步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、儀器儀表等自動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的通常作法是采用步進(jìn)控制卡，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中Pulse、Dir分別為控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)；CWL（Clock Wise Limit）、CCWL（Counter Clock Wise Limit）分別為電機(jī)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的限位信號(hào)；ORG為定位信號(hào)。

這種方法不僅成本較高，而且不便于操作。在計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽上安裝控制卡，必需打開(kāi)機(jī)箱才能操作，而且在小型平板電腦和嵌入式電腦中根本沒(méi)有安裝控制卡的空間和擴(kuò)展槽。將計(jì)算機(jī)串行口二次開(kāi)發(fā)，用于控制步進(jìn)電機(jī)，代替控制卡的作用，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 RS232串行口及編程

計(jì)算機(jī)串行接口采用RS232標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)定邏輯1的電平為-3~-15V，邏輯0的電平為+3~+15V，常用的信號(hào)有8個(gè)（接口為DB9M插座時(shí)，引腳號(hào)如表1所示），其中RXD、TXD為收、發(fā)數(shù)據(jù)，可與RS232串行口設(shè)備直接進(jìn)行通訊，RTS、DTR、CD、DSR、CTS、BELL為控制與檢測(cè)MODEM的信號(hào)，在通訊過(guò)程中起聯(lián)絡(luò)與控制作用。數(shù)據(jù)格式有5、6、7、8位幾種，1位起始位（邏輯0），1、1.5、或2位停止位（邏輯1），可以選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)和無(wú)校驗(yàn)，常用波特率為2400、4800、7200、9600bps等。串行口編程方法主要有三種：硬件編程法、文件操作法、串口控件法。

表1RS232接口各引腳定義

1.1 硬件編程法

直接使用端口的輸入、輸出（I/O）函數(shù)對(duì)串行口的控制電路進(jìn)行編程。適用于DOS及Windows平臺(tái)（Windows Me以前的各版本），但在基于NT技術(shù)構(gòu)建的操作系統(tǒng)（Windows NT、Windows 2000、Windows XP等）中因不允許用戶程序直接操作硬件而不適用。常用的端口輸入、輸出函數(shù)（指令）有：匯編語(yǔ)言的IN、OUT指令及軟中斷調(diào)用，C語(yǔ)言的inport（ ）、outport（ ）、inportb（ ）、outportb（ ），C++的_inp（ ）、_outp（ ）等。計(jì)算機(jī)串行口采用Intel 8250異步串行通訊組件構(gòu)成，COM1、COM2、COM3、COM4的基地址分別為16#3F8（16進(jìn)制數(shù)3F8，表示法下同）、16#2F8、16#3E8、16#2E8，波特率因子（DR）計(jì)算方法為：DR＝1.8432×1000000/16B，8250編程請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

1.2 文件操作法

文件操作法是將串行口作為系統(tǒng)的一個(gè)文件來(lái)處理，通過(guò)對(duì)這個(gè)文件的讀、寫操作引發(fā)串口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收、發(fā)動(dòng)作。這種方法在DOS、Windows、Windows NT、Windows2000及Windows XP等平臺(tái)下都能正常工作。例如在BASIC語(yǔ)言中可用語(yǔ)句：OPEN “COM1，1200，n，8，1，rs，cs，ds，cd”AS #1將串行口COM1作為文件#1進(jìn)行讀寫操作。在VC++中，可用CreateFile（）、BuildCommDCB（）、Read（）、Write（）、EscapeCOMMFunction（）等函數(shù)將串行口作為文件進(jìn)行操作。

1.3 串口控件法

用VB及VC++編程時(shí)，可用控件對(duì)串行口進(jìn)行編程。這種方法通用性好，在Windows、Windows NT、Windows2000及Windows XP等平臺(tái)下都能正常工作。在VB中，使用MSCOMM控件；在VC++下使用Microsoft Communication Control這一ActiveX類控件。串口控件使用方法請(qǐng)參考MSDN。

2 串行口步進(jìn)電機(jī)控制器工作原理

2.1 串行口發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程研究

在串行口發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，串行口先發(fā)送起始位（邏輯0）進(jìn)行同步，接著按規(guī)定的波特率（B）從低位到高位依次發(fā)送通訊數(shù)據(jù)的各二進(jìn)制位，最后發(fā)送停止位（邏輯1）。表示每個(gè)二進(jìn)制位的邏輯電平在TXD端的保持時(shí)間為1/B秒。如果按８位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所發(fā)送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位是0、1交替的。例如：數(shù)據(jù)取01010101（即16進(jìn)制的16#55），其發(fā)送過(guò)程如圖2中5所示，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，在TXD端發(fā)出5個(gè)脈沖，周期T＝2/B，即頻率f＝B/2。改變發(fā)送數(shù)據(jù)的各二進(jìn)制位，便可在TXD端得到不同的波形。圖2示出欲產(chǎn)生1~5個(gè)脈沖時(shí)應(yīng)發(fā)出的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的波形。

2.2 串行口步進(jìn)電機(jī)控制器工作原理

通過(guò)分析串行口發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程可知，從TXD端所發(fā)出的脈沖完全滿足控制步進(jìn)電機(jī)的需要：

①改變發(fā)送的字節(jié)數(shù)及所發(fā)送的字節(jié)內(nèi)容，可在TXD端產(chǎn)生任意數(shù)量的脈沖；

②改變波特率可動(dòng)態(tài)改變發(fā)送脈沖的頻率。

所以，可用TXD作為控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)（Pulse）。

串行口的DTR、RTS、CTS、DSR、CD、RI雖然在串行通訊接口中被定義為不同功能的握手信號(hào)，但通過(guò)對(duì)8250的分析可知，它們均可作為一般的I/O量使用，而且不論采用哪種編程方法，都能很方便地對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行讀寫操作。若以DTR（或RTS）作為方向控制信號(hào)（Dir），同時(shí)分別以CD、DSR、CTS、RI作為狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)（CWL、CCWL、ORG等），則僅用一個(gè)串行口就已提供了步進(jìn)電機(jī)控制器需要的所有信號(hào)。正是基于此原理，我們開(kāi)發(fā)了串行口步進(jìn)電機(jī)控制器，并成功應(yīng)用在板材多點(diǎn)成形設(shè)備的控制系統(tǒng)中。由于串行口已直接提供了控制步進(jìn)電機(jī)所需的所有信號(hào)，只需將各信號(hào)由RS232電平變成TTL電平即可。常用的電平轉(zhuǎn)換器件有DS1488、DS1489、MAX232等［5］。用計(jì)算機(jī)串行口開(kāi)發(fā)的步進(jìn)電機(jī)控制器工作原理如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)及計(jì)算

為避免電機(jī)失步和提高電機(jī)運(yùn)行速度，將步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程分為三個(gè)階段：低速起動(dòng)并加速、高速運(yùn)行、減速并停止；相應(yīng)地控制脈沖也分為：升頻、高頻、降頻三段［6］，如圖4所示。

在用串行口發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制脈沖時(shí)，雖然通過(guò)改變所發(fā)字節(jié)內(nèi)容的辦法能產(chǎn)生1~5中間任意個(gè)數(shù)的脈沖，但若發(fā)送一個(gè)字節(jié)所產(chǎn)生的脈沖少于5個(gè)，后面接著發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的脈沖時(shí)，兩個(gè)字節(jié)銜接時(shí)所產(chǎn)生的脈沖頻率和占空比均會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。為使電機(jī)運(yùn)行的三個(gè)階段能平滑過(guò)渡，需要對(duì)每個(gè)階段的脈沖數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，使I、II兩個(gè)階段的步數(shù)均為5的整數(shù)倍（分別為n1×5、n2×5）；將非5整數(shù)倍的步數(shù)安排在減速停車的III階段，發(fā)出脈沖數(shù)為n3×5+Δp，其中Δp＝（1~4）。這可通過(guò)改變III階段所發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的脈沖輸出。產(chǎn)生1~4個(gè)脈沖應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)分別為16#FF、16#FB、16#F5、16#D5。

由圖4所示的電機(jī)運(yùn)行過(guò)程可知，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制脈沖的頻率f應(yīng)隨時(shí)變化以滿足電機(jī)低速起停及高速運(yùn)行的需要。脈沖頻率由發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率（B）決定，每發(fā)出一個(gè)脈沖需用兩個(gè)二進(jìn)制位1和0來(lái)構(gòu)成其高、低電平，所以f＝B/2，通過(guò)調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率可改變所發(fā)出的控制脈沖的頻率。按常規(guī)波特率系列發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的控制脈沖頻率變化較大，不能滿足電機(jī)正常起停及調(diào)速的要求，為此計(jì)算機(jī)需按非標(biāo)準(zhǔn)的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)以產(chǎn)生任意頻率的控制脈沖。一般在電機(jī)起動(dòng)及停止階段（I、III）每發(fā)送一個(gè)字節(jié)調(diào)整一次波特率，以使電機(jī)起停得盡量平滑。

用串行口直接控制步進(jìn)電機(jī)的控制軟件流程圖如圖5所示。

4 高級(jí)控制功能

對(duì)步進(jìn)電機(jī)的高級(jí)控制，主要是指自動(dòng)找零及多機(jī)聯(lián)動(dòng)差補(bǔ)。

找零功能是指控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，完成定位的過(guò)程。在找零時(shí)，電機(jī)一般以低速運(yùn)行，當(dāng)測(cè)到ORG信號(hào)時(shí)電機(jī)停止。由于運(yùn)行速度低，為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，在TXD端可以只輸出一個(gè)脈沖，測(cè)到ORG信號(hào)則停止發(fā)送。為保證輸出脈沖的占空比為50%，發(fā)送字節(jié)定為16#F0。找零程序的設(shè)計(jì)可參照?qǐng)D5進(jìn)行。

差補(bǔ)是指控制兩臺(tái)或兩臺(tái)以上電機(jī)按規(guī)定的速比運(yùn)行，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿規(guī)定的軌跡運(yùn)行。由于一般計(jì)算機(jī)只有兩個(gè)串行口，這種方法只適用于二維差補(bǔ)控制。通常兩個(gè)串行口用相同的波特率進(jìn)行發(fā)送，通過(guò)調(diào)整發(fā)送的字節(jié)數(shù)及發(fā)送每個(gè)字節(jié)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)的不同來(lái)調(diào)整兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)行速度和位置。

實(shí)際運(yùn)行證明，用串行口設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器具有使用方便、性能穩(wěn)定、成本低、可移植性好、不需安裝硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等優(yōu)點(diǎn)。

直接采用計(jì)算機(jī)串行口設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制控制器適用于對(duì)全數(shù)字式伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

本文對(duì)計(jì)算機(jī)串行口、并行口等資源的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用起到了一定的借鑒作用。

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