1 引言

　　從20世紀(jì)70年代以來(lái),以數(shù)控機(jī)床為代表的現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械已成為制造工業(yè)最重要的技術(shù)特征,數(shù)控機(jī)床水平的高低和機(jī)床數(shù)控化率的高低已成為衡量國(guó)家工業(yè)化水平高低的重要標(biāo)志。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大腦,是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的一種典型應(yīng)用,它集計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)于一體,是近年來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)高新技術(shù)。

　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)逐漸朝嵌入式方向發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是近年發(fā)展最快的技術(shù)之一,它是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁減,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本論文主要對(duì)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì),以期從中找到可行的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)控制方法,并以此和廣大同行分享。2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)由幾個(gè)不同功能的模塊組成,模塊間通過(guò)并行I/O、高速串行協(xié)議或其他方法相互聯(lián)系。主要包括人機(jī)交互裝置、嵌入式數(shù)控操作和管理模塊、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制模塊和I/O及伺服控制器等。

　　嵌入式數(shù)控操作和管理模塊通過(guò)I/O與人機(jī)交互裝置相連,并通過(guò)串口與運(yùn)動(dòng)控制模塊連接,運(yùn)動(dòng)控制模塊通過(guò)I/O模塊與伺服控制器和機(jī)床各開(kāi)關(guān)量相連。

　　(l) 人機(jī)交互裝置。包括一個(gè)LCD顯示器、一個(gè)鍵盤和其他一些按鈕,完成人機(jī)交互任務(wù),例如NC代碼的輸入/編輯顯示、手動(dòng)操作以及一些機(jī)床狀態(tài)顯示等。

　　(2) 嵌入式數(shù)控操作和管理模塊。是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊之一,負(fù)責(zé)全部的人機(jī)交互處理,各種機(jī)床參數(shù)的設(shè)置,NC代碼的編輯、編譯、存儲(chǔ)和傳輸,系統(tǒng)監(jiān)控與故障診斷,移動(dòng)U盤的控制及網(wǎng)絡(luò)通信等。

　　(3) 嵌入式數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制模塊。機(jī)床邏輯運(yùn)動(dòng)控制的核心,利用邏輯運(yùn)算能力,負(fù)責(zé)送料機(jī)運(yùn)行軌跡的計(jì)算、插補(bǔ)、反向間隙補(bǔ)償、信號(hào)采集、主軸及開(kāi)關(guān)量控制等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的運(yùn)算和控制。

　　(4) I/O模塊與伺服控制器。FO模塊的主要任務(wù)是不同電平的轉(zhuǎn)換、隔離及功率放大等。包括3.3V到5V轉(zhuǎn)換、3.3V到24V的轉(zhuǎn)換、采用光電禍合器隔離防止干擾以及增大驅(qū)動(dòng)功率等。另外還包括單路信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)及差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單路信號(hào)電路。伺服控制器的作用在于接受來(lái)自上位控制裝置的指令信號(hào),驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng),并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確。3 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　本論文所設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成原理圖如下圖所示:

　　(1)ARM微處理器模塊。ARM處理器是系統(tǒng)的控制核心,負(fù)責(zé)運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)控制軟件。本系統(tǒng)選用SAMSUNG公司的S3C44B0X處理器。本模塊還包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC(Real Time Counter)電路。

　　(2)存儲(chǔ)器模塊。存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部分,它用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash,其中,EPROM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序;SDRAM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序與數(shù)據(jù);SRAM用于存儲(chǔ)突然掉電時(shí)的重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);NAND-Flash用于存儲(chǔ)用戶的數(shù)控加工程序。

　　(3)電源模塊。新型的CPU和FPGA的內(nèi)核電壓一般都是2.5V或以下的,I/O電壓一般都是3.3V。所選擇的開(kāi)關(guān)電源可以提供5V,±12V,24V電源,其中±12V用于主軸模擬信號(hào)模塊電路,24V用于光電隔離電路,因此,需要使用低壓差線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3V和2.5V的電壓,供CPU、FPGA和CPLD使用。為了保證微處理器穩(wěn)定而可靠地運(yùn)行,還需要配置電壓監(jiān)控電路。

　　(4)人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊包括鍵盤及指示燈模塊和液晶顯示模塊。鍵盤及指示燈模塊負(fù)責(zé)鍵盤的掃描并讀取鍵值,同時(shí)負(fù)責(zé)LED的顯示控制。液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)用戶界面。

　　(5)通信接口模塊。通信接口模塊包括JTAG接口、RS-232串行接口和USB接口。JTAG接口與PC通訊,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行程序的仿真調(diào)試;RS-232串行接口與PC通訊,實(shí)現(xiàn)NC文件的上傳與下載;USB接口實(shí)現(xiàn)對(duì)U盤NC文件的讀寫(xiě)。

　　(6)D/A轉(zhuǎn)換模塊。D/A轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生變頻器所需要的模擬信號(hào),由隔離器件、D/A轉(zhuǎn)換器和集成運(yùn)算放大器組成。

　　(7)CPLD/FPGA模塊。CPLD模塊包括CPLD、FPGA、CPLD對(duì)FPGA的配置電路。CPLD主要是用來(lái)對(duì)SRAM工藝的FPGA進(jìn)行配置和加密,同時(shí)擴(kuò)展數(shù)控系統(tǒng)的通用I/O口;FPGA主要負(fù)責(zé)精插補(bǔ),產(chǎn)生軸運(yùn)動(dòng)所需的脈沖信號(hào)以及處理編碼器返回信號(hào),同時(shí)負(fù)責(zé)處理手輪輸入和開(kāi)關(guān)量的輸入輸出。

　　(8)輸入輸出模塊。本系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)是通過(guò)FPGA和CPLD的邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn),以提高系統(tǒng)的工作可靠性和設(shè)計(jì)柔性。對(duì)于輸出的脈沖信號(hào)和輸入的編碼器信號(hào)采用差分輸出輸入的方式,這樣不僅提高脈沖傳輸?shù)目垢蓴_能力,也增加了信號(hào)傳輸距離;而對(duì)于I/O信號(hào)則采用光電隔離的方法,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用嵌入式μClinux 操作系統(tǒng)作為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái),其源代碼開(kāi)放、內(nèi)核小,非常適合運(yùn)行在嵌入式微處理器上,并且μClinux操作系統(tǒng)也支持TCP/ IP 協(xié)議,具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,同時(shí)該操作系統(tǒng)也支持多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行,可以采用多任務(wù)編程方法。這樣,數(shù)控系統(tǒng)的每個(gè)功能可以作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn),這大大地增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可靠性、穩(wěn)定性,也便于以后的維護(hù)和升級(jí),同時(shí)也提供了圖形用戶接口(GUI),結(jié)合鍵盤、LCD 液晶顯示和觸摸屏模塊為用戶提供友好的人機(jī)交互界面。

　　(1) 調(diào)度任務(wù)的劃分。

　　軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)中,采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Clinux對(duì)系統(tǒng)多任務(wù)進(jìn)行調(diào)度及管理?；趯?shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序中,實(shí)時(shí)性取決于對(duì)任務(wù)及中斷的處理。用戶根據(jù)需要調(diào)用Clinux的任務(wù)調(diào)度函數(shù),調(diào)度函數(shù)從就緒任務(wù)中尋找優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù),并進(jìn)行任務(wù)切換操作。Clinux把任務(wù)分為各不相同的優(yōu)先級(jí)(唯一),已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)對(duì)CPU的使用權(quán),所以正確的任務(wù)劃分及優(yōu)先級(jí)分配可以充分體現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的效率,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。Clinux可以支持64個(gè)任務(wù),最多支持56個(gè)用戶任務(wù),其余8個(gè)是系統(tǒng)任務(wù)。按照任務(wù)劃分原則,結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的具體要求,把應(yīng)用軟件分成以下幾類任務(wù):

　?、?數(shù)控系統(tǒng)基本功能實(shí)現(xiàn)任務(wù):包括刀具的轉(zhuǎn)換、位置的測(cè)量、工件的插補(bǔ)運(yùn)算及補(bǔ)充運(yùn)算、加工工藝設(shè)置等等,該級(jí)別的優(yōu)先級(jí)最高。

　?、?保護(hù)功能任務(wù):主要是報(bào)警功能。要求盡可能快的完成。

　　③ 人機(jī)交互功能:鍵盤響應(yīng)、顯示器顯示等。優(yōu)先級(jí)最低。

　　(2) 軟件功能設(shè)計(jì)。

　　由于該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)采用uClinux 操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)的資源,相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī),更類似一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),具有更強(qiáng)的性能和不同于傳統(tǒng)單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)方法,其軟件結(jié)構(gòu)包括加載程序、uClinux內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用接口和應(yīng)用程序。

　　加載程序負(fù)責(zé)在加電后對(duì)微處理器進(jìn)行必要的硬件設(shè)置,初始化內(nèi)存,并把uClinux 內(nèi)核映像從Flash 中復(fù)制到內(nèi)存,把控制權(quán)交給內(nèi)核,使內(nèi)核運(yùn)行,最終使應(yīng)用程序運(yùn)行。uClinux內(nèi)核作為應(yīng)用程序控制系統(tǒng)硬件的接口,提供應(yīng)用程序?qū)τ布拈g接訪問(wèn),在具體設(shè)計(jì)中,對(duì)微處理器中內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器的操作、對(duì)鍵盤的操作以及對(duì)LCD的操作由在uClinux下編寫(xiě)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成,這些驅(qū)動(dòng)被編譯進(jìn)uClinux 的內(nèi)核。

　　系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)不同的進(jìn)程實(shí)現(xiàn):加工程序和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序,分別用來(lái)完成數(shù)控系統(tǒng)的工件加工、計(jì)算的功能及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能。

4結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)控系統(tǒng)作為現(xiàn)化制造業(yè)的核心技術(shù),是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一,受到各國(guó)的普遍重視,特別是發(fā)達(dá)國(guó)家。自20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)際上的數(shù)控技術(shù)和市場(chǎng)基本上被日本、德國(guó)和美國(guó)等少數(shù)公司所壟斷。考慮到我國(guó)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前的具體情況,研制一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式機(jī)床控制系統(tǒng),對(duì)于提高我國(guó)中高檔數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)水平具有十分重要的意義。本文從嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)及其功能設(shè)計(jì)的角度對(duì)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究,對(duì)于我國(guó)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,是一次有益的嘗試與探索,是值得推廣和借鑒的。