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      引言

      隨著電子工業(yè)以及計(jì)算機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)及日常生活上對(duì)印制電路板的需求量與日俱增。數(shù)控鉆床是PCB 加工過程中的必備設(shè)備。本設(shè)計(jì)構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)硬件以德州儀器的TMS320F2812 為核心，軟件采用上位機(jī)與下位機(jī)聯(lián)合工作的方式。與目前常用的PCB 鉆床數(shù)控系統(tǒng)相比，在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上大大降低了成本。硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)采用PC 機(jī)，通過串口與下位機(jī)進(jìn)行通信。下位機(jī)以TMS320F2812為核心，接收到來自上位機(jī)的鉆孔數(shù)據(jù)以后，通過DSP的GPIO 口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，完成鉆頭的定位以及鉆孔的動(dòng)作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

                                             圖1 硬件結(jié)構(gòu)

      DSP 的GPIO 口G4、G5、A0、A1、A2、A3 分別連接X、Y、Z 軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR 和PUL 信號(hào)，由于DSP 系統(tǒng)工作電平較低，為了保證步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的光耦隔離電路正常工作，輸入信號(hào)采用共陽極的接法。驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為32 細(xì)分。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為42 型兩項(xiàng)四線電機(jī)，步距角為1.8 度。機(jī)床采用螺距為3.5mm 的梯形絲杠進(jìn)行傳動(dòng)。設(shè)置系統(tǒng)精確到0.1mm，因此系統(tǒng)脈沖數(shù)以183 為最小單位。

      軟件設(shè)計(jì)

      軟件功能簡介
 

      本軟件系統(tǒng)支持機(jī)床的手動(dòng)控制以及根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)PCB 進(jìn)行自動(dòng)鉆孔，軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。進(jìn)行自動(dòng)鉆孔之前需要先由Protel 或Altium Designer 導(dǎo)出文本格式的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

      上位機(jī)可以通過按鈕控件對(duì)下位機(jī)發(fā)送手動(dòng)控制命令，進(jìn)行原點(diǎn)校正以及手動(dòng)控制；同時(shí)上位機(jī)可以通過VC++ 軟件提取出文本文件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行鉆床的自動(dòng)控制。上位機(jī)綜合兩種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，最后通過串口控件將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。

      下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)或自動(dòng)方式下的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)的輸出，進(jìn)而對(duì)三個(gè)坐標(biāo)方向的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

      上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

      本上位機(jī)軟件可以提取由Protel 或Altium Designer軟件導(dǎo)出的鉆孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由CAD 軟件導(dǎo)出鉆孔數(shù)據(jù)時(shí)選用NC Drill 類型，單位采用Millimeter，format 設(shè)置成4 ：2（精確到0.01mm），最后導(dǎo)出擴(kuò)展名為txt 的文本文件即可。上位機(jī)軟件主要包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩大功能，軟件界面如圖2 所示。為了便于下位機(jī)對(duì)控制指令的識(shí)別，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的首字節(jié)進(jìn)行設(shè)定：首字節(jié)一共有三種情況，分別是0xaa、0xbb 和0xcc。0xaa 和0xcc 用于手動(dòng)控制的開始與停止，0xbb 用于自動(dòng)控制的開始。為了便于操作，上位機(jī)啟動(dòng)后直接對(duì)串口進(jìn)行初始化，后續(xù)工作可以隨時(shí)開始。

                                 圖2 上位機(jī)控制界面

      手動(dòng)控制

      手動(dòng)控制分為“上下左右前后”三軸六個(gè)方向的按鈕，其中指定X 軸為左右運(yùn)動(dòng)，Y 軸為前后運(yùn)動(dòng)，Z 軸為上下運(yùn)動(dòng)，分別由相應(yīng)按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了便于手動(dòng)操作，按鈕按下時(shí)機(jī)床以一定的速度向指定的方向運(yùn)行，按鈕抬起時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。由于微軟MFC 按鈕默認(rèn)情況下不支持按鈕按下和抬起動(dòng)作的分別識(shí)別，因此引入PreTranslateMessage（MSG* pMsg）函數(shù)對(duì)按鈕的動(dòng)作進(jìn)行捕捉并解析。

      手動(dòng)控制情況下，相應(yīng)按鈕按下時(shí)，首先發(fā)送0xaa字節(jié)，然后依次發(fā)送X 軸方向及使能、Y 軸方向及使能、Z 軸方向及使能共七個(gè)字節(jié)，下位機(jī)接收數(shù)據(jù)完畢后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)手動(dòng)控制按鍵抬起后，發(fā)送0xcc字節(jié)，下位機(jī)接收后使對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，完成一個(gè)手動(dòng)控制過程。

      自動(dòng)控制

      需要自動(dòng)鉆孔方式運(yùn)行時(shí)，通過“打開”按鈕讀入NC DRILL 文件數(shù)據(jù)，并且在左邊的顯示區(qū)對(duì)源碼、鉆孔尺寸分類以及每種孔徑的個(gè)數(shù)進(jìn)行顯示，通過鉆孔尺寸下拉菜單選取相應(yīng)尺寸后點(diǎn)擊“開始鉆孔”即可對(duì)選定孔徑的所有坐標(biāo)進(jìn)行定位鉆孔。

      與手動(dòng)情況下發(fā)送數(shù)據(jù)不同，由于自動(dòng)控制情況下發(fā)送的鉆孔坐標(biāo)個(gè)數(shù)不固定，因此需要在所有坐標(biāo)發(fā)送完畢后加上結(jié)束字節(jié)0xff 以便下位機(jī)判斷數(shù)據(jù)傳送的結(jié)束，進(jìn)而可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動(dòng)器的控制。CAD 文件導(dǎo)出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)精確到0.01mm，整數(shù)位為四位有效數(shù)字。為了便于下位機(jī)處理，上位機(jī)將坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理成統(tǒng)一格式：小數(shù)點(diǎn)后不足兩位的用零補(bǔ)齊，每個(gè)坐標(biāo)的X 和Y 的值都表示成六位，分別用6 個(gè)字節(jié)表示，因此每個(gè)孔位表示成12 個(gè)字節(jié)，用data.Add（）；進(jìn)行依次發(fā)送。坐標(biāo)數(shù)據(jù)順次發(fā)送完畢后，在最后發(fā)送0xff 字節(jié)，表示數(shù)據(jù)傳送完畢，下位機(jī)可以進(jìn)行后續(xù)處理。

        下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        相應(yīng)的下位機(jī)軟件可以針對(duì)上位機(jī)的兩種操作模式進(jìn)行解析，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。下位機(jī)程序流程圖如圖3 所示。

                                 圖3 下位機(jī)程序流程圖

   
        TMS320F2812 對(duì)各部件初始化完畢后進(jìn)入死循環(huán)，采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)。如果接收到首字節(jié)為0xaa，進(jìn)入手動(dòng)控制模式，根據(jù)后續(xù)六個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)判斷方向與對(duì)應(yīng)使能信號(hào)后開始輸出控制脈沖，電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接收到0xcc 后退出循環(huán)，結(jié)束脈沖輸出，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

        如果首字節(jié)接收到0xbb，則進(jìn)入自動(dòng)控制模式，依次接收串口數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到0xff 時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。根據(jù)下一點(diǎn)坐標(biāo)與當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)的差值輸出相應(yīng)的脈沖數(shù)，精確定位到下一個(gè)孔位的坐標(biāo)處進(jìn)行鉆孔動(dòng)作。每種孔徑鉆孔完畢后需要鉆頭回到原點(diǎn)，但是因?yàn)槌杀鞠拗频脑颍瑱C(jī)床沒有采用限位裝置，所以在鉆孔過程中用變量對(duì)行程進(jìn)行累加，最后一個(gè)孔鉆孔結(jié)束后往原點(diǎn)方向運(yùn)行累計(jì)值即可回到原點(diǎn)，最后退出本次循環(huán)即可。

 
        結(jié)束語

        采用VC++ 與DSP 結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了高精度低成本的PCB 鉆床控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、高效，面向低預(yù)算的行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。