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      引言

      隨著電子工業(yè)以及計算機行業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)及日常生活上對印制電路板的需求量與日俱增。數(shù)控鉆床是PCB 加工過程中的必備設(shè)備。本設(shè)計構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)硬件以德州儀器的TMS320F2812 為核心，軟件采用上位機與下位機聯(lián)合工作的方式。與目前常用的PCB 鉆床數(shù)控系統(tǒng)相比，在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上大大降低了成本。硬件設(shè)計系統(tǒng)包括上位機和下位機兩部分。上位機采用PC 機，通過串口與下位機進行通信。下位機以TMS320F2812為核心，接收到來自上位機的鉆孔數(shù)據(jù)以后，通過DSP的GPIO 口控制步進電機驅(qū)動器，完成鉆頭的定位以及鉆孔的動作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

                                             圖1 硬件結(jié)構(gòu)

      DSP 的GPIO 口G4、G5、A0、A1、A2、A3 分別連接X、Y、Z 軸步進電機驅(qū)動器的DIR 和PUL 信號，由于DSP 系統(tǒng)工作電平較低，為了保證步進電機驅(qū)動器的光耦隔離電路正常工作，輸入信號采用共陽極的接法。驅(qū)動器設(shè)置為32 細分。步進電動機為42 型兩項四線電機，步距角為1.8 度。機床采用螺距為3.5mm 的梯形絲杠進行傳動。設(shè)置系統(tǒng)精確到0.1mm，因此系統(tǒng)脈沖數(shù)以183 為最小單位。

      軟件設(shè)計

      軟件功能簡介
 

      本軟件系統(tǒng)支持機床的手動控制以及根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)對PCB 進行自動鉆孔，軟件系統(tǒng)包括上位機軟件和下位機軟件兩部分。進行自動鉆孔之前需要先由Protel 或Altium Designer 導出文本格式的坐標數(shù)據(jù)文件。

      上位機可以通過按鈕控件對下位機發(fā)送手動控制命令，進行原點校正以及手動控制；同時上位機可以通過VC++ 軟件提取出文本文件的坐標數(shù)據(jù)，進而進行鉆床的自動控制。上位機綜合兩種類型數(shù)據(jù)進行進一步處理，最后通過串口控件將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。

      下位機接收到數(shù)據(jù)進行解析，進行相應(yīng)的手動或自動方式下的步進電機驅(qū)動器控制信號的輸出，進而對三個坐標方向的步進電機進行運動控制。

      上位機軟件設(shè)計

      本上位機軟件可以提取由Protel 或Altium Designer軟件導出的鉆孔坐標數(shù)據(jù)。由CAD 軟件導出鉆孔數(shù)據(jù)時選用NC Drill 類型，單位采用Millimeter，format 設(shè)置成4 ：2（精確到0.01mm），最后導出擴展名為txt 的文本文件即可。上位機軟件主要包括手動控制和自動控制兩大功能，軟件界面如圖2 所示。為了便于下位機對控制指令的識別，對發(fā)送數(shù)據(jù)的首字節(jié)進行設(shè)定：首字節(jié)一共有三種情況，分別是0xaa、0xbb 和0xcc。0xaa 和0xcc 用于手動控制的開始與停止，0xbb 用于自動控制的開始。為了便于操作，上位機啟動后直接對串口進行初始化，后續(xù)工作可以隨時開始。

                                 圖2 上位機控制界面

      手動控制

      手動控制分為“上下左右前后”三軸六個方向的按鈕，其中指定X 軸為左右運動，Y 軸為前后運動，Z 軸為上下運動，分別由相應(yīng)按鈕進行調(diào)節(jié)。為了便于手動操作，按鈕按下時機床以一定的速度向指定的方向運行，按鈕抬起時停止運動。由于微軟MFC 按鈕默認情況下不支持按鈕按下和抬起動作的分別識別，因此引入PreTranslateMessage（MSG* pMsg）函數(shù)對按鈕的動作進行捕捉并解析。

      手動控制情況下，相應(yīng)按鈕按下時，首先發(fā)送0xaa字節(jié)，然后依次發(fā)送X 軸方向及使能、Y 軸方向及使能、Z 軸方向及使能共七個字節(jié)，下位機接收數(shù)據(jù)完畢后驅(qū)動相應(yīng)步進電機轉(zhuǎn)動。當手動控制按鍵抬起后，發(fā)送0xcc字節(jié)，下位機接收后使對應(yīng)步進電機停止運行，完成一個手動控制過程。

      自動控制

      需要自動鉆孔方式運行時，通過“打開”按鈕讀入NC DRILL 文件數(shù)據(jù)，并且在左邊的顯示區(qū)對源碼、鉆孔尺寸分類以及每種孔徑的個數(shù)進行顯示，通過鉆孔尺寸下拉菜單選取相應(yīng)尺寸后點擊“開始鉆孔”即可對選定孔徑的所有坐標進行定位鉆孔。

      與手動情況下發(fā)送數(shù)據(jù)不同，由于自動控制情況下發(fā)送的鉆孔坐標個數(shù)不固定，因此需要在所有坐標發(fā)送完畢后加上結(jié)束字節(jié)0xff 以便下位機判斷數(shù)據(jù)傳送的結(jié)束，進而可以進行數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動器的控制。CAD 文件導出的坐標數(shù)據(jù)精確到0.01mm，整數(shù)位為四位有效數(shù)字。為了便于下位機處理，上位機將坐標數(shù)據(jù)處理成統(tǒng)一格式：小數(shù)點后不足兩位的用零補齊，每個坐標的X 和Y 的值都表示成六位，分別用6 個字節(jié)表示，因此每個孔位表示成12 個字節(jié)，用data.Add（）；進行依次發(fā)送。坐標數(shù)據(jù)順次發(fā)送完畢后，在最后發(fā)送0xff 字節(jié)，表示數(shù)據(jù)傳送完畢，下位機可以進行后續(xù)處理。

        下位機軟件設(shè)計

        相應(yīng)的下位機軟件可以針對上位機的兩種操作模式進行解析，進而產(chǎn)生對應(yīng)的驅(qū)動信號。下位機程序流程圖如圖3 所示。

                                 圖3 下位機程序流程圖

   
        TMS320F2812 對各部件初始化完畢后進入死循環(huán)，采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)。如果接收到首字節(jié)為0xaa，進入手動控制模式，根據(jù)后續(xù)六個字節(jié)數(shù)據(jù)判斷方向與對應(yīng)使能信號后開始輸出控制脈沖，電機帶動相應(yīng)軸運動，當接收到0xcc 后退出循環(huán)，結(jié)束脈沖輸出，步進電機進入鎖定狀態(tài)。

        如果首字節(jié)接收到0xbb，則進入自動控制模式，依次接收串口數(shù)據(jù)，當接收到0xff 時，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。根據(jù)下一點坐標與當前坐標點的差值輸出相應(yīng)的脈沖數(shù)，精確定位到下一個孔位的坐標處進行鉆孔動作。每種孔徑鉆孔完畢后需要鉆頭回到原點，但是因為成本限制的原因，機床沒有采用限位裝置，所以在鉆孔過程中用變量對行程進行累加，最后一個孔鉆孔結(jié)束后往原點方向運行累計值即可回到原點，最后退出本次循環(huán)即可。

 
        結(jié)束語

        采用VC++ 與DSP 結(jié)合的方式實現(xiàn)了高精度低成本的PCB 鉆床控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運行平穩(wěn)、高效，面向低預算的行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。