嵌入式數控系統的設計和實現

李躍華，馮習賓

（1. 南通大學 計算機科學與技術學院，南通 226019；2. 桂林電子科技大學，桂林 541004）

0 引言

數控技術是當今制造業的核心技術，是發展高尖端技術和高新產業的關鍵。數控機床被視為戰略物質和戰備性工業備受高度重視。嵌入式技術的發展是近年來發展最快的技術，已經應用到生活的各個方面。目前，嵌入式技術已經開始廣泛的進軍工業控制領域。將嵌入式技術應用在數控機床上面，對新型的嵌入式數控系統進行研究和應用，可以與國外處于同一起跑線。對我國數控技術的發展具有十分重要的推動意義。本文提出了基于工業級ARM微處理器S3C2440和DSP專用運動控制芯片MCX314As，設計一種四軸三聯動的開放式經濟性數控系統。該數控系統不僅具有成本低、加工精度高、響應速度快等優點，而且具有很好的可移植性和裁剪性，是對新一代開放式經濟數控系統標準的探索和研究。嵌入式數控技術在數控領域將有很好的應用前景，對我國制造業整體水平的提高有積極的推動作用。

1 基于ARM的嵌入式數控系統結構模型

1.1 數控系統結構模型

在本設計方案中采用S3C2440作為主CPU負責數控系統各個任務的管理調度，運動控制芯片MCX314As作為從CPU完成數控加工所需要的復雜運動控制。采用專業級的運動控制芯片可以大大縮短數控系統的研發周期、提高控制系統的性能、減少研發成本和工作量等優點。嵌入式數控系統的模型如圖1所示，該嵌入式數控系統模型由上到下有三部分組成，

分別是硬件層、操作系統層和運動控制軟件層。底層硬件層采用Samsung公司的CPU處理器S3C2440，中間層為嵌入式數控系統的操作系統層，采用源代碼開放的Linux操作系統，并根據數控系統的要求對內核進行了相應的裁剪，提高了數控系統的實時性。頂層是運動控制系統的匹配軟件，主要包括編寫的各種控制函數，如運動控制芯片的控制庫函數等。

圖1 嵌入式數控系統模型圖

1.2 數控系統的硬件結構

CPU處理器選用Samsung公司的S3C2440處理芯片。 S3C2440是一款基于ARM920T內核的32位RISC架構的處理器，其體積小、低功耗、成本低、性能高，支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。主頻最高可達533MHZ，運算速度快，片內集成度高，可以很好的對數控系統進行多任務操作。

遠動控制芯片選用日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片MCX314As。MCX314As是一種功能比較強大的專業級運動控制芯片。芯片能夠實現對四軸控制，可以對任意兩軸進行直線和圓弧插補。在實際運用時可以把所有極其復雜的實時運動控制工作交給MCX314As芯片來處理，而主機CPU只需要向MCX314As芯片發出一系列的控制指令便能實現各種復雜的運動。

該嵌入式數控系統的硬件結構采用主從CPU結構模式。其中主CPU為ARM處理器，用于數控系統各個任務的調度和管理工作，而從CPU為MCX314As運動控制芯片，專門負責數控系統運動控制的處理工作?？刂葡到y硬件結構如圖2所示。

圖 2 控制系統硬件結構

1.3 ARM處理器與運動控制芯片的連接

ARM處理器S3C2440與運動控制芯片MCX314As的連接電路如圖3所示。

圖3 S3C2440與MCX314As的接口電路

MCX314As控制器的時鐘頻率由外部提供，采用默認的16MHz。數據線和讀/寫信號直接受S3C2440芯片相應的數據線和讀/寫信號控制，由于我們使用的是16位數據線的傳輸，所以MCX314As芯片的H16L8引腳必須接上高電平。由圖中可以看到，在那些互相連接的信號線之間都隔著一些寫著“SN74ALVC164245”的芯片，那是因為S3C2440的I/O引腳的工作電壓是3.3V的(按道理可以承受5V電壓)，而MCX314As的工作電壓是5V，為保險起見，同時也為了增加信號之間傳輸的可靠性，我們在兩者信號連接時加入了這“SN74ALVC164245”的芯片來實現電平的轉換，同時驅動信號。

2 數控系統軟件框架

為了充分利用數控系統的硬件資源，確保數控系統的實時性，采用了Linux這個多任務實時性強的操作系統。根據數控系統的要求，對Linux內核進行了適當的“裁剪”，進一步提高了數控系統的實時性。通過Linux操作系統可以實現數控系統的實時多任務控制?？刂葡到y的軟件結構圖如圖4所示。

圖4 數控系統軟件結構圖

3 嵌入式數控系統的調試

成功的設計好MCX314As運動控制板以及在Linux操作系統下編寫調試其驅動程序后，就可以對嵌入式數控系統進行仿真調試。MCX314As是寄存器控制型芯片，所有對MCX314As的控制都是通過讀寫其內部寄存器來實現的。S3C2440通過總線往MCX314As寫入數據，再讀出該寄存器的值，經過比較就可以確定MCX314As工作是否正常。當讀寫測試通過后，就可以往MCX314As寫入簡單的運動控制命令，通過示波器觀察波形來確定MCX314As的運動控制是否正常。

通過編寫簡單的X、Y2軸直線插補程序，來驗證設計的數控系統正確性。以下是編寫的應用程序，其功能是實現起點為（0，0）終點為（8，4）的直線插補。

WR5←0004h；將ax1設為X軸，將ax2設為Y軸

WR6←1200h；范圍：8 000 000(M=1)

WR7←007Ah；

WR0←0100h；

WR6←01F4h；初始速度：500 PPS

WR0←0104h；

WR6←03E8h；驅動速度：1 000 PPS

WR0←0105h；

WR6←0008h；X軸終點：8

WR7←0000h；

WR0←0106h；

WR6←0004h；Y軸終點：4

WR7←0000h；

WR0←0206h；

WR0←0030h；置2軸直線插補命令

把該程序下載到ARM9主控板中，運行嵌入式Linux，運行驅動，控制MCX314As運動控制板。圖5為X、Y直線插補理論軌跡及脈沖波形圖，圖6為通過示波器測量的X、Y軸直線插補實際脈沖波形圖。

根據以上例子中程序以及所得到的結果，大致可以說明設計的嵌入式數控系統是可以正常運行的。

圖5 X、Y軸直線插補理論軌跡及脈沖波形圖

圖6 X、Y軸直線插補實際脈沖波形圖

3 結束語

MCX314As是一款功能強大高度集成化的運動控制芯片，實現四軸三聯動的位置、速度加速度控制和直線、圓弧、位元3種模式的連續插補和位置閉環控制。ARM處理器S3C2440是工業級高性能處理器，具有強大的32位RISC性能，體積小、功耗低等特點。采用專業運動控制芯片和ARM處理器能的嵌入式數控系統設計能大大減輕研發任務，加快研發速度，能夠在較短時間內開發出性能優良的數控系統。而經過適當“裁剪”的Linux系統加入，使得數控系統能更好的進行多任務處理，極大的提高了系統的實時性。

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