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      引言

      隨著電子工業以及計算機行業的迅速發展，工業及日常生活上對印制電路板的需求量與日俱增。數控鉆床是PCB 加工過程中的必備設備。本設計構建的數控系統硬件以德州儀器的TMS320F2812 為核心，軟件采用上位機與下位機聯合工作的方式。與目前常用的PCB 鉆床數控系統相比，在保證系統性能的基礎上大大降低了成本。硬件設計系統包括上位機和下位機兩部分。上位機采用PC 機，通過串口與下位機進行通信。下位機以TMS320F2812為核心，接收到來自上位機的鉆孔數據以后，通過DSP的GPIO 口控制步進電機驅動器，完成鉆頭的定位以及鉆孔的動作。系統的結構示意圖如圖1 所示。

                                             圖1 硬件結構

      DSP 的GPIO 口G4、G5、A0、A1、A2、A3 分別連接X、Y、Z 軸步進電機驅動器的DIR 和PUL 信號，由于DSP 系統工作電平較低，為了保證步進電機驅動器的光耦隔離電路正常工作，輸入信號采用共陽極的接法。驅動器設置為32 細分。步進電動機為42 型兩項四線電機，步距角為1.8 度。機床采用螺距為3.5mm 的梯形絲杠進行傳動。設置系統精確到0.1mm，因此系統脈沖數以183 為最小單位。

      軟件設計

      軟件功能簡介
 

      本軟件系統支持機床的手動控制以及根據鉆孔數據對PCB 進行自動鉆孔，軟件系統包括上位機軟件和下位機軟件兩部分。進行自動鉆孔之前需要先由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控件對下位機發送手動控制命令，進行原點校正以及手動控制；同時上位機可以通過VC++ 軟件提取出文本文件的坐標數據，進而進行鉆床的自動控制。上位機綜合兩種類型數據進行進一步處理，最后通過串口控件將數據發送給下位機。

      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制信號的輸出，進而對三個坐標方向的步進電機進行運動控制。

      上位機軟件設計

      本上位機軟件可以提取由Protel 或Altium Designer軟件導出的鉆孔坐標數據。由CAD 軟件導出鉆孔數據時選用NC Drill 類型，單位采用Millimeter，format 設置成4 ：2（精確到0.01mm），最后導出擴展名為txt 的文本文件即可。上位機軟件主要包括手動控制和自動控制兩大功能，軟件界面如圖2 所示。為了便于下位機對控制指令的識別，對發送數據的首字節進行設定：首字節一共有三種情況，分別是0xaa、0xbb 和0xcc。0xaa 和0xcc 用于手動控制的開始與停止，0xbb 用于自動控制的開始。為了便于操作，上位機啟動后直接對串口進行初始化，后續工作可以隨時開始。

                                 圖2 上位機控制界面

      手動控制

      手動控制分為“上下左右前后”三軸六個方向的按鈕，其中指定X 軸為左右運動，Y 軸為前后運動，Z 軸為上下運動，分別由相應按鈕進行調節。為了便于手動操作，按鈕按下時機床以一定的速度向指定的方向運行，按鈕抬起時停止運動。由于微軟MFC 按鈕默認情況下不支持按鈕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并解析。

      手動控制情況下，相應按鈕按下時，首先發送0xaa字節，然后依次發送X 軸方向及使能、Y 軸方向及使能、Z 軸方向及使能共七個字節，下位機接收數據完畢后驅動相應步進電機轉動。當手動控制按鍵抬起后，發送0xcc字節，下位機接收后使對應步進電機停止運行，完成一個手動控制過程。

      自動控制

      需要自動鉆孔方式運行時，通過“打開”按鈕讀入NC DRILL 文件數據，并且在左邊的顯示區對源碼、鉆孔尺寸分類以及每種孔徑的個數進行顯示，通過鉆孔尺寸下拉菜單選取相應尺寸后點擊“開始鉆孔”即可對選定孔徑的所有坐標進行定位鉆孔。

      與手動情況下發送數據不同，由于自動控制情況下發送的鉆孔坐標個數不固定，因此需要在所有坐標發送完畢后加上結束字節0xff 以便下位機判斷數據傳送的結束，進而可以進行數據處理以及驅動器的控制。CAD 文件導出的坐標數據精確到0.01mm，整數位為四位有效數字。為了便于下位機處理，上位機將坐標數據處理成統一格式：小數點后不足兩位的用零補齊，每個坐標的X 和Y 的值都表示成六位，分別用6 個字節表示，因此每個孔位表示成12 個字節，用data.Add（）；進行依次發送。坐標數據順次發送完畢后，在最后發送0xff 字節，表示數據傳送完畢，下位機可以進行后續處理。

        下位機軟件設計

        相應的下位機軟件可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信號。下位機程序流程圖如圖3 所示。

                                 圖3 下位機程序流程圖

   
        TMS320F2812 對各部件初始化完畢后進入死循環，采用中斷方式接收串口數據。如果接收到首字節為0xaa，進入手動控制模式，根據后續六個字節數據判斷方向與對應使能信號后開始輸出控制脈沖，電機帶動相應軸運動，當接收到0xcc 后退出循環，結束脈沖輸出，步進電機進入鎖定狀態。

        如果首字節接收到0xbb，則進入自動控制模式，依次接收串口數據，當接收到0xff 時，數據傳輸結束。根據下一點坐標與當前坐標點的差值輸出相應的脈沖數，精確定位到下一個孔位的坐標處進行鉆孔動作。每種孔徑鉆孔完畢后需要鉆頭回到原點，但是因為成本限制的原因，機床沒有采用限位裝置，所以在鉆孔過程中用變量對行程進行累加，最后一個孔鉆孔結束后往原點方向運行累計值即可回到原點，最后退出本次循環即可。

 
        結束語

        采用VC++ 與DSP 結合的方式實現了高精度低成本的PCB 鉆床控制系統。系統運行平穩、高效，面向低預算的行業有著廣闊的應用前景。