1 引言

　　從20世紀70年代以來,以數控機床為代表的現代基礎機械已成為制造工業最重要的技術特征,數控機床水平的高低和機床數控化率的高低已成為衡量國家工業化水平高低的重要標志。數控系統是數控機床的大腦,是計算機技術在機械制造領域的一種典型應用,它集計算機技術、測量技術、現代機械制造技術、微電子技術、自動控制技術、信息處理技術等多項技術于一體,是近年來應用領域中發展十分迅速的一項高新技術。

　　隨著電子技術的飛速發展,數控系統逐漸朝嵌入式方向發展。嵌入式系統是近年發展最快的技術之一,它是以應用為中心,以計算機技術為基礎、軟硬件可裁減,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。本論文主要對嵌入式數控系統進行研究設計,以期從中找到可行的嵌入式數控系統控制方法,并以此和廣大同行分享。2 嵌入式數控系統總體結構設計

　　系統由幾個不同功能的模塊組成,模塊間通過并行I/O、高速串行協議或其他方法相互聯系。主要包括人機交互裝置、嵌入式數控操作和管理模塊、嵌入式運動控制模塊和I/O及伺服控制器等。

　　嵌入式數控操作和管理模塊通過I/O與人機交互裝置相連,并通過串口與運動控制模塊連接,運動控制模塊通過I/O模塊與伺服控制器和機床各開關量相連。

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

　　(2) 嵌入式數控操作和管理模塊。是數控系統的核心模塊之一,負責全部的人機交互處理,各種機床參數的設置,NC代碼的編輯、編譯、存儲和傳輸,系統監控與故障診斷,移動U盤的控制及網絡通信等。

　　(3) 嵌入式數控運動控制模塊。機床邏輯運動控制的核心,利用邏輯運算能力,負責送料機運行軌跡的計算、插補、反向間隙補償、信號采集、主軸及開關量控制等實時性強的運算和控制。

　　(4) I/O模塊與伺服控制器。FO模塊的主要任務是不同電平的轉換、隔離及功率放大等。包括3.3V到5V轉換、3.3V到24V的轉換、采用光電禍合器隔離防止干擾以及增大驅動功率等。另外還包括單路信號轉換成差分信號及差分信號轉換成單路信號電路。伺服控制器的作用在于接受來自上位控制裝置的指令信號,驅動被控對象跟隨指令脈沖運動,并保證動作的快速和準確。3 嵌入式數控系統的設計與實現

　　3.1 硬件設計

　　本論文所設計的嵌入式數控系統硬件系統結構構成原理圖如下圖所示:

　　(1)ARM微處理器模塊。ARM處理器是系統的控制核心,負責運行數控系統控制軟件。本系統選用SAMSUNG公司的S3C44B0X處理器。本模塊還包括時鐘電路、復位電路和實時時鐘RTC(Real Time Counter)電路。

　　(2)存儲器模塊。存儲器是嵌入式系統中的重要組成部分,它用于存儲程序和數據。本系統的存儲器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash,其中,EPROM用于存儲系統程序;SDRAM用于存儲系統運行時的程序與數據;SRAM用于存儲突然掉電時的重要實時數據;NAND-Flash用于存儲用戶的數控加工程序。

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

　　(4)人機交互模塊。人機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責鍵盤的掃描并讀取鍵值,同時負責LED的顯示控制。液晶顯示模塊實現數控系統用戶界面。

　　(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,實現系統運行程序的仿真調試;RS-232串行接口與PC通訊,實現NC文件的上傳與下載;USB接口實現對U盤NC文件的讀寫。

　　(6)D/A轉換模塊。D/A轉換模塊負責產生變頻器所需要的模擬信號,由隔離器件、D/A轉換器和集成運算放大器組成。

　　(7)CPLD/FPGA模塊。CPLD模塊包括CPLD、FPGA、CPLD對FPGA的配置電路。CPLD主要是用來對SRAM工藝的FPGA進行配置和加密,同時擴展數控系統的通用I/O口;FPGA主要負責精插補,產生軸運動所需的脈沖信號以及處理編碼器返回信號,同時負責處理手輪輸入和開關量的輸入輸出。

　　(8)輸入輸出模塊。本系統的輸入/輸出信號是通過FPGA和CPLD的邏輯控制來實現,以提高系統的工作可靠性和設計柔性。對于輸出的脈沖信號和輸入的編碼器信號采用差分輸出輸入的方式,這樣不僅提高脈沖傳輸的抗干擾能力,也增加了信號傳輸距離;而對于I/O信號則采用光電隔離的方法,進一步提高了系統的抗干擾性和可靠性。

　　3.2 軟件設計

　　該系統采用嵌入式μClinux 操作系統作為嵌入式數控系統軟件平臺,其源代碼開放、內核小,非常適合運行在嵌入式微處理器上,并且μClinux操作系統也支持TCP/ IP 協議,具有強大的網絡功能,同時該操作系統也支持多任務并發運行,可以采用多任務編程方法。這樣,數控系統的每個功能可以作為一個獨立的任務來實現,這大大地增強了系統軟件的可靠性、穩定性,也便于以后的維護和升級,同時也提供了圖形用戶接口(GUI),結合鍵盤、LCD 液晶顯示和觸摸屏模塊為用戶提供友好的人機交互界面。

　　(1) 調度任務的劃分。

　　軟件平臺設計中,采用嵌入式實時操作系統Clinux對系統多任務進行調度及管理。基于實時多任務操作系統的應用程序中,實時性取決于對任務及中斷的處理。用戶根據需要調用Clinux的任務調度函數,調度函數從就緒任務中尋找優先級最高的任務,并進行任務切換操作。Clinux把任務分為各不相同的優先級(唯一),已經準備就緒的高優先級的任務可以剝奪正在運行的低優先級對CPU的使用權,所以正確的任務劃分及優先級分配可以充分體現嵌入式實時操作系統任務調度算法的效率,從而提高整個系統的實時性能。Clinux可以支持64個任務,最多支持56個用戶任務,其余8個是系統任務。按照任務劃分原則,結合數控系統的具體要求,把應用軟件分成以下幾類任務:

　　① 數控系統基本功能實現任務:包括刀具的轉換、位置的測量、工件的插補運算及補充運算、加工工藝設置等等,該級別的優先級最高。

　　② 保護功能任務:主要是報警功能。要求盡可能快的完成。

　　③ 人機交互功能:鍵盤響應、顯示器顯示等。優先級最低。

　　(2) 軟件功能設計。

　　由于該嵌入式數控系統采用uClinux 操作系統管理系統的資源,相對于傳統的單片機,更類似一臺微型計算機系統,具有更強的性能和不同于傳統單片機的軟件設計方法,其軟件結構包括加載程序、uClinux內核、系統調用接口和應用程序。

　　加載程序負責在加電后對微處理器進行必要的硬件設置,初始化內存,并把uClinux 內核映像從Flash 中復制到內存,把控制權交給內核,使內核運行,最終使應用程序運行。uClinux內核作為應用程序控制系統硬件的接口,提供應用程序對硬件的間接訪問,在具體設計中,對微處理器中內置A/D 轉換器的操作、對鍵盤的操作以及對LCD的操作由在uClinux下編寫的設備驅動程序完成,這些驅動被編譯進uClinux 的內核。

　　系統任務的實現由兩個不同的進程實現:加工程序和網絡服務程序,分別用來完成數控系統的工件加工、計算的功能及網絡服務的功能。

4結語

　　數控系統作為現化制造業的核心技術,是衡量一個國家制造業水平的重要標志之一,受到各國的普遍重視,特別是發達國家。自20世紀80年代以來,國際上的數控技術和市場基本上被日本、德國和美國等少數公司所壟斷。考慮到我國機床數控系統當前的具體情況,研制一款擁有自主知識產權的嵌入式機床控制系統,對于提高我國中高檔數控系統的技術水平具有十分重要的意義。本文從嵌入式數控系統硬件平臺和軟件平臺的總體結構及其功能設計的角度對嵌入式數控系統進行了詳細的設計研究,對于我國嵌入式數控系統的開發與應用,是一次有益的嘗試與探索,是值得推廣和借鑒的。