1　引言

在數(shù)控機床中，手動操作面板總是必不可少的，其特點是1.有些輸入量是互斥的，不允許誤操作，由機械的互鎖關系來保證要求;2.鍵的通/斷用電平觸發(fā)不同狀態(tài)，而不是用沿觸發(fā)不同狀態(tài);3.允許多個狀態(tài)同時輸入并可靠地做出相應的反應;4.能對設備當前狀態(tài)進行必要的提示，如使用信號燈、發(fā)光二級管或液晶顯示屏。現(xiàn)有的設計大多將手動操作面板的輸入/輸出作為開關量I/O的一部分，統(tǒng)一由一臺內(nèi)置的或外置的可編程控制器（PLC）進行控制。數(shù)控機床生產(chǎn)廠家根據(jù)自己機床的工藝特點，購買數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過二次開發(fā)，形成工藝性能和操作互不相同的數(shù)控機床產(chǎn)品。二次開發(fā)的工作量絕大部分在于開關量I/O的設計，而其中又有60%以上的工作是根據(jù)工藝性能與操作設計手動操作面板［1］。事實上，手動操作面板的輸入/輸出僅僅是控制信號開關量I/O，對其驅(qū)動能力的要求很低，是一類特殊的數(shù)控機床開關量I/O。如果將手動操作面板的輸入/輸出與數(shù)控機床其它開關量I/O不加以區(qū)別，會大大增加數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的工作量，數(shù)控機床手動操作面板無法標準化和模塊化，其經(jīng)濟性也會受到很大影響。

本文提出了一種基于89C51/52單片機的數(shù)控機床面板智能處理單元，該處理單元通過標準串口與數(shù)控系統(tǒng)交換信息，可以顯示數(shù)控機床的基本狀態(tài)和對其進行手動操作。該工作是國家863計劃“PC外設型完備數(shù)字機床及其關鍵技術研究”的一部分研究內(nèi)容，已經(jīng)用于三坐標數(shù)控銑床。

2　工作原理

89C51/52單片機具有片內(nèi)ROM、16位計數(shù)和標準串口［2］。在89C51/52單片機構成數(shù)控機床面板智能處理單元中，一般不需要外部擴展ROM和RAM，單片機I/O口的一位對應一個輸入/輸出量，若單片機I/O口不夠，可以進行擴展。單片機以定時中斷檢測輸入，一旦發(fā)現(xiàn)輸入電平變化，就將其對應的新狀態(tài)由串口發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。另一方面，數(shù)控系統(tǒng)通過串口將需要顯示的信息發(fā)送給單片機。由于采用了串行通信，數(shù)控系統(tǒng)與面板智能處理單元的接口是標準的，操作面板的信息處理基本上不占用數(shù)控系統(tǒng)CPU的時間，而且面板智能處理單元本身成為一個標準化模塊。圖1為數(shù)控銑床面板智能處理單元的原理圖。圖中，數(shù)控銑床手動操作面板的輸入/輸出信息大致有以下幾類：

圖1　數(shù)控銑床面板智能處理單元原理圖

1）工作方式選擇：手動/自動/回原點

2）單步進給量選擇

3）連續(xù)進給速度選擇

4）進給速度倍率選擇

5）進給坐標選擇

6）主軸電機、泵、電磁離合制動器等的通/斷控制

7）急停

8）暫停及顯示

9）進給坐標超行程顯示

10）故障顯示

其中，工作方式、單步進給量和連續(xù)進給速度等的選擇與進給速度倍率選擇分別用轉(zhuǎn)換開關1和轉(zhuǎn)換開關2在不同狀態(tài)間切換。同一個轉(zhuǎn)換開關控制的狀態(tài)具有機械互鎖，可以避免由于誤操作同時接通兩個或兩個以上具有互鎖關系的狀態(tài)。圖1中其余的輸入/輸出量均由單片機的I/O口直接控制，可保證多個狀態(tài)同時可靠地輸入/輸出。

3　系統(tǒng)軟件

89C51/52單片機數(shù)控機床面板智能處理單元上電復位初始化后，進入中斷工作狀態(tài)，允許定時中斷和串行中斷。在定時中斷中，將檢測輸入狀態(tài)有無變化，并將變化了的輸入狀態(tài)由串口發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng);數(shù)控系統(tǒng)需要由手動操作面板顯示的信息從串口發(fā)送給單片機，并由單片機串行中斷服務程序作出相應的處理

單片機上電復位及初始化可以在極短的時間內(nèi)完成，而數(shù)控系統(tǒng)的初始化則需要較長的時間。在數(shù)控系統(tǒng)的初始化沒有完成時，串行通信無法工作，因此單片機的主程序在完成初始化后，要等待數(shù)控系統(tǒng)從串口發(fā)送“READY”信號，并在接收到“READY”信號后開始對操作面板的輸入/輸出進行控制。

在定時中斷服務程序中，逐一檢查每個鍵的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)某一個鍵的狀態(tài)發(fā)生變化，便將新的狀態(tài)從串口發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng)，同時退出中斷服務程序，否則，在檢查完所有鍵后退出中斷服務程序。為了檢測鍵狀態(tài)的變化，必須將鍵原先的狀態(tài)存放在內(nèi)存中，用00H表示鍵處于接通狀態(tài)，F(xiàn)FH表示鍵處于斷開狀態(tài)。當讀到某個鍵處于接通狀態(tài)時，先判斷其內(nèi)存中的值是 80H還是《80H，若內(nèi)存中值 80H，說明鍵原來處于斷開狀態(tài)，將其減1后若 FCH，則存入內(nèi)存，若

圖3　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4　結(jié)論

本文提出了一種新的基于89C51/52單片機數(shù)控機床面板智能處理單元，從理論分析和實際應用可以得到以下結(jié)論：

（1）面板智能處理單元滿足數(shù)控機床手動操作面板的功能需求，軟硬件設計合理，可靠性高;

（2）利用串行通信，使手動操作面板成為一個接口簡單并且標準的模塊;

（3）本文提出了一種軟件消除鍵抖動的算法，該算法具有可靠和簡單等優(yōu)點;

（4）面板智能處理單元具有很好的擴展性，可以十分方便地擴展單點輸入/輸出口，還可以帶動數(shù)碼或液晶顯示。