引言

      隨（suí）著電子工業以及計算機行（háng）業的迅速發展，工業及日常生活上對印製電路板的需求量與日俱增。數控鑽床是PCB 加工過程（chéng）中的必備設（shè）備。本設計構（gòu）建的數控係統硬件以德州儀器的TMS320F2812 為核心，軟件采用（yòng）上（shàng）位機與下位機聯合工作的方式。與目前常用的PCB 鑽床數控係統相比，在保（bǎo）證係統性（xìng）能的基礎上大大降低了成本。硬件設計係統包括上位機和下位機兩部分。上（shàng）位機采用PC 機（jī），通過串口與下位機進行通信。下（xià）位機以TMS320F2812為核心，接收（shōu）到來自（zì）上位機（jī）的鑽孔數據（jù）以後，通過DSP的GPIO 口控製（zhì）步進電機驅動器，完成鑽頭的定位（wèi）以及鑽孔的動作。係統的結構示（shì）意圖如圖1 所示。

                                             圖1 硬件結構

      DSP 的GPIO 口G4、G5、A0、A1、A2、A3 分別連接（jiē）X、Y、Z 軸步進電機（jī）驅動器的DIR 和PUL 信號，由於DSP 係統工作電平較低，為了保證步進電機驅動器的光耦隔（gé）離電路（lù）正常工作，輸入信號采（cǎi）用（yòng）共陽（yáng）極的接法。驅動器設置為32 細分。步進電動機（jī）為42 型兩項四線電機，步距角（jiǎo）為1.8 度（dù）。機床采用螺距為3.5mm 的梯形絲杠進（jìn）行傳動。設置係（xì）統精確到0.1mm，因此係（xì）統脈衝數以183 為最小單位。

      軟件設計

      軟件功能簡介
 

      本軟件係統支持機（jī）床的手動控製以及根（gēn）據（jù）鑽孔數據對PCB 進行自動鑽（zuàn）孔（kǒng），軟件係統包括上位機軟件和（hé）下位機軟件兩部分。進行自動鑽孔之前需要（yào）先（xiān）由（yóu）Protel 或Altium Designer 導出文本格式的坐標數據文件。

      上位機可以通過按鈕（niǔ）控件對下位機發送手動（dòng）控（kòng）製（zhì）命令，進行原點校正（zhèng）以及手（shǒu）動控製（zhì）；同時上位機可以通過VC++ 軟件提取出文本文件的（de）坐標數據，進而（ér）進行鑽床的自動控製。上位機綜合兩種類型數據進行（háng）進一步處理，最後通（tōng）過串口控件將數據發送給（gěi）下位機（jī）。

      下位機接收到數據進行解析，進行相應的手動或自動方式下的步進電機驅動器控製信號的輸出，進而對三（sān）個（gè）坐標（biāo）方（fāng）向的步進電機進行運動控（kòng）製。

      上位機軟件（jiàn）設計

      本上（shàng）位機軟件可以提取由Protel 或（huò）Altium Designer軟件導出的鑽孔坐標數據。由CAD 軟件（jiàn）導出鑽孔數據時（shí）選用NC Drill 類型，單位采用Millimeter，format 設（shè）置成（chéng）4 ：2（精確到0.01mm），最（zuì）後導出擴展名為txt 的文本文（wén）件即（jí）可。上位機軟（ruǎn）件（jiàn）主要包括手動（dòng）控製和自動控製兩大（dà）功能，軟件界麵如圖2 所示。為了便於下位機對控製指令的識別，對發送數據的首字節（jiē）進行設定：首字節一共有三種情況，分別是0xaa、0xbb 和0xcc。0xaa 和0xcc 用於手（shǒu）動控製的開始與停止，0xbb 用於自動（dòng）控製的開始。為了便於操作，上位機啟動後直接對串口進行初始（shǐ）化（huà），後續工作可以隨時開始。

                                 圖2 上位機（jī）控製（zhì）界麵

      手動控製

      手動控製分為“上下左（zuǒ）右前後”三軸六個方向的按鈕，其中指定X 軸為左右運動，Y 軸為前後運動，Z 軸為上下運動（dòng），分別由相應按鈕進行調節。為了便於手動操作，按鈕（niǔ）按下時（shí）機床以一定的速（sù）度向指定的方向運行，按鈕抬起時停止運動。由於微軟MFC 按鈕默認情況（kuàng）下不支持按（àn）鈕（niǔ）按下和抬起動作的分別識別，因此引入PreTranslateMessage（MSG* pMsg）函數對按鈕的動作進行捕捉並解（jiě）析。

      手動控製（zhì）情（qíng）況（kuàng）下，相應按（àn）鈕（niǔ）按下（xià）時，首先發送0xaa字節，然後依次發送X 軸方向及使能（néng）、Y 軸方向及使（shǐ）能、Z 軸方向及使能共七（qī）個字節，下位（wèi）機接收數據（jù）完畢後驅動（dòng）相應步進電機轉動。當手（shǒu）動控製按鍵抬起後，發送0xcc字節，下（xià）位機接收（shōu）後使（shǐ）對應步進電機停止運行，完成一個手動控製過程。

      自動控製

      需要自動鑽孔方式運行（háng）時，通過“打開”按鈕讀入NC DRILL 文件數據，並且在左邊的顯示區對（duì）源（yuán）碼、鑽孔尺寸分類以及每種孔徑的個數進行（háng）顯示，通過鑽孔尺寸下拉菜單選取相應尺寸後點擊（jī）“開始（shǐ）鑽（zuàn）孔”即可對選定孔徑（jìng）的所（suǒ）有坐標進行定位鑽孔。

      與手動情況下發送（sòng）數據不（bú）同（tóng），由於自動控製情況下發送的鑽孔坐標個數不固定，因此需要在所有坐標發送完畢後（hòu）加上結束字節0xff 以便下位機判斷數據傳送的結束，進（jìn）而可以進行數據處理以及驅動器（qì）的控製。CAD 文件（jiàn）導出的坐標數據精確到0.01mm，整數位為四位有效（xiào）數字。為了便於下位機（jī）處理，上位機將（jiāng）坐標（biāo）數據處理成統一格式：小數（shù）點後不足兩位的用零補齊，每個坐標的X 和Y 的值都表示成六（liù）位，分（fèn）別用6 個字節表示，因此每個孔（kǒng）位表示成（chéng）12 個字節，用（yòng）data.Add（）；進行依次發送（sòng）。坐標數據順次發（fā）送完畢後（hòu），在最（zuì）後發送0xff 字（zì）節，表示數據傳送完畢，下位機可以進行後續處理。

        下位機軟件設（shè）計

        相應的下位機軟件可（kě）以針對上位機的兩種操作模式進行解析，進而產生對應的驅動（dòng）信號。下位機（jī）程（chéng）序流程圖如圖3 所示。

                                 圖3 下位機（jī）程序流程圖

   
        TMS320F2812 對各部件初始化完畢後進入死循環，采用中斷方式接（jiē）收串口數據。如果接收到（dào）首字節（jiē）為0xaa，進入手動控製模式（shì），根據後續六個字（zì）節（jiē）數據判斷方向與對應（yīng）使（shǐ）能信號後（hòu）開始輸出控製脈衝，電機帶（dài）動相應軸運動，當接收到0xcc 後退出循環，結束脈衝輸出，步進（jìn）電機進入鎖定狀態。

        如果首字節接收到0xbb，則進（jìn）入自動控製模式，依次接收串口數據，當接收到0xff 時，數據傳（chuán）輸結束。根據下一（yī）點坐標與當前坐標點的差值輸出相應（yīng）的（de）脈衝數，精確定位（wèi）到下一個孔位的（de）坐標處進行鑽孔動作。每種孔徑鑽孔完（wán）畢後需要鑽頭回到原點，但是因為（wéi）成本限製的原因，機床沒有采用限（xiàn）位裝置，所以在鑽孔（kǒng）過程中用變量對行程進行累加（jiā），最後一個孔（kǒng）鑽孔結束（shù）後往原（yuán）點方向運行累計值即可回（huí）到原（yuán）點（diǎn），最（zuì）後退出本次（cì）循環即可。

 
        結束語

        采用VC++ 與DSP 結合的方式實現了高精度低成本的PCB 鑽床控製係統。係統運行平穩、高效，麵向低預算的行業（yè）有著廣闊的應用前景。