基于ARM处理器的数控系统设计
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ＣＮＣ Ｓｙｓｌｅｍｓ奠控纛绩
基于ＡＲＭ处理器的数控系统设计 王典洪 李卫中 刘 兵 （中国地质大学机械与电子工程学院，湖北武汉４３００７４） 摘要：提出了基于ＡＲＭ处理器的机床数控系统设计。该设计采用ＡＲＭ处理器作为运动控制单元，高速 单片机作为人机交互控制单元。系统从硬件和软件两方面进行了设计，设计过程紧紧围绕可靠性、 经济性和高精度等设计要求进行。 关键词：数控系统ＡＲＭ处理器Ｃ８０５１Ｆ单片机 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＷＡＮＧ Ｄｉａｎｈｏｎｇ，ＬＩ Ｗｅｉｚｈｏｎｇ，ＬＩＵ Ｂｉｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，ＣＨＮ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ，ＡＲＭ ｉｓ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｕｎｉｔ．ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔ． Ｂｏｔｈ ｏｔ’ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｆｕｌｆ／ｌｌ ｍａｎｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＮＣ Ｓｙｓｔｅｍ；ＡＲＭ；Ｃ８０５ １ Ｆ Ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
数控技术是机械制造、机器人、柔性制造系统 （ＦＭＳ）乃至计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）和无人自动 工厂（ＦＡ）等高新技术的基础。而数控技术的关键因 素之一是数控系统信息处理部分的功能、速度和可靠 性。研制控制系统时，应考虑到的问题主要有：响应速 度快、插补精度高、速度范围宽和大量的开关量输入／ 输出控制；另外，还要考虑与伺服电动机的配接以及和 其它输入／输出控制信号的配接。在进行接口设计时， 除了考虑接口数量之外，还要设计信号变换电路以及 光电隔离电路来提高系统的抗干扰能力。控制系统的 功能和稳定性都将直接关系到数控机床能否高质、高 效地加工出优质的产品。故本设计采用高速单片机和 ＡＲＭ处理器的双ＣＰＵ控制结构。 １ 系统总体方案 控制系统采用高速单片机和ＡＲＭ双ＣＰＵ控制。 其中，单片机主要控制各种信号的输入和信息的显示， 而ＡＲＭ处理器完成各种复杂的运算以及控制电动机 的各种运动。这种多处理器结构可以使数控系统具备 功能强、速度快、分辨率高的特点。两部分的工作相对 独立，它们之间用双口ＲＡＭ进行数据交换。机床的 控制系统框图如图１所示。 其中，人机界面控制单元选用Ｃ８０５１Ｆ０２２单片
ＺＵＵ Ｉ ｉ 一 ｆ ｌ耳幂 驯 机，具有高速、高可靠性以及低功耗的特点。主要起到 前台的控制作用，负责数控程序的编辑、机器和刀具参 数编辑、诊断处理以及控制ＬＣＤ显示器按照规定的显 示方式显示有关的信息。另外，还要负责监控键盘信 号，并将接收的键盘信号译码后进行相应的处理等。
图１控制系统原理框图 运动控制单元采用ＡＲＭ处理器，这是控制系统 的核心。选用Ｓａｍｓｕｎｇ公司开发的￥３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理 器。Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ是一款基于ＡＲＭ７内核的３２位ＲＩＳＣ 架构的处理器，其体积小、低功耗、低成本、性能高，支 持Ｔｈｕｍｂ（１６位）／ＡＲＭ（３２位）双指令集，能很好地兼 容８位／１６位器件。运算速度快，片内集成度高，可很 好地作为系统的主控芯片。主要进行数控程序段的译 码处理、刀具补偿计算和插补运算，并产生伺服驱动所 需要的控制信号和接收测量反馈信号，实现速度和位 置控制。
为了协调并完成信息的及时交换，单片机与ＡＲＭ 维普资讯 http://www.cqvip.com 冀控曩绫ＣＮＣ Ｓｙｓｌｅｍｓ 之间的通信是采用双口ＲＡＭ来实现的。选用ＣＹ— ＰＲＥＳＳ公司的ＣＹ７Ｃ１４４ＡＶ，是８ ｋ Ｘ ８位的ＣＭＯＳ型 低功耗双口ＲＡＭ。有两套相同的地址线和数据线，允 许两个ＣＰＵ同时对存储器进行访问，最快访问速度可 达到１５ ｎｓ，可以实现ＡＲＭ与单片机通信互不干扰。 采用６ Ｘ７的矩阵键盘，可以通过应用软件的设计 实现按键的双功能性，简化系统界面。 选用分辨率是３２０ Ｘ ２４０的ＳＴＮ型液晶显示器， 主要显示：加工程序编制过程；各种参数设定过程；自 动和手动状态下工作台坐标的动态计数值以及主轴、 刀位、冷却泵状态等辅助信息。还可以显示图形以实 现加工曲线的动态显示。 后的输出信号用于片选，其中有液晶模块的片选信号 ＣＥ—ＬＣＤ、数据存储器ＮＶＳＲＡＭ的片选信号ＣＥ—ＲＡＭ、 双口ＲＡＭ的片选信号ＣＥ—ＤＰＲＡＭ。 ￥３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器的主要任务是进行插补运算， 完成对机床的运动控制。它有６个１６位定时器，其中 定时器０／１／２／３／４有ＰＷＭ脉冲输出功能。通过设置 特殊功能寄存器来产生ＰＷＭ脉冲信号。图３是系统 控制单元的电路原理框图。ＴＯＵＴ０／１／２是ＡＲＭ处理 器的３个定时器，分别产生 轴、ｌ，轴和主轴驱动器的 脉冲信号。驱动器的方向控制信号（ＤＩＲ）和使能信号 （ＥＮ）由ＡＲＭ的ＰＤ口产生。由捕获编码脉冲单元实 现主轴电动机转速的反馈和控制。 ２ 控制系统的硬件设计 ３ 控制系统软件设计 在控制系统中，Ｃ８０５１Ｆ单片机的主要任务是：键 盘的输入扫描，液晶显示屏的驱动与显示，用户程序的 输入和转译；另外，还要与ＡＲＭ进行通信。该部分电 路设计如图２所示。
图２人机交互控制单元电路原理框图 Ｃ８０５ １ Ｆ单片机的数据总线、地址总线及控制总线 接口分别位于高端口的Ｐ４～Ｐ７，工作于非复用方式。 高端Ｐ７口是数据总线接口，Ｐ６、Ｐ５分别为高八位和低 八位的地址总线。Ｐ４．０～Ｐ４．２经芯片７４ＬＳ１３８译码 ＴｏＵＴＯ ＰＤ２ ＰＤ３ Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ ＰＤ１ ＴｏＵＴ１ ＰＤ４ ＰＤ５ Ｘ－ＣＰ Ｉ ／ 、 萋： 舢Ｓ－勰ＯＮ口 Ｘ—ＥＮ广—一＼
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图３系统控制单元的电路原理框图 主轴 电动机 数控系统软件是一系列能完成各种功能的程序的 集合，主要包括：数控加工程 序的译码、插补算法的实现、 外设驱动程序设计以及管理 程序的编写。软件和硬件的 结合，形成一个具有特定功 能的数控系统，使该系统能 够完成零件程序的输入、编 辑、译码、数据计算和伺服控 制等工作。本设计只对整个 系统的主程序框架作了简要 的介绍，给出了系统的主程 序流程图，如图４所示。 程序首先对ＬＣＤ液晶显 示器、ＡＲＭ寄存器进行初始 化；然后通过选择液晶显示 器的功能菜单，用键盘输入 执行程序和零件参数。接着 系统初始化 Ｉ 程序和数据输入 ◇Ｎ Ｉ Ｙ ｌ Ｃ８０５ＩＦ单片机执行Ｉ ｌ 预处理子程序 Ｉ Ｉ Ｉ保存数据到双口ＲＡＭｆ Ｉ Ｉ ＡＲＭ读数据 ｔ ＡＲＭ执行运算子程序ｌ
图４系统主程序流程图 单片机对数据进行有效性判断，如果输入信息有效则 进行相应的预处理并将数据存储在双口ＲＡＭ。此时 ＡＲＭ处理器使能所需的中断、启动定时器、执行与单 片机的通信功能、读取双口ＲＡＭ信息，ＡＲＭ根据单片 机发来的数据和指令，按步骤完成各种运动控制，并及 时把有效信息反馈给单片机。 ４ 系统抗干扰措施 干扰是影响数控机床正常运行的一个重要因素， 因此抗干扰设计是数控系统设计中的一个重要环节。 本系统从硬件和软件两方面进行了抗干扰设计。具体 （下转第３６页） 剁２０主０７ Ｉ ｉ ＝
平身；‘删 维普资讯 http://www.cqvip.com ｔ擅曩统ＣＮＣ Ｓｙｓｌｅｍｓ 触发ＤＳＰ中断时，ＤＳＰ把脉冲数和脉冲周期从队列中 提取，发给ＦＰＧＡ。同时ＤＳＰ根据发给ＦＰＧＡ的脉冲 数，计算出当前加工刀具的坐标位置，反馈给 ＰＸＡ２７０，通过ＰＸＡ２７０上运行的图形用户界面实时显 示当前坐标位置。ＦＰＧＡ从ＤＳＰ接受到脉冲数等数据 以后，产生脉冲，驱动伺服驱动器。另外，ＦＰＧＡ同时 反馈回主轴编码器信息，让ＤＳＰ对驱动器进行闭环控 制。当用户选择手轮驱动伺服电机时，ＦＰＧＡ反馈手 轮信息给ＤＳＰ，ＤＳＰ再经过速度处理以后，转化为脉冲 个数发给ＦＰＧＡ驱动伺服电机。 ４ 结语 本文提出的基于Ｌｉｎｕｘ的嵌入式数控机床控制系 统突破了传统数控系统架构，把单一的ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ、 ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ结构演变成ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ＋Ｌｉｎｕｘ 的体系结构；用非实时操作系统Ｌｉｎｕｘ取代ＲＴＬｉｎｕｘ 系统，可使用商用图像系统，增强了人机交互功能， ＤＳＰ强大的浮点运算能力也增强了系统的数控运算能 力。本系统的架构使Ｌｉｎｕｘ、ＡＲＭ、ＤＳＰ各自发挥自身 优势，显著提高了系统性能，可适用于大小加工中心数 控系统，有着广阔的应用前景。我国在嵌入式数控高 端领域尚处于起步阶段，因此，深入学习研究该领域知 识，有着重要的实际意义。 参考文献 １ 叶伯生．计算机数控系统原理、编程与操作．武汉：华中科技大学出 版社，１９９７． ２ 朱小晓，吴祥．数控技术．北京：机械工业出版社，２００１． ３ Ｏｒｂｍｌ Ｐｅｔｅｒ，Ｃｕｎｎｉｎ出ａｍ Ａｎｄｒｅｗ．Ｒｅｍｏｔｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｆｏｒ ｗｅｂ—ｂａｓｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００４，２０（６）：５６３—１５７１ ４ Ｋｉｍ Ｄａｅｙｏｕｎｇ，Ｌｅｅ Ｙａｎｎｈａｎｇ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｓｕｐｐｏｓｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔ— ｅｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ．２００３．６５ （１）：７１—８６ ５ 李小群，赵慧赋等．基于Ｌｉｎｕｘ的实时操作系统．软件学报，２００３，１４ （７）：１４７～１５１ ６ 邹思轶．嵌入式Ｌｉｎｕｘ设计与应用．北京：清华大学出版社，２００２． ７ 阳道善．基于ＬＩＮＵＸ开放体系结构数控系统的研究与实践：［硕士 学位论文］．武汉：华中科技大学，２００１． ８ 刘亚东．开放式数控系统关键技术的研究及应用：［硕士学位论 文］．上海：上海交通大学，２００２． ９ 范克东，肖世德，龚邦明．基于ＡＲＭ微处理器的嵌入式数控系统．制 造技术与机床，２００６（１）：１５—１７ １０ Ｒｏｂｅｒ Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｊ．Ｓｈｉｎ Ｙｕｎｇ Ｃ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ＰＣ—ｂａｓｅｄ ｏｐｅｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，１９９５，５ （４）：４０１—４２０ 第一作者：闵华松，男，１９６９年生，副院长，副教 授，博士，中国电子学会嵌入式系统专家委员会委员。 研究方向：嵌入式系统与ＰＳｏＣ技术，基于ＡＯＰ的网络 远程故障诊断，多媒体通信；已发表论文２８篇。 （编辑徐洁兰） （收稿日期：２００７—０５—３１） 文章编号：７１２１１ 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
