基于嵌入式技术的数控系统开发设计

第３９卷筇ｌ２期　２００６　１２月　大津大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｆ）１．３９　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．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　

（灭津大学机械ｊ二稃学院，火津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ＭＣ６８Ｆ３７５和ＭＣＸ３１４为双ＣＰＵ架　构的硬件开发平台，规划出了基于Ｖｘｗ０ｒｋｓ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ＴＤＮＣＭ４数控系统的原型机，并将其应用于四轴加工中心　ｒＤＮＣ—　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；宴时操作系统　中图分类号：ＴＰ２７３；ＴＧ６５９　文献标志码：Ａ　文章编号：０４９３—２１３７（２００６）１２—１５０９—０７　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＣＮＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＷＡＮＧ　Ｔａｉ－ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｔａｏ，ＹＡＮＧ　Ｊｉｅ，ＸＵ　Ａｉ－ｆｅｎ，ＺＨＡＯ　Ｈ，ＬＩ　Ｂｏ，ＨＵ　Ｓｈｉ—ｇｕａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　ｒｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｅｒｓｏｎａｌ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｅｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ（ＣＮＣ）ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｍｉｅｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｕｎｉｔ（ＭＣＵ）ａｎｄ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ（ＲＴＯＳ）ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔａｓｋ—ｄｉｓｐａｔｃｈ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｔ　ｄｏｕｂｌｅ—Ｃｐｕ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＭＣ６８Ｆ３７５　ａｎｄ　ＭＣＸ３　１４，ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｌａｙｅｒ—ｓｔｒｕｃｌｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔａｓｋ—ｄｉｓｐａｔｃｈ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ＶｘＷｏｒｋｓ　ａｒｅ　ｐｌａｎｎｅｄ．ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｓｅｃｏｎｄ—ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ＣＮＣ　ｓｙｓ—　

ｔｅｒｎ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ＴＤＮＣＭ４　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｆｏｕｒ—ａｘｉｓ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ　ＴＤＮＣ—Ｍ４０Ａ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ（ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ）；ｍｉｅｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｒｅａｌ—　ｔｉｍｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

日前，基于Ｐｃ的歼放式数控系统是数控技术　ｆ＝　

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、ｆ　Ｐｃ丰富的系统资源和业已标准化的接ｕ米　简化数控系统的设计，降低数控系统升发的技术难度，　并使设计出的数控系统具钉一定的丌放性　，但这　

种体系结构也存在很大的局限　，丰要体现为：①系统　

实时性和稳定性较差，基于Ｐｃ的数ｊ卒系统的操作系　

统多采用通用操作系统，　ｊ　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筹Ｊ　；②系统　

的丌放性有限，尤论足Ｐｃ嵌入ＮＣ的结构，还是ＮＣ　

嵌入Ｐｃ的结构，其丌放性特　都足基于Ｐｃ｝占１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　；③　ｌ　挎机模式数控系统的成夺太高，一台能满　

足数控加工要求的计算机至少需要投资数千元冉配上　

价格昂贵的运动控制卡，使得成水很难降低　．　

另一方而，进入２０　ｆ址纪９０年代以米，嵌入式计算　

机应用技术获得ｒ匕速发展．各种高性能的嵌入　微　控制器ＭＣＵ层出不穷，与以前相比，嵌入式微控制器　

的ＣＰＵ运算速度大大提高，处理数据宽度　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　ｒ很多高效率、『白可靠性和高稳定性的【大Ｊ核可裁减的　

嵌入式实时操作系统（Ｒ｜ｒＯＳ），如ＶｘＷｏｒｋｓ、ｔｘＣ／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，如汽车丁　、宇航＿Ｊ　、ｌ　等．甚于以上　

收稿日期：２００６—０２．１７；修回日期：２００６－０８－２５．　基金项目：同家白然科学基金资助项¨（５０４７５１１７）；天津市应用　础研究计划重点项口（０５ＹＦＪＺＪＣ０１８００）　作者简介：千太勇（１９６２　），男，阵十，教授，ｔｙｗａｎｇ＠ｔｄｍｅ．ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．

　维普资讯 http://www.cqvip.com ・１５１Ｏ－　天　津　大　学　学　报　第３９卷第１２期　

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，但实时眭要求很强，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，町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ＭＣＵ＋ＤＳＰ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．ＭＣＵ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，ＭＣＵ选用ＭＯＴＯＲＯ．　ＬＡ公司生产的ＭＣ６８Ｋ系列的ＭＣ６８Ｆ３７５［７１微控制　

器，ＤＳＰ则选用ＮＯＶＡ生产的ＤＳＰ运动控制专用芯片　ＭＣＸ３１４［　．　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ＢＤＭ　

（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｄｅｂｕｇ　ｍｏｄｅ）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，　

ＭＣ６８Ｆ３７５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　（ＳＩＭ）；８　ＫＢ掉电保护ＳＲＡＭ；８　ＫＢ掩模ＲＯＭ；１０位　

队列式的模数转换器（ＱＡＤＣ６４），ｌ６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　

（ＱＳＭＣＭ），可以方便地实现同步、异步通信功能；可构　造时钟模块（ＣＴＭ４），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　

ＰＷＭ算法及各种输入捕捉算法；ＣＡＮ控制模块（Ｔｏｕ—　

ＣＡＮ），能方便地实现工业自动化等场合的现场总线控　制　．　

１．２　ＤＳＰ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．　

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４　ＭＨｚ．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　．　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ＣＰＵ频繁的数据交换，也减少。ｒ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片卜集成有专用于运动控制的Ｉ／Ｏ接口，如硬　件限位、急停等，町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ＣＰＵ之间的通讯简单，　

易于协调，对主控制ＣＰＵ来说，ＭＣＸ３１４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ＭＣ６８Ｆ３７５和ＭＣＸ３１４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ＦＬＡＳＨ模块，ＭＣ６８Ｆ３７５片上集成有８　Ｋ　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５１２　Ｋ字节的ＦＬＡＳＨ，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　维普资讯 http://www.cqvip.com