圖示儀

圖示儀能對控制晶片發出的各類脈衝和電平信號實時捕獲，並進行分析，通過圖形的形式形象地將插補算法，脈衝信號以及運動軌跡之間的關係以一組按比例縮放的脈衝序列和一個坐標圖的形式顯示出來。

基本介紹

• 中文名：圖示儀
• 外文名：graphic instrument
• 設計結構：系統硬體、軟體、測試

簡介

在數字控制的研究中經常需要檢測多軸驅動器輸出脈衝，以了解算法、插補脈衝、運動軌跡及其三者之間的關係。採用普通示波器雖然可以查看脈衝，但由於多數示波器是基於兩軸設計的，對三軸和多軸的情況進行觀察時操作很不方便，並且不能反映出脈衝和運動軌跡之間的關係。此外，在數控人才培訓的過程中，初學者通過軌跡仿真這一過程來理解和分析整個工具機各機構的工作原理具有一定的困難，要再進一步分析插補脈衝和工具機運動之間的關係難度更大。

在此設計了一種基於ARM嵌入式處理器的專用數字圖示儀，能幫助僅具有基本操作知識的使用者，直觀清楚地了解插補過程中各軸脈衝的關係和對應算法下刀具運動的軌跡。

數字圖示儀示例

基於ARM的運動軌跡數字圖示儀的設計，分別從硬體設計和軟體設計兩個方面描述了系統的實現方法。它通過較低的成本，解決了數控研究和教學過程中分析插補算法、插補脈衝和刀具運動軌跡三者間關係的困難問題，在教學實用性上效果明顯。

特點

設計一種研究數字控制(尤其是各種數字插補算法及其性能和狀態的研究)的專用數字圖示儀，其適用於數控人才培養。它具有結構簡單，價格低廉，功能實用等特點。

系統硬體設計

系統以採用NXP公司的ARM7 LPC2136高速處理器作為核心處理硬體，該處理器體積少，功耗低，價格便宜，性能較高，I/O資源豐富，運算速度滿足系統需求。根據功能的設計要求，系統的硬體組成劃分為面板控制模組、液晶顯示模組、核心處理單元和運動控制模組4大部分。

面板控制模組是由電位器、琴鍵開關和扭置開關等組成的簡單電路，供使用者進行輸入設定和調整。ARM處理器通過A/D採樣和電平檢測，獲取電位器分擔的電壓和各個開關的狀態，從而獲取輸入信息。之後根據輸入信息處理，及時調整液晶螢幕上的顯示，實現示波調整和觀測內容切換的功能。液晶顯示模組採用的是金鵬電子生產的OCM 128×128液晶顯示屏，其成本低，體積小，信號處理簡單，驅動技術成熟，十分適合本系統的套用。液晶屏的地址和數據共用數據匯流排，通過專用連線埠(如 C/D，CE，RD，WR等)控制數據和命令的輸入與輸出，其接口關係和時序簡單明確，在ARM處理器上編寫驅動程式十分簡單。運動控制模組基於專用運動控制晶片MCX314，它擁有4軸(x，y，z，μ軸)驅動能力。MCX314晶片向步進電動機驅動器輸出高低電平來控制電機的轉動方向；輸出變頻脈衝信號來控制電機的轉速。在一定的頻率範圍內，晶片輸出脈衝頻率越高，電機的轉速越高。ARM處理器對MCX314的輸出脈衝進行捕獲，獲取脈衝的時延，準確測得各軸的頻率值，再通過軟體算法將插補脈衝與刀具的運動速度和運動方向結合起來，產生運動軌跡數據，通過顯示器模擬出來。從而直觀地顯示出脈衝插補和運動軌跡的對應關係，達到預期的實驗效果。

系統的具體實現上，MCX314輸出的信號分別為方向信號(高低電平)和脈衝信號，PP代表脈衝；PM代表方向；z，y，z分別對應各方向軸。液晶屏採用 I/O方式驅動，ARM處理器由P0．12～PO．15連線埠輸出控制信號，由P0．16～P0．23連線埠寫入或讀取數據。顯示波形的縱向增益、橫向增益、觸發電平及波形的擴展分別通過4個不同的電位器控制，ARM處理器對電位器上的電壓進行A/D採樣獲取輸入信息。另外，還設計了脈衝、特性和電壓測試，以擴展該數字圖示儀的套用場合。

軟體系統設計

軟體系統由運行在實時作業系統μC/OS-Ⅱ上的兩個任務和獨立於作業系統的一個中斷服務程式組成。顯示更新任務負責將傳人數據以圖形方式及時準確地顯示在顯示屏上；操作檢測任務負責將外界各項操作的電平信號轉換為一定格式的數據傳遞給作業系統的其他任務，以便下一步處理；脈衝捕獲中斷服務程式負責計算運動控制晶片傳送的脈衝頻率，並檢測方向電平的狀態，確定電機轉動方向。

(1)顯示更新任務：該任務啟動後將檢測更新信號是否到來。若信號沒有到來，作業系統將其從運行狀態轉入等待狀態；若更新信號到來，程式從信箱中取出中斷服務程式傳送的各軸計數值或操作檢測任務傳送的顯示設定信息。經換算和比較後，選定頻率最高的軸作為基準，將其與另外兩個軸的脈衝一同顯示在脈衝顯示區中，並以正負號的方式在螢幕的方向標誌區上指示出各軸的運動方向。隨後再根據頻率值f和步進電機在單個脈衝下驅動刀具直線運動的距離l計算出實際速度，按照一定比例N衰減後得到顯示屏上的各軸運動速度v=fl/N和行進距離s=vt，進而繪製出刀具各軸向的大致行走情況。

(2)操作檢測任務：該任務啟動後將定時進行A/D採樣和I/O電平檢測，並與上次結果進行對比。如果電位器的電位發生較大的變化或功能選擇的I/O電平發生變化時，就將變換值以約定好的數據形式通過信箱傳送給顯示更新任務，並傳送更新信號量，通知顯示更新任務刷新顯示屏。

(3)信號捕獲中斷服務程式。

發生中斷後首先判斷是哪一個軸產生的中斷，然後將計數值存放在相應的變數中，並清除計時器的值，接著讀取方向信號的電平。在與上一次的計時數值比較後，如果相同，則說明工具機在做直線運動，不需要刷新顯示屏，程式返回；如果計數值或電平發生了變化，則通過信箱向更新任務傳送相關數據，然後傳送信號量通知螢幕刷新。

系統測試與套用

經測試，該系統在最高脈衝頻率為200kHz的運動控制晶片驅動下能夠正常顯示各軸脈衝的比例關係和相應的頻率值，並能準確地描繪出如直線、簡單曲線和基本弧形等加工軌跡。圖示儀的最大回響延時約為30 ms，基本上能滿足設計要求。

驅動器最高脈衝頻率為20 kHz下加工弧形時繪製的圖形。圖中弧形約占5π/8，橫軸和縱軸的速度比約為2：1。在驅動器允許範圍內，頻率表與速度成正比，即頻率比也約為2：1。圖中測試值基本符合理論值。

該系統套用於數控工具機實驗系統，教學中，取得了較好的實驗教學效果。