基于ATmega16的氣動(dòng)標(biāo)記控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了當(dāng)前普通標(biāo)記機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及其存在缺點(diǎn)，給出氣動(dòng)標(biāo)記機(jī)及相頻修正PWM模式的工作原理。采用ATmega16單片機(jī)和USB轉(zhuǎn)換RS232接口器件CH1341T實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與PC的實(shí)時(shí)通訊，標(biāo)記控制系統(tǒng)可升級(jí)到USB接口。采用基于ATmega16的相頻修正PWM替換555振蕩電路產(chǎn)生的PWM，可直接通過(guò)軟件調(diào)整PWM信號(hào)。使用達(dá)林頓三極管TIPl22替代直流繼電器驅(qū)動(dòng)高頻電磁閥，使得電磁閥驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，成本低廉。該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于氣動(dòng)標(biāo)記機(jī)。
關(guān) 鍵 詞：標(biāo)記針；相頻修正PWM模式；高頻電磁閥；直流繼電器；ATmeag16；CH341T

1 引言
    氣動(dòng)標(biāo)記機(jī)廣泛應(yīng)用于銘牌、各種零部件及汽車大梁，但隨著需求變化，對(duì)標(biāo)記機(jī)的穩(wěn)定性、便攜性、多任務(wù)性提出了更高要求。標(biāo)記軟件由以前的DOS系統(tǒng)升級(jí)到Win98、Win2000，WinXP等版本，功能越來(lái)越復(fù)雜，然而，硬件設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有變化。
    由于普通標(biāo)記機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)記專用軟件將圖形信息轉(zhuǎn)化為脈沖信息后需通過(guò)I／O接口(ISA、PC擴(kuò)展卡或并口)輸出至驅(qū)動(dòng)控制板，然后再由驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。但目前大多數(shù)個(gè)人PC機(jī)、筆記本電腦都取消并口、串口配置的擴(kuò)展I／O卡，而使用IJSB接口。普通標(biāo)記機(jī)的PWM信號(hào)采用555振蕩器和多個(gè)阻容元件構(gòu)成一個(gè)無(wú)穩(wěn)態(tài)的占空比和頻率均可調(diào)的多諧振蕩器，當(dāng)調(diào)整PWM信號(hào)時(shí)，打開(kāi)控制箱，則通過(guò)調(diào)節(jié)兩只可調(diào)電阻調(diào)整PWM信號(hào)的頻率和占空比。為了解決上述標(biāo)記機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，采用單片機(jī)ATmegal6和USB轉(zhuǎn)換RS232接口器件CH341T組成通信接口，標(biāo)記控制系統(tǒng)升級(jí)到USB接口：采用ATmegal6的相頻修正PWM替換555振蕩電路，可直接通過(guò)PC軟件修正PWM信號(hào)的頻率和占空比，使得PWM信號(hào)調(diào)整便捷。

2 ATmegal6相位與頻率修正PWM模式
    ATmegal6相位與頻率修正PWM模式是一種頻率與占空比精確的PWM信號(hào)。采用固定TOP值的工作模式，即16種PWM波形產(chǎn)生模式的模式8，簡(jiǎn)稱相頻修正PWM模式。
    相頻修正PWM模式基于雙斜坡操作，其工作時(shí)序如圖1所示。TCNTn重復(fù)從BOTTOM計(jì)數(shù)到TOP，然后又從TOP返回至BOTTOM。在一般比較輸出模式下，當(dāng)TCNTn向TOP計(jì)數(shù)時(shí)，若TCNTn與OCRlx相匹配，OClx清零，并置為低電平；當(dāng)TCNTn向BOTTOM計(jì)數(shù)時(shí)，若TCNTn與OCRlx相匹配，OC1x置為高電平，工作于反向輸出比較時(shí)正好相反。比較單元在OClx引腳輸出PWM波形，其輸出PWM的頻率變量N是分頻因子(1、8、64、256或1024)；變量fclk為CPU時(shí)鐘；變量TOP是計(jì)數(shù)器最大值。如果PwM工作頻率已知，則當(dāng)TOP確定后，調(diào)整OCRlx值。即調(diào)整占空比來(lái)獲得所需的PWM波形。采用固定TOP值工作模式時(shí)，建議使用ICRl寄存器定義TOP，這樣OCRlA就可采用OC1A輸出的PWM(共用相同4氣動(dòng)標(biāo)記機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用改進(jìn)后的標(biāo)記機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為安裝在PC上的人機(jī)交互界面和燒寫ATmegal6的實(shí)時(shí)控制軟件。其前者負(fù)責(zé)把圖形信息轉(zhuǎn)換成脈沖信息及設(shè)置標(biāo)記機(jī)運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)，如速度、PWM頻率和占空比等；后者負(fù)責(zé)接收PC發(fā)送的信息，并進(jìn)行相關(guān)處理，再將當(dāng)前硬件信息返回到PC。傳輸?shù)男畔⒎譃閮纱箢悾阂活愂菐Ч潭ㄐ畔㈩^和固定信息尾的普通數(shù)據(jù)幀；另一類是無(wú)信息頭和無(wú)信息尾的脈沖數(shù)據(jù)幀信號(hào)。這樣可以大大減少在標(biāo)記過(guò)程中的數(shù)據(jù)發(fā)送量，降低ATmegal6在實(shí)時(shí)標(biāo)記過(guò)程中斷脈沖輸出任務(wù)處理接收串口數(shù)據(jù)的次數(shù)，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更流暢。有信息頭和信息尾的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為：表1所示的主任務(wù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和表2所示的次任務(wù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。表2中的參數(shù)信息的字節(jié)個(gè)數(shù)是根據(jù)次任務(wù)識(shí)別信息區(qū)分是否帶參數(shù)或帶參數(shù)的字符個(gè)數(shù)。

    步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)間隔時(shí)間是離散的，速度控制實(shí)質(zhì)是控制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)間隔時(shí)間，使步進(jìn)電機(jī)按給定的速度工作。若Ti為相鄰兩次走步間的時(shí)間間隔(秒)，Vi為進(jìn)給一步后的末速度(步／秒)，a為下一步加速度。則利用等式，計(jì)算相鄰兩步問(wèn)的時(shí)間間隔。由于計(jì)算比較繁瑣，因此，一般不采用在線計(jì)算控制速度，而是采用離線計(jì)算求得各個(gè)Ti，通過(guò)延時(shí)時(shí)間表把Ti編人程序中，然后按照表地址依次取出下一步進(jìn)給的值，通過(guò)延時(shí)程序或定時(shí)器產(chǎn)生給定的時(shí)間間隔，發(fā)出相應(yīng)的走步命令即可計(jì)算相鄰兩步問(wèn)的時(shí)間間隔。圖4為該標(biāo)記控制系統(tǒng)的軟件流程。

    ATmegal6的基準(zhǔn)時(shí)鐘采用11．059 2 MHz無(wú)源晶體振蕩器。串口通訊協(xié)議為波特率19 200 bit／s,8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。驅(qū)動(dòng)器使用M542型(64細(xì)分)，57BYG步進(jìn)電機(jī)。最大標(biāo)記幅面滿足260 mm×260 mm，數(shù)字/字母(4 mm高)的刻寫速度3-6個(gè)／秒。該系統(tǒng)適用于平面、旋轉(zhuǎn)、平面一旋轉(zhuǎn)混合式標(biāo)記。

5 結(jié)語(yǔ)
    基于ATmegal6和CH341T改進(jìn)的標(biāo)記機(jī)控制系統(tǒng)大大緩解PC機(jī)的工作負(fù)擔(dān)；應(yīng)用基于ATmegal6的相頻修正PWM模式，可通過(guò)軟件調(diào)整高頻電磁閥所需的PWM信號(hào)；使用TIPl22三極管替換直流繼電器后，驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)便和便宜。標(biāo)記控制軟件從原來(lái)常用的并口模式或插擴(kuò)展卡的模式升級(jí)到USB模式，適合于臺(tái)式PC機(jī)和筆記本電腦．現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)多標(biāo)記頭在一臺(tái)PC機(jī)控制下的異步工作。