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。

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。

2 空间直线的逐点比较插补算法

逐点比较法是国内数控机床中广泛采用的一种插补方法，其能实现直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高。逐点比较法即每走一步，均要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向，若加工点走到图形外，则下一步就要向图形内走。若加工点在图形内，则下一步要向图形外走。这样就能得出一个接近规定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步，均需要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较4个步骤。对于一条二维平面直线，无论处于哪个象限，对其进行逐点比较法直线插补时，由以下3式计算

N=|xe-x0|+|ye-y0| (1)

Fx=F-|y|，当x≥0，走x后 (2)

Fy=F+|x|，当y<0，走y后 (3)

其中，N代表总步数;F表示判断式;x，y表示坐标。

通常情况下，在雕刻图形的设计和生成阶段，首先要预置雕刻的精度参数，所以y轴的进给量一般较小，且每步固定，雕刻的精度要求越高，则y轴的进给量则越小，这也使得雕刻文件的行数大幅增加。z轴的最大行程，一般略大于被加工材料的厚度。在3个坐标中，x轴的运动量最大，其行程由被加工材料的幅宽决定。所以在进行空间直线插补时，是假定了该空间的x轴进给的步数最大。即要在以长轴为基础建立的两个平面坐标系内进行差补运算，才能插补出正确的空间直线轨迹。因此，每读出一行雕刻加工的坐标数据，均要先行判断，找出步数最长的轴，再以其为关联轴来构建两个插补平面，这样才可将对空间直线的三维差补计算，转换成对二维平面的差补，其程序流程如图2所示。在通常情况下，木工雕刻机一般为2.5D，以x、z轴的两维插补为主，即当y轴进给时，x、z轴停止;而当x、z联动时，y轴停止。

3 雕刻机数控系统软件设计3

数控系统软件采用结构化、模块化的程序设计方法，由主程序、中断服务程序和功能子程序组成。主程序结构简单，主要完成对单片机系统及雕刻机各驱动轴的初始化，对键盘扫描并跳转到相应的功能模块中。中断服务程序主要包括步进电机变频驱动程序等。功能子程序主要包括LCD显示模块、参数设置模块、U盘文件读取模块、文本转换模块、步进电机走步程序、插补运算程序、对刀程序、复位程序以及故障诊断程序等。

LCD显示模块主要包括：LCD初始化、调色板设置、字符间距设置、前景画图、背景画图、字符显示、区域填色和清除、背光控制、波特率设置等程序。

U盘读取模块完成对U盘的读写，主要包括U盘检测、创建文件和目录、打开文件、读文件、删除文件和目录、列举目录下的文件名等程序。

步进电机走步程序采用T0中断，在中断中发送步进电机进给脉冲，调用插补运算程序，并根据启停变频的需要来改变T0时间常数等。插补运算程序作为子程序，被T0中断程序调用。

文本转换程序的作用是将U盘上的nc文件，转换成二进制数据。浮雕软件生成的雕刻文档，是标准的以ASIIC码格式保存的数控加工文件，实际上就是一行行的坐标数据，只有将其经过命令行识别，坐标行识别，结尾、换行和文件头尾的识别，转换成二进制数据，并按照一定的数据结构，存放在单片机的片外RAM中，才可为单片机所用。

特殊功能模块包括对刀程序和内置木工机械加工程序，对刀程序用来检测被雕刻材料的厚度。其他工机械功能有纵向锯断、横向锯断、边缘刨平、端面刨平、平面斜铣、端面斜铣和刨槽等。这些内置功能大幅简化了机器的操作，扩展了机器的使用范围。

4 结束语

基于嵌入式SoC单片机C8051F120的雕刻机数控系统，充分发挥了单片机的高集成度和高速度特性，使得控制系统的结构简化、成本降低。经用户测试，雕刻精度为0.01 mm，达到了设计要求。该系统稳定可靠，是一种低价、高效、简便的雕刻机数控系统解决方案，通过本方案的研究，为中小用户提供了台式低价的雕刻机，从而拓宽了现有雕刻机的用户群。