基于嵌入式处理器的数控系统硬件设计分析

现有的数控系统中多采用工控机加运动控制卡的计算机数控系统方案进行运动控制器的设计。

随着工控机整体功能日趋复杂，对运动控制系统的体积、成本、功耗等方面的要求越来越苛刻。

现有计算机数控系统在运动控制方面逐渐呈现出资源浪费严重、实时性差的劣势。

此外，数控系统的开放性、模块化和可重构设计是目前数控技术领域研究的热点，目的是为了适应技术发展和便于用户开发自己的功能。

本文基于ARM和FPGA的硬件平台，采用策略和机制相分离的设计思想，设计了一种具有高开放性特征的嵌入式数控系统。

该数控系统不仅具备了以往大型数控系统的主要功能，还具备了更好的操作性和切割性能，而且在开放性方面优势更为突出，使数控系统应用软件具有可移植性和互换性。

1 基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统整体方案基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统结构如图1所示。

按照模块划分的思想，本文将控制器分为人机交互、插补算法和通信三部分。

系统中ARM采用三星公司推出的16／32位RISC微处理器S3C2440A，它采用了ARM920T内核，核心频率高达400MHz。

FPGA采用Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

图1 基于ARM FPGA的嵌入式数控系统结构2 S3C2440A控制系统ARM作为数控系统的控制核心主要负责对从数据存储器中读取或直接从上位PC或网络获得的零件加工代码和控制信息进行译码、运算、逻辑处理，完成加工数据的粗插补以及人机界面和数据通信。

ARM系统是整个数控系统的控制核心，在嵌入式操作系统的管理下，采用分时处理的方式实现整个系统的信息处理和粗插补运算，通过键盘、触摸屏等输入装置输入各种控制指令，对数控系统的实时运行状态通过LCD、指示灯等显示，实现人机友好交互。

基于S3C2440A控制器有各种通信接口，包括RS232、RS485、以太网口、USB等接口模块。

通过这些接口实现文件传输和网络控制。

嵌入式数控的软件系统总体结构如图2所示。

TOUT0 GND LED1 GND TOUT0 GND LED1 GNDTOUT0 GND LED1 GNDGPIO信号地232OPF光耦RDARDBSDASDBSGFRE500 232OPF光耦232OPF光耦232OPF光耦S3C2440PF+PF－PR+PR－SEDA－02AVNPF+PF－PR+PR－SEDA－02AVNPF+PF－PR+PR－SEDA－02AVNUVWGNDUVWGNDUVWGNDUVWGNDM1M2M3M4PEPEPEPE图1系统原理图来控制电机。

根据加工线型的不同，本数控系统的插补计算分为圆弧插补、直线插补计算。

3结语采用S3C2440和运动控制芯片SEDA －02AVN 组成的嵌入式数控系统能减轻研发任务，提高研发速度，在较短的时间内得到性能良好的数控系统。

Samsung 公司的16／32位RISC 处理器S3C2440对调制PWM 实现方便，可编程，电机转速、转向的改变迅速，无停顿，还可以进行Linux 操作系统的移植。

而Linux 是UNIX 类、多用户、多任务的开放式操作系统，借助Linux 操作系统，大大提高了软件开发的灵活性，缩短了数控系统软件的开发周期。

［参考文献］［１］韦东山．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用开发完全手册．北京：人民邮电出版社，２００８［２］杜春雷．ＡＲＭ体系结构与编程．北京：清华大学出版社，２００３［３］刘刚，赵剑川．Ｌｉｎｕｘ系统移植．北京：清华大学出版社，２０１１［４］秦云川改编．构建嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统．北京：中国电力出版社，２０１１［５］刘淼．嵌入式系统接口设计与Ｌｉｎｕｘ驱动程序开发．北京：北京航空航天大学出版社，２００６［６］于明，范书瑞，曾祥烨．ＡＲＭ９嵌入式系统设计与开发教程．北京：电子工业出版社，２００６［７］Ｓ３Ｃ２４４０芯片手册［８］ＴＱ２４４０开发板使用手册收稿日期：2012－08－08作者简介：程龙（1987—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：机械电子。

《基于龙芯的嵌入式数控系统平台的研究与开发》一、引言随着科技的不断进步，数控系统在制造业中扮演着越来越重要的角色。

作为嵌入式系统的重要应用之一，数控系统对处理器性能的要求极高。

而龙芯处理器作为我国自主研发的芯片，具有高性能、低功耗等特点，因此非常适合用于嵌入式数控系统平台的开发。

本文旨在研究并开发基于龙芯的嵌入式数控系统平台，以实现高精度、高效率的数控加工。

二、龙芯处理器及其特点龙芯处理器是我国自主研发的一款高性能、低功耗的处理器，具有自主知识产权。

其特点包括：1. 自主可控：龙芯处理器的研发完全自主，不受国外技术限制。

2. 高性能：龙芯处理器在性能上可与国外同类产品相媲美，甚至在某些方面具有优势。

3. 低功耗：龙芯处理器采用先进的制程和低功耗设计技术，有效降低了功耗。

4. 丰富的接口：龙芯处理器具有丰富的接口资源，便于与其他设备进行连接和通信。

三、基于龙芯的嵌入式数控系统平台设计1. 总体设计基于龙芯的嵌入式数控系统平台主要包括硬件和软件两部分。

硬件部分包括龙芯处理器、存储器、接口电路等；软件部分包括操作系统、数控系统软件等。

整体设计需考虑系统的稳定性、实时性、可扩展性等因素。

2. 硬件设计硬件设计主要包括处理器选型、电路设计、接口设计等。

在处理器选型上，需根据实际需求选择合适的龙芯处理器型号。

电路设计需考虑功耗、稳定性等因素；接口设计需满足与外部设备的连接需求。

3. 软件设计软件设计主要包括操作系统、数控系统软件的设计与开发。

操作系统需具备实时性、稳定性等特点，以支持数控系统软件的运行。

数控系统软件需具备高精度、高效率的加工控制算法，以及友好的人机交互界面。

四、关键技术及实现方法1. 数控算法的研究与实现数控算法是数控系统的核心，直接影响到加工精度和效率。

因此，需对数控算法进行深入研究，并采用合适的实现方法，如优化算法、插补算法等，以提高加工精度和效率。

2. 操作系统的定制与优化为满足数控系统的实时性、稳定性等要求，需对操作系统进行定制与优化。

基于嵌入式技术的数控系统开发设计作者：卜伶俐来源：《电子技术与软件工程》2017年第12期目前由于科学技术的快速发展使制造业及机械加工业中各类设备机械也得到了快速的发展，目前在机床应用中其数控系统的开发及设计都得到了极大的进步。

在机械加工制造业中进行数控系统的开发与设计主要是为了提高机械自动化水平，通过控制程序来实现标准化、智能化作业。

虽然数控系统开发与设计已经得到了不错的发展，但是在实际应用中其仍然存有一定的局限，为此以下则对嵌入式技术在数控系统中应用的特点及优势进行分析，探讨其在实际中的应用价值。

【关键词】嵌入式技术数控系统开发设计在机械加工制造业中，一些复杂的、精度要求高、质量要求高的产品零件必须要由高精机械设备来进行加工，为了保证这些产品的质量用来加工的设备必须要由计算机数控系统来进行加工控制。

但是在数控系统（CNC）应用中存在的一个问题就是不同生产厂家所开发出的CNC之间无法兼容，虽然此问题并不影响产品的生产及设备的单独使用，但是在通讯传输上存在的缺陷限制了数控系统联合应用的性能，并不利于加工生产的多种需求。

1 数控系统的特点数字控制（Numericcontrol，简称NC）是随着我国计算机技术变革，以微处理器发展为核心，形成的基于微型或小型计算机应用的数控系统，又称为计算机数字控制系统（Computernumericcontrol，简称CNC）。

数控系统的一般工作原理是，将录入的零件加工信息进行数字化指令的转换，根据保存的数字化指令对加机床下达工作的命令，车床完成对零件的加工。

上世纪80年代起，由于数位微处理器的发展迅速，也大大提高了PC端在人机交互、数据的计算和处理方面的速度。

而我国在目前的情况来看，基于PC的开放式数控技术，不仅在技术层面得到了发展，在多样化领域中（如PC+NC二者相互嵌入的模式，NC中继承PC全软件的结构等）发展都十分迅速。

尽管在现代社会中不论PC还是NC都得到了迅速的发展，但是不能否认，在进行制造方面，两者的结构还都比较复杂，制造成本也较为昂贵，因此并不能满足大规模控制的应用需求。

第39卷第12期2006年12月天津大学学报Journal of T ianj i n Un iversityV o.l39No.12D ec.2006基于嵌入式技术的数控系统开发设计*王太勇,王涛,杨洁,许爱芬,赵丽,李波,胡世广(天津大学机械工程学院,天津300072)摘要:针对基于PC的数控系统的不足,提出了基于嵌入式微控制器和嵌入式实时操作系统的数控系统开发设计的新方法,旨在增强数控系统运行的稳定性和任务调度的实时性.设计了以M C68F375和M CX314为双CPU架构的硬件开发平台,规划出了基于Vx W o rks的层次化软件结构体系和任务调度运行机制,设计了一种引导型的二次开发平台的理论模型,在此基础上设计出了TDN C M4数控系统的原型机,并将其应用于四轴加工中心TDN C-M40A的设计上,探索出一条数控系统开发设计的新途径.关键词:嵌入式系统;数控系统;微控制器;实时操作系统中图分类号:TP273;TG659文献标志码:A文章编号:0493-2137(2006)12-1509-07Desi gn of CNC Syste m Based on Embedded TechnologyWANG Ta-i yong,WANG Tao,YANG Jie,XU A-i fen,Z HAO L,i LI Bo,HU Sh-i guang (Schoo l o fM echan ical Eng i neer i ng,T ian ji n U niversity,T ian ji n300072,Ch i na)Abstract:A m i ing at the disadvanta ges of CNC syste m based on personal co m puter,a m ethod for the desi gn of co mputerized numerical c ontr o l(CNC)syste m based on e m bedded m icrocontr o ller unit(M CU)and rea-l tm i e operati ng syste m(RTO S)is pr oposed to m i prove the r unning stability and task-dispatc h rea-l tm i e mec ha n is m of CNC syste m.The hardware devel opm e nt platfor m of double-CPU fra me wor k is desi gned w ith M C68F375and M CX314,t he soft ware layer-structure syste m a nd task-dispatc h mec hanis m on the basis of Vx W orks are planned,the theoretical model of a gui d i ng second-develop m ent platfor m is advance d.And the n the CNC sys-te m pr ototype TDNC M4is desi gned,whic h is applied in four-ax ism achi n i ng center TDNC-M40A.K eywords:e mbedded syste m;c o mputerized nu m erical contr o l syste m(CNC syste m);m icr ocontroller;rea-l tm i e operati ng syste m目前,基于PC的开放式数控系统是数控技术开放式架构的主要实现方式,这种实现方式主要是考虑利用工业PC丰富的系统资源和业已标准化的接口来简化数控系统的设计,降低数控系统开发的技术难度,并使设计出的数控系统具有一定的开放性[1)2],但这种体系结构也存在很大的局限性,主要体现为:①系统实时性和稳定性较差,基于PC的数控系统的操作系统多采用通用操作系统,与RTOS相比,其在任务调度的实时性和系统运行的稳定性上都比较差[3];②系统的开放性有限,无论是PC嵌入NC的结构,还是NC 嵌入PC的结构,其开放性特征都是基于PC固有的开放特征,没有针对数控加工的特点而进行单独的定义[4)5];③工控机模式数控系统的成本太高,一台能满足数控加工要求的计算机至少需要投资数千元再配上价格昂贵的运动控制卡,使得成本很难降低[6].另一方面,进入20世纪90年代以来,嵌入式计算机应用技术获得了飞速发展.各种高性能的嵌入式微控制器MC U层出不穷,与以前相比,嵌入式微控制器的CP U运算速度大大提高,处理数据宽度不断加大,更重要的是片上集成资源越来越丰富;与此同时,出现了很多高效率、高可靠性和高稳定性的内核可裁减的嵌入式实时操作系统(RTOS),如Vx W orks、L C/OS-Ⅱ等,这就使嵌入式系统在生活和生产的很多领域都得到了广泛的应用,如汽车工业、宇航工业等.基于以上*收稿日期:2006-02-17;修回日期:2006-08-25.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475117);天津市应用基础研究计划重点项目(05YFJZJ C01800).作者简介:王太勇(1962)),男,博士,教授,t yw ang@t dm e.tj .分析,笔者提出在数控系统的设计中采用嵌入式技术,即基于微控制器的嵌入式数控系统,这种设计方案的优势在于:①市场上可供选择的嵌入式微控制器种类繁多,片上资源丰富,针对不同的应用,其片上集成资源有很大不同,完全可以选择一种片上资源和运算速度都相对非常适合数控系统设计的MCU和DSP来构建数控系统的硬件平台,这种硬件平台的设计可以使系统集成度更高,体积更小,运行更稳定;②数控系统的运行是一个多任务的调度过程,特点是运行任务相对较少,但实时性要求很强,不存在冗余的任务,而采用RTOS作为嵌入式数控系统的操作系统,将使数控系统拥有更好的多任务调度能力和更强的实时性;③嵌入式数控系统的开发是一个从底层硬件到上层软件的独立开发过程,可以针对当今数控系统特点和开放性的特征要求,根据嵌入式系统的特点,来构建适合于嵌入式应用的数控系统开放式架构,与基于PC的数控系统相比,它将有更好的稳定性和开放性.1基于M CU+DS P双CPU架构的硬件平台搭建根据数控系统多任务的运行特征,针对系统任务运行实时性的特殊要求,以及嵌入式系统的特点,文中采用MCU+DSP的双CPU架构来构建嵌入式数控系统的硬件平台.MC U的主要功能是负责运行系统中与管理相关的任务,是系统的主控制CPU;而DSP主要负责运行插补运算等运算量较大、对任务的实时性要求较高的任务,专用于繁重的插补运算,减轻主控制CPU的负担.本数控系统的设计,M C U选用MOTORO-LA公司生产的MC68K系列的M C68F375[7]微控制器,DSP则选用NOVA生产的DSP运动控制专用芯片M CX314[8].1.1嵌入式微控制器MC68F375简介MC68F375是由MOTOROLA公司推出的高速32位微控制器,它具有速度快、并行处理能力强和片上资源丰富等特点,适用于各种控制场合.芯片支持BD M (background debug m ode)模式,通过简易的专用电缆接口,可以直接对微控制器系统进行仿真开发;也可采用全功能的在线仿真器进行实时开发.同时, M C68F375非常适合运行多用户、多任务操作系统,使其更容易做到不死机.MC68F375的片上资源主要包括:系统集成模块(SI M);8KB掉电保护SRAM;8KB掩模RO M;10位队列式的模数转换器(QADC64),16路A/D转换模块具有强大的数模转换控制功能;队列式串行通信模块(QSMC M),可以方便地实现同步、异步通信功能;可构造时钟模块(C TM4),具有多种强大的定时、计数和脉冲调制功能;时间处理单元(TPU),分辨率高达250 ns,可对各种事件进行快速的智能处理,同时集成P WM算法及各种输入捕捉算法;CAN控制模块(Tou-C AN),能方便地实现工业自动化等场合的现场总线控制[7].1.2DSP专用运动控制芯片MCX314简介MCX314是NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片,性能优良,接口简单,编程方便,工作可靠,可广泛用于数控机床及机器人等领域的运动控制.芯片能与8位或16位数据总线接口,通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控,实现直线、圆弧和位元3种模式的轨迹插补,输出脉冲频率最高达4MH z.每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点,能独立设置为恒速、线性或S曲线加/减速控制方式,并有2个32位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器,实现位置的闭环控制[8].与通用DSP相比,MCX314更适合数控系统的设计,是一种专用的运动控制芯片,主要表现在3方面:①插补算法(三轴直线、平面圆弧和位模式插补)、运动控制和位置控制主要由硬件来实现,主控制CPU通过接口对MCX314进行相应的工作方式、速度和加速度的设置,然后将运动的起点和终点传送给MCX314,之后不再需要主控制CPU的干预就能自动完成从起点到终点的插补运动控制,减少了运行过程中与主控制CP U频繁的数据交换,也减少了相应软件的设计,缩短数控系统的开发研制周期,且能提高系统的运行速度;②片上集成有专用于运动控制的I/O接口,如硬件限位、急停等,可简化数控系统的硬件设计,提高系统运行的稳定性;③与主控制CP U之间的通讯简单,易于协调,对主控制CPU来说,M CX314更像是一个外围功能芯片,通过设置一定的地址和读写控制字就能实现对MCX314的控制.1.3嵌入式数控系统硬件平台的搭建图1为本文研究的嵌入式数控系统硬件平台模块图,以M C68F375和M C X314为硬件平台的核心,根据数控系统的功能特点和工作特性要求,分别扩展了如下多种功能模块.(1)扩展FLAS H模块,MC68F375片上集成有8K 字节的掩模ROM,但这对于数控系统的运行是远远不够的,必须进行片外扩展.在系统设计中,主要是在片外扩展了2片512K字节的FLAS H,主要用于存储系统运行所需的程序代码,语言字库,需要断电和长期保存的系统参数、刀具参数、补偿参数、机床参数以及#1510#天津大学学报第39卷第12期图1嵌入式数控系统硬件平台模块F ig.1H ardware p latfor m m odu le of embedded CNC syste m数控加工程序等.(2)扩展RAM模块,虽然M C68F375片上集成有8K字节的SRAM,但由于数控系统不同于小型的嵌入式系统,在运行过程中需要有充足的RAM空间,特别是由于运算和RTOS的多任务调度以及文件系统的运行都将产生大量的堆栈、全局变量和局部变量,而且由于系统内置软PLC(PLC的内部继电器R、定时器T和计数器C)的运行也将占用一部分RAM空间,因此在数控系统设计时,在片外扩展了2片512K字节的静态高速RAM,用于扩展RAM空间,增强系统的运行效率和实时性.(3)时钟控制模块,也就是日历系统,需要在系统断电时能够长时间的保持日历的工作状态.当系统工作时,进行到文件相关操作时,如在数据传输或用户在对系统进行编程、二次开发时,都需要数据以文件的形式进行存储或传输,需要记录下文件编写的日期,以便文件系统的管理.(4)LCD控制模块,主要用于完成液晶显示的控制刷新和与CPU32的数据交换,将机床的当前状态、系统信息、坐标信息、参数信息和图形仿真信息等通过LCD向用户显示出来,属人机交互的一部分.(5)键盘控制模块,它是数控系统交互的重要环节,键盘扩展电路有多种实现方式,设计采用CPLD来实现专用键盘接口芯片的设计方案,这种设计方案,既保证了设计的通用性和灵活性,同时所有的键值判断等可通过CPLD编程来实现,最大限度节省了M C68F375的资源.(6)数据采集模块,当今的数控系统越来越重视对现场加工条件和机床工作状态的实时监控和诊断[9],本系统数据采集模块设计主要是基于M C68F375片上集成的16路QADC,外加抗混滤波单元和信号调理单元.(7)主轴控制模块,由D/A控制芯片和编码器反馈高速输入口组成,能够完成对单极性和双极性模拟变频主轴的控制.(8)网络通讯模块,为了适应数控系统网络化的发展趋势[10]和数控机床远程控制和远程诊断的发展需要,设计采用R ea ltek公司的10M bps网络通讯芯片RTL8019进行系统网络接口模块的设计,为机床的网络化提供了硬件基础.(9)CAN总线接口,主要由C AN总线收发器和光藕元件组成,与MC68F375片上集成的TouC AN模块一起构成数控系统CAN总线通讯功能的硬件基础.(10)BDM调试接口,用于数控系统的开发调试阶段,在上位计算机上,开发人员通过B DM可方便地对数控系统进行开发调试.(11)COM串行接口,主要利用M C68F375片上集成的QS M的SC I子模块,外加芯片驱动电路(如MAX238等),构成数控系统与个人计算机之间串行通讯的硬件基础.(12)I/O接口,主要完成内置PLC对外部机床电气的控制,电机控制输出和其他功能模块的对外输出,由驱动元件、继电器元件和光耦隔离元件等组成.通过上面对嵌入式数控系统硬件框架的搭建和各个硬件功能模块的分析可知,本文设计的嵌入式数控系统除保留了传统数控系统的功能外,特别加入了数据采集模块、网络通讯模块和CAN总线通讯模块,通过这3个模块,设计出的数控系统能很方便地实现与现场其他设备的总线连接和网络通讯,更易于实现数控设备的远程诊断、监控以及网络化和数字化制造.2基于RTOS的嵌入式数控系统软件平台的研究以前的数控系统的软件结构设计通常通过一个无限循环来判断任务的标志量,通过中断(定时中断和键盘中断)来激活新的任务,进入固定的任务中断程#1511#2006年12月王太勇等:基于嵌入式技术的数控系统开发设计序入口,来实现任务的调度.在这种单任务且无任务运行环境调度方式下,系统的大多数时间被任务等待的无限循环占据了,在任务处理的过程中,其他的同等级的任务无法使用CP U 的资源,无法进行任务之间有效的上下文切换,导致了系统的实时性十分不可靠.同时,如果任务在执行过程中需要等待信号,或延时信号处理,当这种延时不可预计的情况下,就可能占据大量的系统时间,就会造成对系统资源的大量浪费,导致无法响应更紧急的任务,这种无限的等待情况会导致许多不可预计的后果.针对单任务系统的软件架构的不足,本设计在数控系统软件构建中引入基于Vx W o r ks 嵌入式实时多任务操作系统(RTOS )作为系统的任务调度基础.2.1 嵌入式实时操作系统Vx W orks 特点简介Vx W orks 操作系统是美国W indR iver 公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)[11)12].系统具有如下特点:①内核可裁剪,具有极好的伸缩性;②成熟高效的任务调度机制,支持优先级和时间片轮番调度法;③任务间通讯手段灵活快速,支持信号量、消息队列和互斥等多种通信方式;④丰富的板级支持软件包(BSP),缩短了系统开发周期,减少了开发的工作量;⑤强大的网络开发支持,简化了网络开发的工作,系统集成TCP /I P 协议的支持;⑥支持多种文件系统;⑦具有集成开发环境TORNADO 的支持,界面友好,能够对系统的任务调度和占用的时间片进行实时监控,提高系统的利用率,充分发挥系统性能;⑧功能可扩展,根据千变万化的嵌入式应用,除提供基本的内核功能外,还可以根据需要加入功耗控制、嵌入式文件系统、嵌入式GU I 系统和嵌入式数据库,用户也可以根据自己的需要利用Vx W orks 的功能扩展接口,开发出自己的功能;⑨内核可剥夺性,即当前系统总是运行就绪状态下优先级最高的任务.2.2 基于Vx W orks 的嵌入式数控系统层次化软件体系结构设计 本文设计的嵌入式数控系统的层次化软件体系结构如图2所示,它由以下3部分组成.(1)底层硬件驱动层.硬件驱动程序的主要功能是为上层软件提供良好的函数调用接口,完成对系统硬件资源的抽象,屏蔽掉底层的硬件细节.通过抽象底层硬件的物理行为,使上层用户实现对硬件功能的调用.硬件驱动程序单独分层的编程思想为系统的升级提供了良好的条件,当系统硬件设计发生变化时,上层软件不用做过多的修改,仍可以通过原有的接口实现硬件的调用,只需要修改底层驱动就可以了.另外,硬件驱动程序的提出能够方便项目开发,软硬件协同进行设计.(2)实时操作系统层.设计采用了实时性操作系统Vx W orks 作为系统任务调度与开发平台,本层的主要功能是处理由外部或内部事件引发的中断、设备驱动层的激活以及执行任务的调度.(3)系统应用层.它是在Vx W orks 的基础上,通过对Vx W orks 的接口函数的系统调用,实现系统的具体的应用功能,如交互模块、控制模块等.在本设计中,各种任务以应用程序的形式集合在应用层,服务于不同的功能模块.Vx W roks 根据每个任务的要求,进行资源管理,对MC68F375、M CX314、存储器和外设的资源进行合理分配,实现消息管理、任务调度和异常处理等工作.在Vx W orks 的支持下,每个任务都被分配一个优先级,根据优先级别的高低,动态切换各个任务,以保证实时性要求.图2 基于Vx W orks 的嵌入式数控系统软件体系结构Fig .2 Software arch itecture of e mb edded CNC system based on Vx W orks#1512#天 津 大 学 学 报 第39卷 第12期可以看出,设计采用分层型模块化软件结构和实时性操作系统相结合的软件设计方案,这种设计方法的优势在于可以实现软硬件设计的并行开发,Vx -W or ks 作为系统的硬件驱动层与应用层之间的桥梁,使应用层的函数调用完全屏蔽掉了硬件细节,层与层之间只需要通过定义好的接口函数进行通讯,使得上层的软件开发不必顾虑硬件设计.这种软件设计模式,实际上是软硬件交叉进行、并行设计的过程,在设计的开始阶段,通过软硬件的协商,定义系统的总体设计方案,一旦系统的体系结构设计完成,软硬件设计就可以独立进行了.等软硬件设计完成后,再集成一体进行集成测试,使系统的开发周期缩短到最小,极大地提高了嵌入式系统的开发效率.2.3 基于Vx W orks 的数控系统多任务调度机制的实现2.3.1 数控系统中任务的划分数控系统是一个专用性很强的多任务调度运行系统,按照任务运行实时性强弱的划分方法,一般将数控系统的任务划分为管理任务和控制任务2大类.如图3所示,其中控制类任务的工作与数控加工直接相连,对实时性要求高,而管理类任务的工作对实时性的要求相对较低.系统的控制任务又可细分为位置控制、轨迹插补、指令译码、I /O 控制、误差控制、状态实时监控与故障诊断等子任务;系统的管理任务则包括人机交互管理、显示管理、数据管理、通信管理和网络管理等子任务.而且,在实际的开发设计中可根据需要对各个子任务进行进一步细分,形成一个任务集合,任务集合中的任务都必须根据外部事件及时被激活运行,同时结合具体的加工情况,由V x W orks 统一调度,动态地对任务进行优先级控制,以适应不同加工任务的要求.当有高优先级的任务进入任务列表时,内核通过优先级抢占调度方式切换到高优先级的任务;当同等优先级的多个任务进入任务列表时,内核通过时间片轮转调度法实现多任务的并发控制.图3 数控系统中任务的划分F ig .3 T as k division of CNC syste m2.3.2 数控系统中多任务调度机制的实现图3中划分出的数控系统任务由Vx W o r ks 进行统一调度,由前面分析可知Vx W orks 支持优先级和时间片轮番调度法,现将图3中的控制任务按照优先级由高到低的顺序排列如下:位置控制、轨迹插补、误差控制、I /O 控制、指令译码、实时监控、故障诊断;而管理任务的优先级要比控制任务的优先级都低,系统设计中对管理任务的5个子任务采用时间片轮番调度法,即它们拥有相同的优先级,任务调度的示意如图4所示.在系统完成初始化后自动进入时间分配环中,在环中依次轮流处理各项管理任务.在环中轮流处理各项管理任务时,只要当前时间片结束,不论当前任务是否完成,都要暂时释放CP U,把CPU 让给另一个就绪的任务,直到再次轮到该任务的时间片时,再重新占用CPU,自动跳转到断点处继续执行.而对于系统中的实时性强于管理任务的控制任务则按优先级排队,分别分配不同的优先级,由于环外的任务优先级均高于管理任务,环外的任务可以随时通过优先级抢占的任务调度方式中断环内的任务执行,占用系统资源.当有多个同等级的任务进入任务就绪队列时(如零件加工时多轴的位置控制任务),根据时间片轮转调度方式形成新的当前任务调度环,保证同优先级的任务并发进行.同理,这种任务的抢占和调度机制也适用于其他不同优先级的任务.3 数控系统引导型二次开发平台理论模型的研究数控系统二次开发功能的强弱在一定程度上代表了其开放性的好坏,根据嵌入式系统的结构模式、设计特点和数控系统的功能特征,本文设计了一种适合嵌入式数控系统、具有引导功能的数控系统二次开发平台的理论模型,如图5所示.二次开发平台采用一种引导开发的模式,借助于预先定义的各种信息库,将使用特殊语言描述的用户功能要求转换成信息库中特定策略的组合,然后通过与M C U 相匹配的代码编译器,将策略描述翻译并通过计算机的并口经由下载电缆传送至数控系统的仿真开发接口.二次开发环境包括语言描述和引导设置2种开发方式.语言描述方式采用结构化的功能机制,预先定义出系统扩展的算法结构,用户只需根据算法的提示加入自己功能要求的描述.二次开发平台提供独立的结构化描述语言,采用面向对象的编程思想,以功能对象群组的构成方式来完整描述数控组件对象的特定工作#1513# 2006年12月 王太勇等:基于嵌入式技术的数控系统开发设计图4基于Vx W ork s的数控系统任务调度机制示意F ig.4T as k-dispatch m echan is m of CNC syste m based on Vx W ork s状态.语言描述方案,可以通过灵活定义的算法规范深入系统内部的软件构成细节,适用于系统底层策略方案的自定义配置.引导设置采用开发向导的形式以图形化询问界面来定制用户的扩展需求,一般用于较为简单的扩展开发.图5二次开发平台的理论模型F i g.5Th eoreticalm ode l of second-d evelopm en t p latform 4数控系统的设计实现成功搭建出了以MC68F375+M CX314为基础的硬件开发平台,规划出了以嵌入式实时操作系统(RTOS)Vx W orks为核心的层次化系统软件体系结构和任务调度机制,开发出了TDNC M4数控系统原型机,该系统能用于控制车床、钻铣床,可控制4个进给轴和1个模拟主轴三轴联动,具有直线插补和平面圆弧插补、螺旋线插补和空间圆弧(C I P)插补等控制方式,能进行螺纹加工、变距螺纹加工等,可通过Internet 进行数据传输和网络化制造,并将该系统应用于TDNC-M40A四轴加工中心的设计上,如图6所示.经实验证明,该数控机床工作稳定,性能可靠,主轴转速最高可达6000r/m i n,切削进给X、Y、Z可达0~10000mm/m i n,定位精度X、Y、Z可达?0.005 mm,重复定位精度X、Y、Z可达?0.003mm,目前已被应用于天津大学数字化制造与测控技术研究所的一般金属切削加工和工业陶瓷加工的实验.图6TDNC-M40A四轴加工中心F ig.6Four-axis m ach i n i ng cen ter TDNC-M40A#1514#天津大学学报第39卷第12期5结语本系统设计的最大特点是将嵌入式技术应用到数控系统的设计中来,针对基于PC的数控系统在稳定性、实时性等方面的不足,提出利用控制性能更加稳定和优异的MCU以及运算性能更加强大的专用DSP芯片,为双CP U架构构建嵌入式数控系统的硬件平台,利用性能优异的嵌入式实时操作系统Vx W o r ks作为数控系统的操作系统来统一调度系统运行的各个任务,使系统拥有了更佳的实时性和稳定性,初步研究了数控系统引导型二次开发平台的理论模型,开发设计出TDNC M4数控系统的原型机,探索出了一条数控技术研究和开发的新渠道)))嵌入式数控技术.参考文献:[1]Zhang Chengru,i W ang H eng,W ang Ji ngkun.A U SB-basedsoft w are CNC syste m[J].J ournal of M aterials ProcessingT echno logy,2003,139(1/3):286)290.[2]V itt ur i S.PC-based auto m ati on syste m s:A n exa m ple o f ap-p licati on for the rea-l ti m e contro l o f b l ow m achines[J].Computer S t andard s and In terfaces,2004,26(2):145)155.[3]韩青.RTOS的必备特性[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(2):85)86.H an Q i ng.T he spec ifi c property of RTOS[J].M icrocon-troller and Em bedded Sy ste m,2004(2):85)86(i n Ch-inese).[4]R ober Stephen J,Sh i n Y ung C.M odeli ng and contro l ofCNC m ach i nes us i ng a PC-based open arch itecture contro ller[J].M echatron ics,1995,5(4):401)420.[5]李宏伟.基于M C68332的嵌入式数控系统开发平台的研究[D].天津:天津大学机械工程学院,2003.L iH ongw e.i R esearch on Deve l op i ng P latfo r m for E m beddedCNC Syste m Based onM C68332M CU[D].T ian jin:Schoo l o f M echan i ca l Eng i neer i ng,T ian jin U n i ve rsity,2003(inChi nese).[6]李宏伟,王太勇,薛国光,等.基于嵌入式微控制器核心和层次化网络监控机制的开放结构数控系统的构建[J].振动与冲击,2003,22(1):47)49.L iH ongw e,i W ang T a i yong,X ue G uoguang,et a.l O pen a r-ch itect ure CNC based on embedded M C U and mu lt-i layernet wo rk s uperv isi on[J].J ournal of Vibrati on and Shock,2003,22(1):47)49(in Chi nese).[7]M o toro la Inc.M C68F375U ser.sM anual[Z].1998.[8]叶佩青,汪劲松.M CX314运动控制芯片与数控系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.Y e Pe iqi ng,W ang Jinsong.T he M o tion C ontro l Chi pM C X314and t he D esi gn of CNC[M].Be iji ng:Be iji ng U n-ive rsity o f A eronautics and A stronau ti cs P ress,2002(i n Ch-inese).[9]Cus F,M ilfe l nerM,Balic J.A n intelligent sy stem f o r mon-itor i ng and opti m iza ti on o f ba l-l end m illi ng process[J].J ournal of M a terials P rocessing T echnology,2006,175(1/3):90)97.[10]W ang L i hu,i O rban Pete r,Cunni ngham A ndrew,et a.l R e-m ote rea-l ti m e CNC m achi n i ng for w eb-based m anufactur i ng[J].R obo tics and Computer-Integrate d M anufact ur i ng,2004,20(6):563)571.[11]B i shop D,W aters G,D ale D,et a.l D eve l op m ent o f an au-tono m ous32-b it i nte lli g ent dev ice con tro ll er[J].N uclear In-stru m ents and M ethods in Phy sics R esearch A,1994,352(1/2):236)238.[12]K i m D aeyoung,Lee Y annhang,Y ounis M ohan m ed.So f-tw are arch itecture s upporti ng i ntegrated rea-l ti m e syste m s[J].T he J ournal of Sy ste m s and Sof t w are,2003,65(1):71)86.#1515#2006年12月王太勇等:基于嵌入式技术的数控系统开发设计。

基于PLC的嵌入式数控机床控制系统设计一、引言随着现代制造业的发展，数控机床在加工领域中的应用越来越广泛。

数控机床的控制系统是数控技术的核心，它直接影响着数控机床的性能和精度。

传统的数控机床控制系统一般采用PC或专用的控制器进行控制，但是由于PC系统的不稳定性和专用控制器的高昂成本，使得这些控制系统在一定程度上受到了限制。

近年来，基于PLC的嵌入式控制系统逐渐受到了广泛关注，它具有稳定性高、成本低等优点，逐渐在数控领域中得到应用。

本文将重点介绍基于PLC的嵌入式数控机床控制系统的设计原理和方法，希望能为相关领域的研究和实践提供一定的参考价值。

1. PLC的基本原理PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专门用于工业控制的计算机，它通过输入输出模块与外部设备进行数据交换，并通过逻辑控制指令对外部设备进行控制。

PLC一般由CPU、输入模块、输出模块、通信模块等部分组成，其中CPU负责处理逻辑控制指令，输入模块负责将外部设备的信号输入到PLC中，输出模块则负责将PLC产生的控制信号输出给外部设备。

2. 嵌入式数控机床控制系统的基本原理嵌入式数控机床控制系统是指将数控系统的控制模块直接嵌入到数控机床的控制器中，与数控机床的其他部件进行紧密结合，以实现对机床的自动控制和运行。

嵌入式数控机床控制系统的基本原理是通过PLC作为控制模块，接收数控程序的指令，运行数控算法，生成控制信号并交给数控机床的执行部件，从而实现对数控机床的精密控制。

1. 总体设计在设计基于PLC的嵌入式数控机床控制系统时，首先需要对数控机床的控制要求进行分析，包括控制精度、速度要求、多轴控制要求等。

然后根据控制要求设计PLC的选型和相关外围设备的选择，确定PLC的输入输出模块、通信模块等。

2. 软件设计在软件设计方面，需要编写数控编程软件，以实现数控程序的输入、编辑和管理。

编写控制算法程序，根据数控程序生成相应的控制信号，实现对数控机床各轴的控制。

嵌入式系统开发中的硬件设计研究嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，通常应用于具有特定功能和性能需求的设备上，如工业控制设备、智能家居、汽车电子、医疗器械等领域。

嵌入式系统的硬件设计是其中至关重要的一部分，本文将从嵌入式系统硬件设计的基本概念、流程、设计方法以及脚本语言等方面进行探讨。

一、嵌入式系统硬件设计的基本概念嵌入式系统硬件设计是指根据用户需求和设备要求，设计符合规范和性能指标的硬件电路，包括单片机、外设、传感器等。

其主要任务是将软件设计的需求转化成电路设计的指导，使得系统硬件能够满足软件的要求。

硬件设计的任务包括电路原理图的设计、PCB布局、电路仿真测试、产品验证等多个部分。

二、嵌入式系统硬件设计的流程嵌入式系统硬件设计的流程主要包括需求调研、方案设计、电路设计、布局设计、原型制作、测试验证等步骤。

1.需求调研：首先，需要对所需的嵌入式系统做一个明确的需求调研，明确系统的功能、性能要求、接口协议等信息。

2.方案设计：在需求调研的基础上，确定系统的整体方案设计，包括单板之间的连接方式、设计每个传感器和接口等。

3.电路设计：在方案设计确定之后，设计硬件电路原理图，根据器件的规格和性能参数选择电子元器件，绘制电路图。

4.布局设计：根据电路图进行 PCB 布局的设计，设计,一般包括 PCB 尺寸的确定、元器件焊盘参考线的布置、元器件安装孔的设计等。

5.原型制作：根据 PCB 布局，进行 PCB 制板，进行元器件的安装、引脚与电路的连接、接口线组装等，制作系统的原型。

6.测试验证：对制作完成的嵌入式系统原型进行测试，验证其性能和功能是否符合设计要求。

三、嵌入式系统硬件设计的方法嵌入式系统硬件设计的方法有很多种，其中最常用的包括原理图设计、网络分析与仿真、单板计算机设计等。

1.原理图设计：通过原理图设计，可以对电路进行完整的图形化设计，方便对电路进行完整的掌握和了解，并可以计算出电路参数。

2.网络分析与仿真：通过网络分析和仿真，可以对电路进行各种测试和验证，以评估电路的真实性能。

嵌入式数控系统软件的研究
数控系统中G代码的实现方式。

采用QT界面开发数控软件，在Qt4环境下对人机界面应用程序的实现。

传统常用的嵌入式数控系统多是以PC做为硬件平台，有较广泛的应用。

但是这种数控系统有诸多缺点，如独立性和自主性差，系统稳定性欠缺等。

所以很多场合下不易于应用。

而采用ARM—MCX3l4为硬件控制平台，同时应用RTLinux为嵌入式操作系统的数控系统，具备有低价位、高性能、小体积的经济型数控系统较好克服了这些缺点，在中小企业数控机床的自主研发和创新，以及对于生产制造和技术的改造升级有很好的应用前景。

1 嵌入式数控系统软硬件结构
基于成本的控制和性能要求的考虑，本文设计的嵌入式控制系统选用ARM9控制处理器S3C2410作为系统的主要控制核心来进行统一运算处理工作。

另外在重要的输出轴X／Y／Z的运动控制的设计上，为了加快研究进程，课题采用了具备良好的运动控制性能的运动控制专用芯片MCX314ALt：1来对X／Y／Z三轴运动的进行控制。

本控制系统的硬件框架如图1所示。

图1 嵌入式控制系统的硬件框架
基于ARM—MCX314AL为硬件平台，在嵌入式Linux的操作系统下，将我们这个以的嵌入式系统应用于工业控制当中的数控方面，有这很好的适应性，另外采用Qt图形界面开发工具，对人机交互界面进行设计，并加以实现。

本系统人机界面结构图2所示。

图2 嵌入式数控系统人机界面结构
-全文完-。