基于ISA总线的电火花线切割机床接口电路的设计及研究

钟孟辉,郭烈恩,沈 川

(南昌大学机电工程学院,江西南昌 330031)

ISA总线是IBM PC总线基础上发展起来的,IBM公司在PC总线的基础上增加了一个36引脚的AT扩展槽而形成AT总线[1]。虽然ISA总线目前已很少见,但由于基于该总线的接口电路对布线的要求没有PCI总线板卡那么高,所以在ISA总线上开发接口电路目前仍是人们首先考虑的方法。

在高速走丝电火花线切割系统中,常采用以步进电机为主要部件的开环位置控制系统。这种系统因结构简单,调试、维修、使用方便,成本低廉而在高速走丝机中得到了广泛的应用[2]。目前这种控制系统中,环形分配器一般采用软件分配脉冲或用专用芯片如CH 250来实现对步进电机的控制。用软件来实现脉冲的分配将占用上位机过多的资源,降低了计算机的运行效率,而且快速响应也受到了影响。若用专用芯片来实现对步进电机的控制,则控制方式不够灵活,所以其使用也受到一定的限制。本文以工控机为上位机、51单片机为下位机,采用ISA总线实现上位机和下位机间的通信。上位机实现插补计算,通过ISA总线把插补脉冲传给下位机,由下位机实现对脉冲的分配。这种控制方法灵活、占用上位机时间少、适用范围广、通用性强。这种控制方式每个控制卡可同时完成多个步进电机的控制,便于完成3轴及以上控制要求的应用。

1 接口电路的设计

整个系统主要包括上位机、译码和锁存电路、51单片机三部分组成(图1)。上位机主要负责插补计算,ISA接口电路和译码锁存电路负责上位机和下位机之间的通讯,下位机即51单片机主要负责脉冲分配,实现对步进电机的控制。

图1 接口电路的组成部分

本系统中只使用了 ISA总线中的A 0～A 9 10位地址总线来表示I/O空间,其I/O端口地址仅为000H～3FFH共1 kB,其中前512个地址(000H～1FFH)被主板上的I/O接口使用,其余200H 3FFH为插在扩展槽中的I/O通道使用,其中还有部分被通用的外部设备使用[3]。

因此在进行控制卡设计时,只能选用系统和用户都没有使用的I/O端口地址,通常用户可使用300H～31FH地址,这是IBM PC系列微机留作实验板用的地址。在本系统中选用300H作为控制卡的基地址,高位地址A 9～A2经74HC688译码产生片选信号(300H)。采用74HC373对低位地址A 0、A 1进行锁存,供单片机读取,这样本控制板的地址范围即300H～303H。

本文采用74HC245进行总线隔离,以实现在外设不使用总线的时候,能及时释放总线,让其他设备可以使用总线。用基地址译码结果(300H)接74HC245的OE端,这样只有CPU选中控制板地址时,245芯片才处于导通状态。用I/OR接245芯片的DIR端。当CPU从外设读入数据时I/OR为低电平,245芯片的导通方向为从B到A,其他状态则保持从A到B的导通状态。

由于CPU的速度要比下位机(51单片机)快得多,为了保证CPU的正常运行和数据的正确传输,本系统采用74HC373对数据总线进行锁存,以解决高速的CPU和低速外设之间的矛盾。如图2所示,373芯片的OE端接I/OR的反相电平。因为D0D7接在单片机的P0口上如图3所示,当单片机向上位机传输数据的时候,373的输出端应处于高阻状态。373芯片的锁存允许端LE必须保证当上位机向下位机传输数据的时候处于导通状态,即LE应为高电平,而在上位机数据传输周期结束之前对数据进行锁存,以供单片机读取。即LE应在数据传输周期结束之前变为低电平。

图2 锁存和译码电路

图3 下位机电路

2 软件的开发

本系统上位机的运行环境是Window s XP系统,但Window s对系统底层的操作采取了屏蔽的政策,因此在涉及底层操作时就要深入到Window s的内核去编写属于系统级的设备驱动程序[4]。在本系统中采用Win Io库的函数对 ISA接口进行读写操作,WinIo库通过使用内核模式下设备驱动程序和其他一些底层编程技巧绕过Window s安全保护机制,允许32位Windows程序直接对I/O进行操作。采用SetPortVal()和GetPortVal()两个函数来对I/O进行读写操作。

如图3所示,当上位机向300H～303H输出数据时,由基地址片选信号和写控制信号合成的信号就会触发单片机的外部中断0(INT0)。这时单片机就迅速读取P2.0和P2.1的地址信号,确定上位机发送的控制对象(300H～303H分别对应X、Y、U、V 4轴);然后再读取P0口的数据,决定脉冲个数和脉冲方向;最后由P1口通过光电隔离元件向步进电机驱动电路发送各轴步进电机的进给脉冲信号和方向脉冲信号,脉冲宽度由单片机采用定时器0以中断的方式来设定。当步进电机转到预定角度后,由反馈端Xback、Yback向单片机发送就绪信号,以便接收下一个进给脉冲。

3 结语

本控制系统已运用在高速走丝电火花线切割机床上,实践证明其具有控制灵活、安全可靠、抗干扰能力好等优点。在此接口电路的基础上,还可开发各种带有中断功能的更复杂的控制板,如可将线切割间隙控制系统也集成到该接口电路中来。

[1] 蒋志峰,蒋伟峰,刘济林.基于ISA总线接口电路的设计及研究[J].实验室研究与探索,2000(1):82-86.

[2] 秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉:华中理工大学出版社,1995.

[3] 王力虎,李红波.PC控制及接口程序设计实例[M].北京:科学出版社,2004.

[4] 杨强,李秋堂.Win9X虚拟设备驱动程序编程指南[M].北京:清华大学出版社,1999.

[5] 李慧君.基于ISA总线电火花线切割脉冲电源的研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2007.

[6] 戴向国,傅水根,王先逵,等.基于ISA总线的步进电机控制卡设计[J].机械与电子,2001(5):31-32.

[7] 陈云,闫如钟,陈明.基于 ISA总线的步进电机控制器软硬件实现[J].组合机床与自动化加工技术,2002(7):64-65.