体样本,取得了良好的效果.

在表格 6 1中,我们将原有雕刻机和改进后的雕刻机的功能与性能进行了 -
比较 .
改进后 成本 实时性 受其它软件干扰 生产效率 低,节省一台电脑 好,响应快 不受干扰

表格 6 1结论 -
市面上的雕刻机
高,用两台电脑
非实时

实验室原有雕刻机


非实时
受干扰

不受千扰

设计与雕刻不能同 设计与雕刻分离 低, 高,设计与雕刻分离, 高,

雕刻速度更快

时进行

此外,更新后的设计还具有以下优点: 1 . 采用了最新的单片机技术,具有超强抗干扰能力和工作稳定性.

2 . 采用 I 和 工P A P S 技术,加快了 开发周期,降 低开发成本. 3 . CC 算法校验,防止数据传输错误. R 4 . 加密性好,无法破解 5 . 雕刻速度更快,字体边缘更加光滑.
6 . 软件操作更加方便,有进度显示和平台刻度显示.

由于本次设计是基于原有的老试验平台, 而该试验平台机械已经过于老化,

更新后的性能会因此有所局限,如果把机械部分和电 电机驱动器也很老 所以 机驱动器加以更新 那么设计效果会更好.

四川大学硕士学位论文

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51

激光切割机控制系统更新

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四川大学硕士学位论文

作者在读研期间科研成果简介

,科研工作:
作为主研人员参与 " 激光切割控制系统更新" 课题.

二 ,论文:
UB 《 李文华, 况淑青, S 高速传输技术在激光雕刻系统中的应用, 机械制造
5 与 自动化》 2 0 . : - 7 , 0 46 4 4

一 —

— . 一

一 一卜 c些些丝l统 新 一 遗 9 1 系更 L





本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果.据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料,与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意. 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的,论文成
果归四川大学所有,特此声明.

指导教师 研 究 生

血拿 一

四川大学硕士学位论文





本论文是在导师周肇飞教授的悉心指导下完成的.从论文的选题,技术路

线及设计方案的制定,到论文的形成,审定,以及论文工作中的每一个环节都
得到了实验室老师的精心指导,并提出了许多宝贵意见.周老师渊博的学识,

严谨求实的学风,诲人不倦的师长风范,给作者留下了深刻印象,使作者开阔

了视野, 培养了从事研究工作的能力. 在此, 周老师 谨向 致以由 衷的感谢和真
挚的敬意 ! 特别感谢晋崇九老师和张涛老师,他们在课题研制方面对笔者的帮助从未

间断过 ,在资料收集,理论研究,系统集成和调试等方面给了笔者巨大的支持

和帮助,这里向几位老师致以衷心的感谢. 笔者在科研工作期间还得到激光应用技术研究所况淑青, 杨家鉴等同学的
帮助,在此表示由衷的感谢.

激光切割机控制系统更新

附录:部分固件源程序
# c d <e5 . i l e g2 > nu r h
#n ld < ti. icu e doh s >
#n ld < b a ch icu e s c .> a

IIII III函数声明ll1lllllllll JII Il/lllllllll l1lllll/Ill!

etn d ptni e i ad s us nd r e x rviot ( s nd dr s n ge cavl ) e o u uu g n t e , i h a ; u et s nd r t ni e i ad s ; x r u i e cai u us nd dr s e ng n h n ( g n p t e )

e e usnd r d a ( s nd r a) x m i e caSnDtu i ecaTDt; t ng h e a ng h x a
et iC mltle o ) x r v d n ii ( i ; e o o i zvd n a
etr i C mU e i r( xe v d n o o sTme2 ; )

viSs ivi ; o ylt o ) d n( d viSn( s nd r a ) o ed ni e caT D t; d u g h x a us nd r e e ; ni e caR ci ( g h e v)
vic( t ,t ; o pi s p i P d n t b C ) e vidpi s p; o c( t ) d n t e

vixp ns p; o c(t ) d i t e
vit t; o e( d ) s vieeo ( o xcm ) d ;
vidl ( t e; od a i t ) ey n i m

lll l ll /l ll I 变量定义Il lll l lll/ ll l f ll l lll llI l/ lll llllI / l llll lll
us nd r R D t ni e ca dt x a ; g h a a a
i i; nj t
siDP US =P ^ ; bt A E 0 I siD A E = ^ ; b P US 2 I I t P
s iDCP ^ : bt = PI 2
5 6

四川大学硕士学位论文

siD D P ^; bt = 16 U siX P= ^; b C P 3 t I
s iXP bt AUS E=P ^ l4

siX D P ; b U = ^ t 1 5 siO b NOF = ^ ; t F l P 7 siL E P ^ ; bt R= 3 AS 3

llll llll lll中断函数/lllllllllll lllllllllll l lllllllllll l

viC mn r pvi ie ut o o le uto ) r p4 d tr ( d n r { t
E=; SO

iR) fI (
{
RI =O:

R Da = B F x tSU; a

Sn(x a ) edR D t; a
Sn(x 1 edO2) ;

ES =1

llll主函数llll llll llll llll llll

m i) a( n
{

w i( he1 l)
(L S R ! E ; / A E =L S R / A
D D !UD; U =D

dl (0) e y30; a )
R Da = x 0 x t 00 ; a

C m nii o o lt le ; i z a
D AU E 0 P S = ;
5 7

激光切割机控制系统更新

DA S21 P U = ; E X A E ; P US = 0

Sn( ' edA) ';
w i() hl l e

{ llll lll等待上位机的初始化命令K llllllll lll lll llllllllll l llllllll l llllllll l
w i(e i (= ) e e !M' he c v ) ' lR


eeo ( xcm) ;
}
}

刀 刀 刀刀 刀 刀 了函数定义l /Il ll llllJ l lI lll ll l ll I I l ll l l l l ! l l l J ll vi Ss iv i o yl t od d n ( )


/ 向Y轴负方向 运动,没走 1 p 看一下是否碰到限 2, c 位开关? 若碰到就停止
w i(N F ) O F heO l
{ D UD= ; O

dp1 ; c(2 )
}
DUD 1 = ;

dp1) 碰到限位开关后,退回来一些, c 2/ ( ; / 使得. O F =1 N F =

J 方向 J 向X轴负 运动, 没走 1 p 看 2 , 一下是 碰到限 关? 碰到就 c 否 位开 若 停止
w i( N F ) O F he lO
笼 XUD= ; O

xpl c(2 ) ;
}
XU I D= ;

四川大学硕士学位论文

xp1 ; c( ) 碰到限位开关后, 来一些, 2/ / A回 使得O O F N F==
/ 初始化结束, 发给上位机结束命令L
Sn( ' ; e d L)

viSn(ni e caT D t o edus nd r a ) d g h x a

S U = D t; B F x a T a

w i = 0 } he l ) lT ( {
T二 ; l.

us nd r e e ni e caR ci ( g h e v)

w i() hl 1 e

iR ) fI (

R= ; IO

RDt S U ; x a=B F a Q t ed o n; o

ed n

rtr x aa e n R D t; u

vi dl ( t e od a i t ) e yn i m

/t 为用户要求的步数 /e sp

激 光切割机控制 系统 史新

fo O<m *j+ / o =,t e +) 因为一步由高, r j i 2 低两个电 平组成, 此处步 所以 数要乘以2
{

f (0<xfi ) / oi jO3 + r = f + / 这个延时频率约为8K 3

vic( t ,t o pi sp i P d n t b C ) e

/t 为用户要求的步数 /e sp
因为一步由高,低两个电平组成,所以此处步数要乘以2 fr= ; s p2+ ) / o( 0<t *, + j j e j
{

f ( O<xfi ) / oi ;O3,+ r i f = + / 这个延时 频率约为8K 3
{ }
C =C ; P !P

} }

vidpi s p o c(t ) d n t e
{

/e 为 / p 用户要求的步数 s t
f (0<t *j+ / o j jsp2+) 因为一步由高,低两个电 r= e I 平组成, 此处步 所以 数要乘以2

f(O<xfi ) / oi ;O3;+ / r= i + 这个延时 频率约为8K 3
{ }
DC =DC ; P ! P

} }

vixpi s p o c( t ) d n t e

四 川大学硕士学位论文

/t 为 /e 用户要求的步数 sp
f(O<t *;+ / oj ;sp2+ ) 因为一步由 r je j = 高,低两个电 平组成, 此处步数 所以 要乘以2
{

f ( 0<xfi ) / o i ;O3 , + r= i + 这个延时频率约为 8K 3

XC = X P P !C ;

viee o xO d

f ( O<26; + o i ; 378 + ) r= i i
{

inu i x1&n t >xdcnn ; O4& i uiO4) i e/ f pt) ( (< i p( ) otu / 遇到非法字符就 跳过

inui M'r k/ f pt=' ) ; ( ( i ) b a/ e 遇到结束标志,就停止执行 si (p () t) wt i ui cn h


c e ' U =;( D )r k , Pb a; a ': Op 8 C ;e sA D D c 4
c s' : ae B'

f i ;4+) o = i ;+ 代 O< i
{

D D O p1,C ) U =; ( D P; c 2 X D l p1,C ) U =; ( X P; c 2
}r k b a; e

c e ' U =;( , Pb a; a ': O p 8 C )r k sC X D c 4 X ;e
c s' : ae D'

f ( O<;+ o i ;4+ ) r= i i
{

D D lp 2 C ) U =; ( , P; c 1D

激光切割机控制系统更新

X D I p1,C ) U = ; ( X P; c 2
)r k be ; a

c e ' U = ( ,C ) r k sED a ': D I p4 D P; e ; ; 8 c ba
c s '' ae : F

fr= ; 4+ ) o( Oi ; + i <i
{

D D I 1,C ) U = ; ( D P; c 2 p

X D O p1X P; U =; ( ,C ) c 2
}r k be ; a

csG: D O p 8 C ) r k ae ' U = ; ( , P; a; ' X c4X b e
cs' : a eH'

fr= ; 4i ) o( Oi ; + i < +
{

D D O p1D P; U = ; ( ,C ) c 2
X D O p1,C ) U = ; ( X P; c 2
}ra ; bek

刀 执行数据,完毕后返回N给上位机
Sn ( ' ed' ) N;

vieeo o xcmQ d

sih x a ) wt ( D t cR a

c e ' U - ; p 8b a; s A D D c 4 ;e a ' : O d ( )r k
c eB' s a ':

fr= ; 4+ ) o( Oi ;+ i <i

62

四川大学硕士学位论文

D D O c( ) U = ; p1 ; d 2

X D Ic( ) U =; p1 ; x 2
)ra; bek

c e ' U =; p 8b a; a ': O c( )r k sC X D x 4 ;e
cs ' : ae D'

fr= ; 4i ) o( Oi ; + i < +
{

D D I ( ) U = ; p1 ; d 2 c X D l c( ) U = ; p1 ; x 2
)r k be ; a

c e ' U - p 8b a; a ': I c( )r k sE D D ; 4 ;e d
c s '' ae : F

f ( O<;+ o i ;4+) r= i i
{

D D l c( ) U = ; p1 ; d 2 X D O c( ) U = ; p1 ; x 2
)ra; bek

c e ' U =; p 8b a a ': O c( )r k sG X D x 4 ;e ;
cs ' : ae H'

fr= ; 4+ ) o i i ;+ ( O< i


D D O c( ) U = ; p1 ; d 2

X D O c( ) U =; p1 ; x 2
)ra ; bek

cs' L S R l r k ae' A E = ; e ; 1 : ba
csT: E = ;ra; ae L AS R Obek

c e ' yit; l ( )r k a ' : nQd a 5 ;e ; sK Ss i e y 0 b a
d f l ra ; utbek ea :

激光 切割机控 制系统更新

/ 执行数据,完毕后返回N给上位机
Sn( ' ed' ) N;

v i ts od t eQ

f叹= ; l o i0i O 什) < ; i S n ( pt) edi u() n i;

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