微成形制造中的上下位机通信设计及实现

微成形制造中的上下位机通信设计及实现谢扬球1 吴宏栋2（1. 广西大学新材料及其制备新技术重点实验室南宁5300042. 深圳市汇川技术股份有限公司深圳518101）摘要：针对研制的微成形制造系统，设计并实现了上、下位机的实时通信软件。下位机程序采用C语言和汇编语言编写，而上位机通信程序则采用Visual C+语言编写，实现数据和控制信号的双向流动。编写的通信软件已经被成功应用于微成形系统中，通信性能稳定可靠，满足预期的设计要求。关键词：串口通信；DSP控制器；微成形系统中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1引言目前，产品微型化已成为工业界的趋势之一。一般地，微成形是指所加工零件至少在两维尺度上具有毫米级的尺寸范围和微米级的尺寸精度1。因此，考虑到加料、取件等操作，微成形装置必须在厘米级行程范围内具备两个以上的自由度，而且定位和轨迹运动精度必须达到微米级别。针对于此，研制的微成形系统采用“力矩电机滚珠丝杠”方式，在建立精确模型基础上采用非线性实时控制方法消除死区和间隙特性，从而以较小的代价实现微米级精度的操作2, 4。其中，实现上下位机之间可靠、实时的数据与控制信息交换是本方案的关键之一6。结合正在进行的粉末精密成型课题和研制的微成形系统，本文设计并编写了对应的上下位机数据与控制信息实时交换的通信软件，为实现微成形系统的正确运行提供了可靠的保障。2通信模式选择基金项目：广西大学新材料及其制备新技术重点实验室开发基金（GXKFJ11-02）。作者简介：谢扬球（1979），男，广西贺州市人，博士，研究方向为：微成形制造技术、精密模具设计与加工、复杂机电系统建模与控制。研制的微成形系统以研华AIMB-763工控机为上位机，以TMS320 F28335系列DSP为核心自行设计的控制电路充当下位机。要求在上位机控制下，下位机实现完全的自动化运行，并将相关信息返回并显示在上位机中。此外，为了进行进一步研究和商业化推广，还要求包括通信软件在内的测控系统及其源程序具有良好的可拓展性和可移植性。针对于此，本文采用Visual C+语言来编写上位机软件，这种开发平台不仅编程效率高，而且源程序的可移植性好7；而下位机程序采用可内嵌汇编语句的C语言编写，确保程序的执行效率和控制算法的实时性。进一步，为了充分利用接口资源，上下位机之间采用RS-232串口方式进行通信。最后，为了保证控制周期的准确性，上位机采用文件方式操作串口；而下位机则采用中断方式进行通信，确保数据和控制信息的实时双向流动。3通信方案设计实现为了将文献2-5的非光滑三明治模型及控制算法应用于所设计的微成形系统，消除死区和间隙因素的影响，以较小的代价实现厘米行程范围内的微米级精密运动，上下位机之间可靠、实时的数据与控制信息交换是关键之一。3.1 下位机程序设计根据课题研究要求，下位机串口通信的波特率为9600bps，而数据格式设置为：1bit起始位，8bit数据位，1bit停止位。而且，为提高控制频率， DSP主频设置为150MHz。部分串口通信程序如下：/设置void ComInit()(*MCRA)=0x03;(*SCICCR)=0x27;(*SCICTL1)=0x03;(*SCICTL2)=0x01;(*SCIHBAUD)=0x00;(*SCILBAUD)=0x0A;(*SCICTL1)=0x23;(*SCIPRI)=0x60;/发送void SciSent(char *SentBuffer)int i;for(i=0;i9)j=0;*IFR=0X0010;enable();/中断void interrupt Sci()switch (*PIVR)case 6:SciRec();break; case 7:break;3.2 上位机程序设计上位机通过调用Win32通信API类的相关函数，采用文件方式操作串口COM1。限于篇幅，仅对操作过程进行介绍。首先调用CreatFile函数打开COM1并获得相应句柄；再调用SetupComm、GetCommState和SetCommState函数，根据下位机通信参数初始化COM1；初始化完成后，应用程序就独占了被打开的COM1口，接下来可以根据需要，通过调用ReadFile和WriteFile函数实现数据的读、写操作，完成系统要求的数据和控制信息的双向传输功能；最后，调用CloseHandle函数关闭COM1口，释放资源。4实验结果4.1可靠性测试为了测试通信的可靠性，设计以下实验：在系统“锁定”状态下，上位机首先发送一组数据(105个)给下位机；接收完成后，下位机将其按原顺序回传；上位机对比这两组数据并记录发生错误的数据及序号。上述实验重复进行104次（耗时24小时）仍未发现错误，表明通信程序是可靠的。4.2轨迹跟踪实验 根据文献2-5的三明治辨识与控制方法进行轨迹跟踪实验：首先在上位机中输入一个半径为5mm的圆，经过处理后生成目标轨迹；再通过本文所设计的通信软件传送到下位机中；下位机根据接收信息和文献4的非光滑三明治控制算法进行轨迹跟踪控制；同时，下位机将运动过程、状态和结果等信息回传到上位机中，通过上位机程序中内嵌的Matlab函数将系统运动过程显示出来，如下图所示：图1 轨迹跟踪结果(：目标轨迹，-.：实际轨迹)图2 轨迹跟踪误差(：X轴，-.：Y轴)由轨迹跟踪结果可知：开发的串口通信模块实现了数据和控制信息的双向流动，可以将复杂的辨识控制算法实时应用于微成形系统中，消除死区和间隙的影响，以较小的代价实现了厘米级行程范围内的微米级精密运动，其中X和Y轴的跟踪误差高达4m，完全满足实际的微成形加工要求。 5结论根据粉末精密成型课题研究的具体要求，本文设计并开发了一套上位机（工控机）和下位机（DSP控制器）之间的串口通信模块，使得复杂的非光滑三明治控制算法能够成功的应用于研制的精密微成形系统；并保证数据和控制信息实时、可靠的传输。从而有效的解决了微成形系统中的非光滑非线性死区和间隙特性的影响，为实现微成形系统的多维精密轨迹运动提供了可靠的保障。进一步实验表明，采用经过预紧的P3级滚珠丝杠就可以实现微米级精度的轨迹运动和亚微米级的定位操作，完全满足课题的研究要求，具有广阔的应用前景。参考文献1 张凯锋微成形制造技术M北京：化学工业出版社，20102 Xie Y Q, Tan Y H and Dong R L. Identification of sandwich systems with a dead-zone using combinational input signals J. Trans. of the Institute of Measurement and Control, 2011，33 (8): 957-970.3 谢扬球，谭永红.基于神经网络的精密运动系统宏动平台辨识J.控制工程，2010，17(4)：432-437.4 Xie Y Q, Tan Y H and Dong R L. Nonlinear modeling and decoupling control of XY micropositioning stages with piezoelectric actuators J. IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, 2012, 17(2): 260-272.5 谢扬球, 谭永红. 基于退化激励信号的含有迟滞的三明治系统辨识J.控制理论与应用, 2012, 29(5): 555-563.6 黄成伟. 一种Windows环境下使用串口XY工作台的方法J. 仪器仪表学报, 2002，23(6): 850852.7 李现勇Visual C+串口通信技术与工程实践M北京：人民邮电出版社，2002Design and Implementation of Communication Software in Micro-forming SystemYangqiu Xie1 Hongdong Wu2(1、Guangxi Key Laboratory for Advanced Materials and Manufacturing Technology, Guangxi University, Nanning 530004, China2、Shenzhen Inovance Technology Co., Ltd., Shenzhen 518101, China)Abstract: For the self-developed micro-forming system, the communication software between the host and lower computer is designed and programmed. In this scheme, the program for lower computer is implemented by C and assembly language, while the program for host computer is designed by Visual C+6.0, which the bilateral exchange of data and control signal are performed in micro-forming system. The software has been applied for the micro-forming platform. The experimental results are presented to illustrate its effectiveness. Key words: serial communication; DSP controller; micro-forming system