基于嵌入式SoC单片机C8051F120的雕刻机数控系统

　　随着计算机技术的发展，雕刻机完成了从2D、2.5D到3D的加工变革，功能趋于完善、性能更加稳定，从而在制造业、建材业和广告业等领域得到了广泛应用。与此同时，随着市场竞争的加剧，国产普通雕刻机的价格也降低至万元以下，使得雕刻机生产厂不得不在降低生产成本、尤其是降低控制系统成本方面寻找出路。以木工雕刻机为例，在目前国内市场上，木工雕刻机数控系统通常采用两种方案：一种是基于PC机的方案;另一种是基于DSP运动控制器的方案。

　　基于PC机方案的雕刻机是由计算机、控制卡、电机驱动器和机械主体等4部分组成，由PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控，计算机安装有诸如MACH3等的专用雕刻软件，利用专业软件进行图样设计，并经由计算机PCI总线接口，将设计与排版的信息传送至雕刻机控制卡中，再由控制卡将这些信息转换为能驱动步进电机或伺服电机的脉冲信号，控制x、y、z 3个坐标轴的走刀定位。此方案采用通用雕铣软件，利用PC机现有资源，雕刻机主要由电脑控制，是一种高效的CNC雕刻机系统方案。

　　基于DSP方案的雕刻机数控系统，其主要特点是采用DSP和单片机构成控制器，DSP完成对各坐标的运动控制，单片机管理人机界面，被称为手柄控制的雕刻机。图样设计生成的标准nc文件事先准备好，并保存在U盘上，通过USB等串行接口输入给数控系统，这是一种低价高效的雕刻机数控系统方案。常用的专用DSP芯片有4轴运动控制芯片MCX314As和PCL6045B等，这些DSP具有强大的硬件插补功能，使得在室外工作的雕刻机操作更便捷，一般木工雕刻机和石材雕刻机均采用该控制系统。

　　不同的应用领域，所要求的雕刻机的性能亦不相同，本文提出的雕刻机数控系统方案，直接利用SoC单片机来构成控制器，是一种采用单片机软件来完成插补运算的解决方案。

1 雕刻机控制系统的硬件原理框图

　　在Silicon Labs推出的8位嵌入式SoC单片机中，混合信号单片机C8051F120的速度最高，可达98 MI·s-1。为保证程序的全速运行，加快运算速度，C8051F120单片机除具有转移地址高速缓存和指令预取引擎外，还需具有乘法和累加引擎MAC0，其能使单片机在两个系统时钟周期内，即可完成整数或小数的乘法和累加。该单片机具有高达128 kB的片上Flash存储器，8 kB片上外部RAM，可扩展64 kB片外RAM，在线编程，并提供非易失性数据存储，允许固件现场升级。有64个I/O口，5个16位定时器，6路16位可编程计数阵列PCA，增强型的硬件串行接口SPI，SMBus和两个UART等，是真正独立的系统级芯片解决方案。

　　C8051F系列单片机集成度高，且具有交叉开关功能，其大部分对外引出脚，除Uart接口的两个信号Tx和Rx外，均可在设计电路板时，根据布板随意连接，图1所示为基于C8051F120单片机的雕刻机数控系统硬件框图。

　　如图1所示，高速单片机C8051F120是整个数控系统的中心，人机界面由4x4矩阵式按键电路和彩色LCD显示模块组成。用户通过按键电路设置的加工参数，保存在单片机内部的非易失性Flash区。LCD显示器选用点阵式彩色智能模块，具有256种颜色，颜色格式为RGB332，并采用通用串行UART接口连到单片机，操作指令简单，且节省了单片机的接口线。

图1 雕刻机数控系统硬件原理框图

　　用户通过浮雕软件设计的雕刻图案，最终会在PC机上生成一个后缀为，nc的文本文件并存入U盘中，U盘接口模块的作用，便是通过SPI接口连接到单片机，由单片机将加工文件读出后进行加工。带后背锂电池的RAM型号为DS1245W，容量为128 kB，其连接到单片机的扩展并行接口，成为单片机的片外RAM，既是对读入的加工文件的有效缓存，也能在系统发生停电等故障时，保存和记忆当前的加工进程，以便系统恢复供电或排障后，能继续按照前面的断点完成加工。由于单片机的片外RAM地址只有16位，寻址空间最大为64 kB，需要用单片机的输出引脚来对其进行页切换，将SRAM的128 kB存储空间分成两页。

　　x、y、z轴的3个传感器，均采用由槽形光耦组成的限位电路，其特点是限位精度高，易于与单片机接口。对刀传感器采用微动开关，其作用是检测被雕刻材料的厚度。步进电机驱动器采用两相电流细分式驱动器，细分系数和输出电流，均可根据滚珠丝杠的负载大小情况来设定，驱动器和单片机之间有光电隔离电路，接口信号为方向信号Dir、走步脉冲信号Pul和有效选择信号En。