基于HCS08運動控制系統(tǒng)的數(shù)控工作臺的軟件設計與建模方法

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和運動控制技術(shù)的成熟，人們開始將運動控制技術(shù)應用于測量設備，產(chǎn)生了數(shù)控工作臺。數(shù)控工作臺是利用運動控制系統(tǒng)控制工作臺的運動機構(gòu)動作，以運動到需要的位置，大大提高了工件測量的效率。

UML是一種可用于大型系統(tǒng)建模的統(tǒng)一建模語言, 它不僅支持面向?qū)ο蟮姆治龊驮O計, 還支持軟件開發(fā)過程,利用不同的模型來描述一個應用系統(tǒng)在不同生命周期中的各種靜態(tài)結(jié)構(gòu)方面和動態(tài)行為方面的特征, 為任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的系統(tǒng)建模，同時提供模型擴展和管理等方面的支持。

本文針對數(shù)控工作臺的功能特點，以自主開發(fā)的基于HCS08運動控制系統(tǒng)為平臺，并以UML為工具，設計相應的軟件，滿足實際生產(chǎn)需要。

1 數(shù)控工作臺控制原理

工作臺運動系統(tǒng)主要由手柄、載物臺等運動機構(gòu)組成。系統(tǒng)以Freescale HCS08型單片機為核心的運動控制器作為下位機，通過控制伺服電機驅(qū)動器來實現(xiàn)對載物臺上下、左右、前后運動的控制，以PC作為上位機來實現(xiàn)調(diào)速、自動校零、自動找零、位置顯示等。

上下位機通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸。工作臺工作時，用戶將測量工件（如絲桿）放在載物臺上，通過操作手柄讓載物臺走到測量范圍內(nèi)，通過手柄的高低速按鍵控制電機的高速或低速運動，方便測量時的粗調(diào)和微調(diào)。

2 數(shù)控工作臺功能分析

本文的主要任務是根據(jù)用戶對系統(tǒng)功能需求進行分析，通過對整個系統(tǒng)框架進行構(gòu)造和實現(xiàn)下位機軟件設計與建模。下位機是整個系統(tǒng)的中間層，主要功能是根據(jù)接收的數(shù)據(jù)和指令控制工作臺運動。通過上位機界面可以設定各軸的速度和電機轉(zhuǎn)動方向，以及實時位置顯示、零點位置顯示等，具體可為自動找零、校零、手動操作、伺服報警信號等。

對于下位機，參與者包括用戶、上位機、限位開關、手柄、伺服電機。用戶除了可以通過上位機軟件顯示零點位置、實時位置之外，還可以通過調(diào)速界面調(diào)整伺服電機轉(zhuǎn)速和方向，故下位機的用戶用例為手柄控制。上位機和下位機的連接是系統(tǒng)的關鍵部分，是整個系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的通道。伺服電機是動作的執(zhí)行者，根據(jù)下位機的指令進行動作，其用例主要是高低速度控制。限位開關的用例主要包括I/O信號、限位、故障報警。

根據(jù)上面的用例分析，使用UML構(gòu)造下位機的用例圖，如圖1所示。

圖1 下位機的用例圖

3 下位機軟件結(jié)構(gòu)

3.1下位機軟件狀態(tài)模型

通過對數(shù)控工作臺下位機用例圖的分析可以將下位機軟件按狀態(tài)分為幾個模塊：自動找零點狀態(tài)、手動控制狀態(tài)、校零狀態(tài)、故障狀態(tài)等。采用UML狀態(tài)圖可以將參與交互的模塊及模塊之間的消息交互表示清楚，可以比較直觀、高效地建立軟件的狀態(tài)模型。建模如圖2所示。

圖2 下位機軟件狀態(tài)模型

系統(tǒng)進入工作狀態(tài)時首先進入自動找零狀態(tài)。在自動找零狀態(tài)下，下位機主程序讀取Flash存儲的信息，對3個軸的電機按照先Z軸找零,再X軸、Y軸同時找零的順序發(fā)脈沖，使工作臺運動到工作起點位置。

一旦自動找零完成之后，系統(tǒng)狀態(tài)就會自動轉(zhuǎn)移到手動控制狀態(tài)中去。例如通過手柄控制讓電機走到某個位置，同時通過手柄上的高低速切換按鍵讓工作臺實現(xiàn)高或低速運動。

校零是設定當前的位置為零點位置，通過上位機操作將數(shù)據(jù)寫入Flash中，在下次上電工作時工作臺會在自動找零時，自動運行到這個設定的零點位置。由圖2可以清楚地看到,整個狀態(tài)模型可以分為4個部分：自動找零狀態(tài)、手動控制狀態(tài)（包括高低速轉(zhuǎn)換、三軸電機運動的方向）、校零狀態(tài)和故障狀態(tài)。其中故障狀態(tài)可以與其他的狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)移條件發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而手動控制狀態(tài)只能與校零狀態(tài)和故障狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)移條件發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，其內(nèi)部各個狀態(tài)之間不能發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移，這是由工作臺的工作特性所決定的。從上電開始工作，在同一時間內(nèi)只允許進行一種活動，只有在當前活動結(jié)束后才允許進行其他的活動，這種工作臺的工作特性就可以用UML狀態(tài)圖清晰地表現(xiàn)出來，使得任何人都能對系統(tǒng)軟件模型有比較直觀的認識。

根據(jù)狀態(tài)來劃分整個系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，可以有效地對系統(tǒng)工作進行掌控，防止軟件功能互相耦合而引起邏輯混亂。簡單來說，當系統(tǒng)正處在手動控制中，如果此時收到校零指令，系統(tǒng)就可以根據(jù)當前狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移到校零狀態(tài)，工作臺會按順序依次走到各軸的兩端限位位置，將兩端限位之間的距離保存到Flash中以便下次讀取，這樣就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 下位機軟件算法活動模型

鑒于數(shù)控工作臺在日常生產(chǎn)中對于控制的要求，以及Freescale HCS08的特點，在設計軟件算法程序時，對電機發(fā)脈沖采用PWM重載中斷的方式,這樣極大地發(fā)揮了芯片的性能，并且提高了程序的可靠性。下面采用UML活動圖將主循環(huán)流程按照時間的順序展開，如圖3所示。

圖3 下位機程序主循環(huán)活動模型

從圖3中能夠清楚地看到下位機程序就是一直循環(huán)采集和事件處理的過程。系統(tǒng)一上電首先對硬件模塊和軟件功能進行初始化設置，保證程序處在可運行狀態(tài)。然后程序進入主循環(huán)，先進行事件采集，包括讀寫Flash、串口數(shù)據(jù)接收、限位傳感器輸入信號以及伺服報警信號采集。如果沒有事件發(fā)生，則程序一直處于事件采集狀態(tài)；如果有事件發(fā)生，則對采集到的事件進行分析決策。事件決策則是對當前系統(tǒng)狀態(tài)進行判斷和轉(zhuǎn)移，決定哪些事件可以被執(zhí)行。最后事件分配和事件處理則是將被允許執(zhí)行的事件分配給相關的執(zhí)行函數(shù)，調(diào)用相關函數(shù)來對事件進行處理，完成后返回到主循環(huán)開始，而程序也因此周而復始地一直執(zhí)行下去。

由此可以看出，在程序中事件按從總體到個別的順序被執(zhí)行，每一步都有明確的目的性和層次性，條理清晰，邏輯清楚，這樣就使得程序在編制和維護時簡單易行。

由于下位機采用的Freescale HCS08型單片機作為控制系統(tǒng)核心，其運算處理速度能達到每秒20 M條指令，這樣就使得下位機程序?qū)ν獠渴录辛溯^高的響應速度和處理速度，其實時性可以比較好地滿足數(shù)控工作臺的應用需求。

3.3 下位機軟件通信模塊設計

Freescale HCS08單片機采用異步通信RS-232作為串行通信協(xié)議,其適用于設備之間的通信距離不大于15 m、傳輸速度最大為20 KB/s的數(shù)據(jù)傳輸領域。本系統(tǒng)采用標準不歸零NRZ（Non Return to Zero）的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)交互。

本文介紹了數(shù)控工作臺下位機程序設計與建模，分析和構(gòu)建了下位機軟件的主要功能、實現(xiàn)方式和軟件算法，并通過UML圖分別展示了下位機供需用例圖、軟件狀態(tài)模型和主循環(huán)活動模型。使用UML圖進行軟件設計使得軟件層次更加清晰，結(jié)構(gòu)嚴謹，可維護性強，充分體現(xiàn)出UML圖在面向?qū)ο蟮能浖?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程中起到的重要作用。同時,本文所敘述的軟件設計與建模的方法, 對其他下位機的軟件開發(fā)也有很好的借鑒作用。