0 前言

　　隨著計算機技術與現代通訊技術的高速發展，現代高性能電子產品層出不窮，對電子產品提出了“輕、薄、短、小”的要求。超大規模集成電路的發展，使PCB(印刷電路板PrinCed Circuit Beard)制作工藝朝著高密度、多層化等方向發展，對PCB的加工工藝及其數控系統提出了越來越高的要求。對此，國內外開發了各種功能的數控系統，其中有功能強大、系統復雜且適合于網絡化加工的計算機數控系統，以及基干單片機的簡易數控系統等。計算機數控系統成本高，只適合于大規模的PCB生產。單片機數控系統過于簡單，性能單一，應用范圍窄。針對上述情況，本文提出開發基于嵌入式系統的開放式數控系統。對數控技術進行攻關，取得突破與經驗，可以提高我國CNC鉆銑床技術的水平，推動電子工業的發展和技術進步，振興我國的PCB工業。

1 基于ARM的數控系統的總體設計

　　1.1 系統功能要求

　　本系統是基子ARM砰臺、uClinu讀時操作系統設計而成的一個開放式數控系統。系統設計目的是對PCB11A工過程進行實時的數字控制，因此該系統必須滿足以下幾點要求:具有強實時性;具有簡單友好的操作界面;具有高度的模塊化結構，易干更換或添加新功能:刀具庫功能支持;數控代碼的編輯、譯碼與仿真功能;PCB加工文件的編輯、管理:各種機器參數的管理、設置;加工過程的圖形實時顯示:加工過程中出錯信息的顯示、報警;直觀、快捷的對板、找原點功能;加工過程控制命令，如起停、復位等。

　　1.2 系統總體設計及分析

　　嵌入式控制器采用32位ARM7微處理器，用干平臺上層管理CPU;SM5004用于實現運動控制功能，與ARM--起形成一個完整的應用平臺:RS232作為通信口和上位機通訊;IIC接口用于連接ZLG729(鍵盤和存儲系統參數及刀具參數的EEPROM；CF卡用于加工文件的讀取;顯示接口用于驅動LCD掖晶顯示器；4MFLASH(SST39VP3201)用作程序存儲空間，包含ARM對周邊器件端口的驅動和操作，當AF位后，從此FLASFH中讀取指令執行:16M的SRAM (IS61LV51216)用于程序的運行空間;以太網口用于網絡通訊。

　　系統的軟件將根據對實時性要求的不同分為非實時域軟件和實時域軟件。這樣，整個系統就由非實時任務部分、實時任務部分和硬件部分組成，箭頭表示由系統進程間通訊和實時通訊機制實現的軟件數據流。非實時任務部分由圖形用戶界面模塊、網絡模塊、譯碼模塊等組成，這些任務具有較低的優先級，運行在系統的用戶空間。實時任務部分由插補模塊、刀補模塊、故障診斷模塊、速度控制模塊、位置控制模塊等組成。這部分任務要求較高的優先級。運行在實時內核空間。

2 基子ARM的數控系統的硬件設計

　　在上面建立的基于ARM的PCB工數控系統的總體設計的基礎上，下面介紹主要的系統硬件部分的元器件、設備等的選型與設計。

　　2.1 ARM處理器的選擇

　　基于ARM體系結構的3啦系統占領了2位嵌入式系統的大部分。但長期以來，基于ARhr體系結構的32位系統僅在嵌入式系統的高端等場合使用，要么以專用芯片的面貌出現，要么以微處理器的面貌出現，并沒有出現性價比高的通用微控制器。本文采用性價比高的LPC2210芯片。

　　2.2 運動控制器與ARM的連接

　　SNf5004是以單一芯片而可控制毖嫩的脈沖序列輸入之伺服馬達、步進馬達的運動控制芯片，可以進行各軸獨立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進行圓弧、直線、位方式插補。

　　SM5004云動控制芯片能與8/16位立數據總線接口，通過命令、數據和狀態等寄存器實現4軸3聯動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，實現直線、圓弧、位元琳模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4MHZ。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設置為恒速、線性、非對稱S曲線加/減控制、非對稱梯形加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數器和狀態比較寄存器，實現位置的閉環控制口在同等的性能指標下SM5004的價格遠低干同類產品，因此本課題選用SM5004實現運動控制功能。

　　2.3 FLASH與ARM的連接

　　根據系統的功能要求，uClinux和應用程序編譯后的內核大約為3.1M左右，因此選擇4M的SST39VF640型FLASH。

　　2.4 ARM與EEPROM的接口

　　EEPROM是非易失性存儲器，所以系統用它來存儲一些斷電需要保護的參數以及刀具尺寸、壽命、刀號、刀具進刀率等參數。系統采用ATMEL公司的IIC妾口的EEPROM。

　　2.5 以太網接口與ARM的連接

　　SMS9113同時具備MAC層和PHY物理接口功能芯片，它使用中斷通知LPC22l嗽據的發送和接收。LPC2210是使用nGCSI和數據地址線訪問SMSC911拍勺內部寄存器和緩沖區。TS6121是隔離變壓器，板上的LED和LED指示燈分別表示100Mb/s鏈路正常和網絡接收發送。

3 基干ARM的數控系統的應用軟件設計

　　3.1 圖形用戶界面模塊設計

　　圖形用戶界面(GUI)是用戶和數控機床進行交互的媒介，因此一個好的數控系統必須提供良好的人性化的圖形用戶界面，MINIGUI是為了滿足一個工業控制系統的需求而設計和開發的。在設計之初就考慮到了小巧、高性能和高效率口因此，MINIGUI是一個非常適合于工業控制實時系統以及嵌入式系統的可定制的、小巧的圖形用戶界面支持系統口本文在設計基干ARM動開放式數控系統時采用MINIGUI開發系統的人機交互界面。

　　3.2 基干MINIGUI的數控系統GUI設計

　　3.2.1創建窗口

　　MiniGUI窗口的建立過程與Windaw程序基本類似，不過也有一些差別。在Windows程序中，在建立一個主窗口之前，程序首先要注冊一個窗口類，然后創建一個屬于該窗口類的主窗口。MiniGUI卻口沒有在主窗口中使用窗口類的概念。在MiniGUI程序中，調用CreaCeMainWindow 0函數建立主窗口，建立主窗口之后，程序將進入消息循環。

　　3.2.2 創建控件

　　MiniGUI提供了常用的預定義控件類，包括按鈕、靜態框、列表框、進度條、滑塊、編輯框等。也可以定制自已的控件類，注冊后再創建對應的實例。控件的創建有兩種方式:一種是在對話框模板中指定控件，這樣，當應用程序啟動該對話框時，系統自動創建指定控件:另一種方式是調用Crea Lewindow 0函數來創建控件，通過指定要生成的控件的窗口類型來生成所需控件。

　　3.2.3 創建對話框

　　在MiniGUI中，對話框是一類特殊的主窗口，這種窗口一般只關注與用戶的交互。對話框可以分為模態對話框和非模態對話框，模態對話框顯示之后，用戶就不能再切換到其他主窗口進行工作，而非模態對話框就沒有這樣的限制。

　　3.3 插補模塊設計

　　插補是整個數控系統軟件的核心任務。插補是指根據給定的數學函數，如線性、二次或高次函數，在理想軌跡或輪廓上的己知點之間確定一些中間點的方法。

　　對于數控系統而言，插補概念“確定中間點”的體現就是用簡單幾何段對工件輪廓進行逼近。被加工工件的輪廓形狀千差萬別，各式各樣，而由于機床結構和伺服裝置特性的限制，只能控制刀具走簡單線段，所以必須用多個簡單線段去逼近工件的實際輪廓口數控系統中的插補，就是根據輸入的有限坐標點，運用一定的算法，在有限坐標點之間生成一系列的插補點，使得插補點之間為可以控制實現的簡單線段口這樣，數控系統通過控制實現一系列簡單線段的進給，完成對于工件輪廓的逼近。顯然，“逼近”的程度是由甸個進給段的長度決定的，進給段的長度越小，逼近程度越高，加工誤差就越小。

　　3.4 實時軟件部分設計

　　uClinux是為嵌入式應用設計的，它本身并沒有更多地關注實時問題。uClinux經過小型化改造，形成了一個高度優化、代碼緊湊的嵌入式Linux,并保留了Linux大多數的優點。它專門針對無MMU的CPU，去除了普通Linux內核中的虛擬內存管理部分。考慮到開放式數控系統的實時性要求，在系統設計時將RTA環uClinux相目結合，采用雙內核的設計方案，既滿足了嵌入式應用的需求，又保證了系統的硬實時性。

　　系統的實現基礎是硬件抽象層，通過硬件抽象層進行硬件管理，把基本內核和實時內核結合在一起，其中一個內核的改變，不會影響另一個內核的執行口基本內核和實時內核(RTAI)分別處理非實時和實時任務的調度和執行，而實時任務和非實時任務之間信息的交換要通過管道(FIFO)或共享內存(MBUFF)來實現口

　　3.5 故障診斷模塊設計

　　數控設備的結構復雜，所以一旦發生故障，原因很難確定，結果難以及時排除故障，往往造成嚴重的經濟損失。為了盡量減少故障發生，通常在鉆銑加工前，要對機床及其附屬設備的性能進行檢測口在系統軟件的設計中，設計了一個輔助管理菜單，里面包含了機器自檢、斷電保護、機器部件測試、主軸轉速自檢等功能。這些功能有效的保障了系統的正常運行，提高了系統的工作效率，節約了加工成本口

　　3.6 網絡模塊設計

　　本系統憑借uClinux的網絡功能支持，可以實現數控系統的網絡功能。整個系統包括三個層次:①車間內設備的集成、②制造企業內計算機通訊和資源的共享、③基于WWW的企業乃至全球范圍內的信息集成與共享。車間內網絡數控系統用網線和集線器連接，它們之間關系平等，可以共享多種信息和各種軟、硬件資源，通過車間服務器有效地調動它們，使制造過程最優化。企業通過專門的服務器在Internet上發布相關的網頁，給遠程用戶提供CAD/CAPP等技術支持，也可以對遠程伙伴的網絡數控系統分配任務，在網上動態地進行加工任務的協調。

4 結束語

　　本文采用LPC2210和SMS5004構造的開放式數控系統，建立了一種新型的模塊化、可靠性高、成本低、便攜的數控系統;采用了開放源碼的uClinux操作系統，其開發資源豐富，為后繼的系統功能擴展奠定了較好的基礎。本系統的研究成果和方法能成功的推廣應用到其他數控領域，具有很好的應用前景和杜會經濟價值。