基于C8051和μC/OS-Ⅱ的数控机床嵌入式执行控制器实现

在数控机床系统中，功能模块可分为两大部分：一部分是实时性要求不高的功能，例如人机界面交互管理等;另一部分是实时性要求高的功能，主要有伺服控制、插补计算等。根据这一特点，该系统采用两级控制结构，利用 IPC丰富的软件资源，提供图形化的人机交互环境;利用嵌入式执行控制器的高实时性和稳定性，实现快速、可靠的控制，充分发挥了二者的优点。两级之间用串行口进行实时通信。本文主要介绍嵌入式执行控制器的实现。

1 数控机床系统硬件结构

数控机床系统硬件结构如图1所示，IPC作为上位机，安装有专用软件，实现人机交互;C8051020 芯片及其外围电路构成的嵌入式执行控制器作为下位机，负责实时、可靠的控制。执行控制器通过串行口接收上位机的命令信息(包括：插补命令、开关量控制命令)，再将这些信息转换成控制信号输送给相应的执行部件。例如，将插补命令转换成一连串的插补信号，输送给电机控制部件;将开关量控制命令转换成输出信号，通过I/O驱动隔离接口板输送给相应的开关控制器。执行控制器同时还有2个检测任务：一个是刀具是否运动到各轴限位点的检测，另一个是间隙电压的检测。这两个信息将为运动时的自动调节控制提供依据。执行控制器还负责将运行中的状态信息组装成帧，实时地传送给上位机。

2 μC/OS-Ⅱ在C8051F020上的移植

要使用μC/OS-Ⅱ，首先就必须把这个内核成功地移植到C805lF020上。μC/OS-Ⅱ的移植主要是对OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_ C.C三个文件进行修改，下面就具体的修改内容做介绍。

2.1 OS_CPU.H文件的修改

OS_CPU.H包括了用#define定义的与处理器相关的常量、宏和类型定义。其中，需要修改的部分如下：

2.2 OS_CPU_A.ASM文件的修改

该文件包含4个汇编语言函数。

(1)OSStartHighRdy()函数在多任务系统启动函数OSStart()中调用。作用是设置系统运行标志位OSRunning=TRUE;将就绪表中最高优先级任务的栈指针Load到SP中，并强制中断返回。

(2)OSCtxSw()函数是在任务级切换函数中调用的。作用是保存当前任务的环境变量，将当前SP存入任务TCB中，载入就绪最高优先级任务的SP，恢复就绪最高优先级任务的环境变量，中断返回。这样就完成了任务级的切换。

(3)OSIntCtxSw()在退出中断服务函数OSIntExit()中调用。作用是实现中断级任务切换。

(4)OSTIcklSR()系统时钟节拍中断服务函数，其周期的大小决定了内核所能给应用系统提供的最小时间间隔服务。该中断由C8051F020的TO定时器完成，设置定时时间为20 ms。修改代码如下：

其中：TOVAL是16位定时器T0的时间常数，该系统采用25 MHz的外接晶振，模式1(16位)定时。

2.3 OS_CPU_C.C文件的修改

该文件中定义10个C函数，如下：

其中，最重要的是OSTaskStklnit()，它的作用是初始化堆栈，返回堆栈的最低地址、堆栈的长度，方便汇编语言实现任务的切换。其他9个函数是暂无具体功能，其功能可以根据需要在系统内核扩展时添加。

3 基于μC/OS-Ⅱ的数控机床系统设计

3.1 执行控制器的软件结构

如图2所示，系统总体分为3个功能块，即：与IPC的通信、命令解释和命令执行。其中，通信有发送和接收两方面内容;命令解释时，直接执行开关量控制命令;命令执行中，需要进行插补计算、检测间隙电压和限位开关状态及加工监测。

3.2 任务划分及其优先级的确足

(1)发送任务

嵌入式执行控制器发送给IPC的信息有2种：联络信号和运行中的状态信息。嵌入式执行控制器处于待命状态时，定期向IPC发送联络信号，用于确定IPC是否正常工作。若IPC运行正常，则IPC收到联络信号后，会回送给嵌入式执行控制器一个应答信号，若发送的多次联络信号都未收到应答，则认为IPC出错。嵌入式执行器处于加工状态时，将运行中的状态信息以固定格式定期向IPC发送。IPC收到信息后，将其转换成图形、文字等信息显示出来，提供给操作员，便于实时掌握加工状态，发送任务的实时性要求低。

(2)接收任务

嵌入式执行控制器接收IPC机发送的联络、应答和命令3种信息，若接收到联络信号或应答信号，则接收任务直接处理(发送应答信号或刷新联络状态位);若既不是联络信号也不是应答信号，则认为是命令信息，接收任务将命令完整接收后，关闭写接收缓冲区，激活命令解释任务。接收任务是由通信口接收中断触发的，其实时性要求高。

(3)命令解释任务

命令解释任务首先对接收缓冲区的命令信息进行校验和解释，处理完成后，清空并开放接收缓冲区，允许新命令的接收。这样做的目的是不在接收缓冲区中积压多条命令，在当前命令解释完成之前，不接收新命令，以提高嵌入式执行控制器对命令的响应速度。根据命令执行时间的长短，将命令分为开关量控制命令和插补命令2 种。开关量控制命令的执行时间短，因此在命令解释后直接执行，以减少任务切换的时间消耗。插补命令是加工命令，运行时间长，采用专门的加工监控任务来执行，命令解释任务只负责在命令解释完成后激活加工监控任务。命令解释任务的实时性要求高。

(4)加工监控任务

加工监控任务根据当前的工作状态(手动方式或自动方式)激活插补计算任务，并进行加工状态的监控。手动工作方式下，操作员在PC机上手动控制刀具向 -x，+x，-y，+y，-z，+z六个方向运动、刀具返回基准点、端面找正和孔中心定位等操作。自动工作方式下，操作员向控制器传送直线、圆弧的运动命令，控制器自动完成该线形的运动。加工监控任务的实时性要求较高。

(5)插补计算任务

插补计算任务是计算轮廓起点和终点的中间点坐标值。本系统采用逐点比较法进行插补，插补任务每执行1次产生1个行程增量，每个行程增量以1个脉冲的方式输出给步进电机。插补任务的运行周期可能低于操作系统时钟，达到每秒数千次，因此使用定时器1作为插补运动时间控制器。插补计算任务在该软件中的实时性要求最高。

(6)间隙电压检测和限位开关状态检测任务

该系统用于电火花线切割数控机床，间隙电压是电火花加工时工具(电极丝)与工件之间的放电电压，该数据是对放电加工过程进行实时检测的重要参数，需要实时采集。限位开关是指刀具运动到加工台边界位置时，触发的一个状态开关。当到达这个感应开关时刀具应该停止工作，起到一个保护作用，也就是限定了运动的位移，该信息也需要实时采集。这两个任务具有实时性高，执行频繁，执行时间短的特点，因此把它们设为一个检测任务。与插补任务相同，由于检测任务的运行周期低于操作系统时钟，因此使用定时器3作为检测任务的时间触发器。

上面将实现的功能划分为6个任务，介绍这些任务的功能，并对其实时性要求做了分析。上述任务划分如表1所示。

3.3 任务间通信

在完成任务划分后，还需要考虑任务的通信和同步。发送任务与检测任务是独立的，接收任务、命令解释任务和加工监控任务存在联系，如图3所示，这里需要使用信号量和邮箱解决任务间的通信同步。

(1)命令信号量SemCmd。当接收任务接收到一条命令信息时，发出该信号量，由命令解释任务接收，取出并解释命令后，清除该信号量，允许接收新命令。

(2)加工启动消息邮箱Mbox。当命令解释任务发现命令信息为插补命令时，将信息翻译成约定格式存入邮箱，发送出去，加工监控任务接收。

4 实验结果

实验测试，IPC通过串口向执行控制器发送直线插补命令G01X1000Y2000\LF，如图4所示，观察返回信息中的x，y轴坐标，各点基本分布于点(O，O)与点(1000，2 000)的直线周围，误差小于1个运动当量，这说明整个系统运行正常。

5 结语

C8051F020处理器具有丰富的硬件资源和强大的处理性能，μC/OS-Ⅱ具有实时性高，通用性好，移植、扩展方便等特点。基于该软硬件平台，可以降低系统的复杂度，提高产品的开发速度。经验证，该硬软件系统能满足该数控系统的要求，具有可行性。