激光切割数控系统的遥控器设计

    李奉顺?陆荣鑑?张建红?唐子焓

    摘 要：由于激光切割机床比较大，工人在操作時，需要在操作面板和床身之间来回跑动，很不方便。为解决这个问题，需采用无线遥控的方式。本系统分为两个部分，一部分是按键的识别，另一部分是无线发送与接收部分。按键的识别是采用ZLG7290芯片进行按键扫描、识别;无线发射是由2.4G的无线模块完成，它将按键编码通过无线的方式发送给数控系统，由数控系统完成相应的动作。

    关键词：激光切割;遥控器;2.4G无线模块;ZLG7290

    0 引言

    激光切割就是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。1970年以后，由于数控技术及CO2激光器的不断完善和发展，激光切割技术慢慢体现出其独特的优势。相比较其他的切割方法，激光切割以其高速、高精度和高适应性的特点，以及切割面质量好、割缝细、切割时噪声小、低污染等优点，已然成为工业中板材切割的一种相对较为先进的加工方法。[1，2，3]

    激光切割的应用十分广泛，包括机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、粮食机械、纺织机械、机车制造、农林机械、食品机械、特种汽车、石油机械制造、航空航天、环保设备、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业的众多领域。因此，提高激光切割的安全性以及效率必然会带来显著的经济效益和社会效益。[2，3]目前，我国对于无线工业遥控器的研发很少，而且其性能不稳定，安全等级也达不到相关行业标准，遥控器之间易发生干扰。可见，国产遥控器产品相比于欧洲产品，存在相当大的差距;因此，对无线工业遥控器的研究设计具有现实意义。[4，5]

    本遥控器控制系统设计的研究主要采用德国PA8000LW系统设计出廉价、高精度、高可靠性、柔性化、网络化的数控系统。其主要利用2.4G无线通信与PA8000数控系统的控制面板相连，实现PA8000数控系统的手动远程控制，具有手动、点动、回原点、调高控制等功能。

    1 遥控器控制系统总体设计

    遥控器控制系统总体设计包含了硬件设计和软件设计。硬件设计：本系统通过两个部分来组成，一个部分是按键的识别，这部分是采用ZLG7690芯片进行按键的扫描和识别;另外一部分是由2.4G的无线模块完成的，它将按键编码通过无线的方式发送给数控系统，由数控系统完成相应的动作。软件设计：以MPLAB为开发平台，使用C30进行程序的编写和设计;根据不同部分不同的功能编写出不同的程序，使系统能够正常运行。

    2 遥控器系统的硬件设计

    遥控器系统的硬件设计是本文的设计重点之一，主要介绍了遥控器系统中的硬件设计和功能实现;并且对电源、2.4G无线模块、键盘、仿真器以及控制面板的硬件电路进行设计。

    2.1 电源电路板设计

    电源电路的主要芯片为LM1117，LM1117只用两个外接电阻便可以控制输出电压。

    2.2 键盘接口电路设计

    ZLG7290采用I?C总线接口，与微控制器的连接仅需两根信号线，硬件电路比较简单;可以驱动8位共阴数码管或64只独立LED、64只独立按键，并可提供自动消除抖动、连击键计数等功能。[6，7，8]

    2.3 2.4G无线模块接口电路设计

    本设计使用的2.4G无线模块是NRF24L01，该模块通过SPI与MCU进行通信，无线模块的相关参数的设置可以通过SPI发送指令控制，能够较好地适应各种MCU。

    2.4 仿真器接口电路设计

    目前，一般使用的仿真器接口电路有SWD和JTAG等，仿真器接口电路可以控制MCU的运行。

    3 遥控器控制系统的软件设计

    当整个系统开始工作的时候，首先初始化，检测模块是否响应，若没有则重新开始，若响应则开始设置无线发送模块的模式;然后按下键盘检测有没有键值，如果没有键值重新按下键盘，如果有键值则读取键值;最后检测是否读完，若读完发送键值结束，没有读完重新按下键盘继续检测。本程序采用了模块化的编程方法，[9]用具体的程序进行仿真后证明该课题研究的可行性。

    3.1 nRF2401无线模块简略工作流程

    当无线模块开始工作时，先检查有没有磁场，当有磁场时，配置NRF24L01发送数据。无线模块芯片检测是否收到应答信号，若收到信号则LED灯闪烁，结束;若没有接收到信号，重新配置发送数据。

    3.2 键盘模块ZLG7290简略工作流程

    首先初始化键盘模块，然后启动键盘模块，开始扫描键盘。如果有按键按下的话，就将该键盘的键码值传给数字信号控制芯片dsPIC33EP502通过I2C通讯。

    3.3 I2C简略工作流程

    首先初始化，然后主控方发送从动方地址信息，从动方发出认可信号，如果收到则继续进行读写操作，然后结束。如果没有收到则继续上面的步骤。

    3.4 SPI简略工作流程

    首先初始化DSP时钟，SPI中断，SPI控制寄存器;然后检测是否接收到了时钟信号。如果没有收到则重新接收;如果收到信号，再查看是否接收到主处理器发送的非零数据，如果没有收到非零数据则继续重新接收，如果收到，循环给主处理器发送当前数据。

    4 结语

    本文提出的激光切割数控系统的遥控器设计的课题，和目前现有的遥控器系统相比，首先，先将原先有PLC或者单片机作为主控芯片的系统换成了现在的数字信号控制芯片DSPIC33EPMC502。这个类型的芯片是由Microchip开发，针对此类遥控系统而设计的专用芯片，从而能够更加方便地处理不同的信号，来控制使之实现遥控器的控制功能。其次采用基于ZLG7290芯片的独立键盘模块，实现了系统的模块化，为日后进一步研究或其他提供了方便与可能性。最后选用了NRF24L01型号的2.4G无线模块，此模块的一些优点，能够使整个系统的信号接收和发送更加完整和方便。当然，本系统也存在一些不足，相信在后期调整工作中会不断改进。

    参考文献：

    [1] 刘洪志.基于ARM嵌入式的制袋机控制系统设计[D].南京林业大学，2012.

    [2] 刘玉川.圆压圆技术在中封制袋机上的应用研究[D].河北工业大学，2011.

    [3] 刘丽荣.基于PLC的全自动纸钞复合制袋机生产线的研究与开发[D].兰州理工大学，2008.

    [4] 吴富民.基于ARM嵌入式的制袋机控制系统设计[D].南京林业大学，2008.

    [5] 段龙.热封切制袋机控制系统设计[D].厦门大学，2007.

    [6] 殷红，董海棠.纸钞复合制袋机控制系统设计[J].自动化仪表，2012（3）：24-27.

    [7] 陆荣鑑，韩凌.基于ARM嵌入式的制袋机控制系统设计[J].包装工程，2012（17）：88-93.

    [8] 毕楚瑜，薛伟.制袋机系统的伺服控制[J].微计算机信息自动化技术与应用，2013（1）：71-73.

    [9] 丁奉龙，周海燕.手持喷雾水电解机的控制装置设计[J].艺术科技，2019，32（08）：241+243.

    作者简介：李奉顺（1996—），男，研究生在读，主要从事机电一体化、嵌入式系统方向的研究。

    通讯作者：陆荣鑑（1964—），男，研究生，讲师，主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。