基于CA6150普通车床的数控化改造
2.软件电路的设计
软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。 （1）软件设计步骤
软件设计步骤分为以下几步：
1）据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；
2）将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括模块功能，入口参数，出口
参数；
3）据硬件资源，合理分配好存储单元； 4）分别对个模块编程，并调试；
5）连接各模块，进行统一调试及优化； 6）固化到程序存储器中。 （2）数控系统中常用的软件模块
1）软件实现环形分配器； 2）插补运算模块；
3）自动升降速控制模块等。
（二）8031单片机的扩展
1.8031单片机的系统扩展
8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有
128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。 （1）8031的片外总线结构
所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展： 1） 数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但
在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。
2） 地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，
与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存，高8位地址由P2口提供。 3）
控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。
（2）系统扩展能力
据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。 片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。
扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。 （3）地址锁存器
8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器）。
25
基于CA6150普通车床的数控化改造
（4）地址译码
8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。
地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图4.2为74LS138码器的引脚图。
当G1?1，74LS138工作。C、 G2A?G2B?0时，
B、A的输出决定译码器的输出引脚。
图4.2 74LS138引脚图
2.8031单片机的存储器扩展 （1）存储器常用芯片
1）EPROM芯片
常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K?8）、2732（4K?8）、2764（8K?8）、 27128（16K?8）、27256（32K?8）和27512（64K?8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片。
EPROM选用原则：
（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统
容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。
（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供
的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200~450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。
2）数据存储器
数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。
常用的静态RAM有6116（2K?8）、6264（8K?8）、62256（2K?8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150~200ns。 （2）存储器的扩展
8031芯片与存储器的连接
存储器扩展实质是三总线的连接。
1）据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。
2）数据线的连接：将8031芯片的P0.0~P0.7按位与RAM数据线D0~D7直连。 3）地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位
地址线作片选。
4）控制总线的连接：对应控制线连接。
26
基于CA6150普通车床的数控化改造
3.8031单片机的I/O口扩展
MCS—51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。 （1）I/O口扩展方法
据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：
1） 总线扩展方法； 2） 串行口扩展方法；
3） 通过单片机片内I/O口的扩展方法。 （2）常用接口芯片
1） 8155芯片
8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。
2) 8255芯片
8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PC7~PC4）和低4位（PC3~PC0）。
3） 8279芯片
8279内部有16?8显示数据RAM，通过命令字可选择显示器的4种工作方式，内部还有6字节。
（三）步进电机驱动电路的分析
在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O口或I/O扩展口的驱动能力有限，为使步进电机正常运行并输出一定功率，需有功功率放大环节；为避免强电干扰，因此还需采用隔离电路。其控制电路框图如图4.3所示：
图4.3步进电机控制框图
1.脉冲分配器（环行分配器）的分析
有硬件和软件分配器两种，硬件分配器需要的I/O接口连线少，执行速度快，需要专用的芯片，软件则用程序实现。 脉冲分配器的芯片：
目前采用的TTL集成脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，其型号分别为YB0B、YB014、YB015及YB016，都为18个引脚的直插式封装[17]。其主要性能参见表4.1：
27
基于CA6150普通车床的数控化改造
表4.1TTL脉冲分配器主要性能参数
输入高电平（V） 2.4
输入低电平（V） 0.4
输出低电平（V） 0.8
输出高电平（V） 2.4
吸收电流（mA） 1.6
工作频率（Hz） 0~160
电源电压（V） 5?0.5
环境温度（?C） 0~+70
2.光电隔离电路的分析
单片机系统要控制电压高、电流大的信号，必须采用电气上的隔离并抑制干扰，光电耦合器就是利用光传递信息的器件，使电路的输入和输出在电气上完全隔离，大大提高了系统安全可靠性，并可实现共模噪声的抑制和电源的变换等。
光电耦合器的类型按输出结构可分为直流和交流输出两类。直流输出可采用：（1）晶体管输出；（2）达林顿管输出；（3）史密特触发器输出。交流可采用：（1）单向可控硅输出；（2）双向可控硅输出等[17]。 3.功率放大器的分析
脉冲分配器的功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率，驱动步进电极正常运转。
从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行矩频的增高，步进电机带动负载的能力下降。产生的主要原因是：作为功率放大器负载的步进电机是电感负载，当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量存在（电感）绕组中，电流的时间常数为：
?i?Lm/R
式中Lm：指步进电机一相绕组的平均电感量；
R：通电回路的电阻，包括绕组电阻、功率放大器输出级的内阻及串联电阻。
而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：
?d?Lm/RD
式中RD：指放电回路电阻，包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。
这样就使绕组中电流缓慢增加和下降，步进各相绕组电流几乎同时存在，步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。
为提高步进电机动态特性，可采用以下几种方法：（1）电阻法；（2）双电源法。
28
基于CA6150普通车床的数控化改造
（四）CA6150机床数控系统的软件设计
软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根基系统功能要求设计软件。经济型数控机
床软件的设计一般可分为以下几个典型模块：
（1） 软件脉冲分配器； （2） 插补模块；
（3） 步进电机升降速模块等。
图4.4是两坐标连续系统机床的微机控制的原理图，该系统用8031的P1口作为输出信号，分别控制X、Y方向的步进电机。
图4.4两坐标连续系统机床的微机控制的原理图
1.软件脉冲分配器的分析
机工作原理，改变绕组通电状态，步进电机按规定方向运转。软件分配器采用查表法，在微处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的第一相绕组都与这个寄存器中的某一指定位对应，寄存器中这位为“1”，对应相应绕组的通电状态为“0”时则断电；循环向寄存器中写入控制字，从而使步进电机绕组按因定的规律循环通电和断电。
电机以三相六拍方式工作，其通电规律为：A—AB—B—BC—C—CA。
假定脉冲分配表放在程序存储器的0701H开始的单元中，因P1口与步进电机之间接反向器，故其对应的控制字及地址如表4.2：
29