-
-
手机阅读
基于ARM的嵌入式数控系统 |
| 摘 要：介绍了一种以32位CPU为控制器的嵌入式数控系统设计，包括系统硬件设计和软件设计。该系统选用三星公司的低功耗S3C4510作为核心，具有数据存储、以太网通讯、LCD显示等功能。该系统具有低功耗、低价位、体积小、可集成到数控机床操作台等特点，是未来经济型数控机床发展的趋势。 关键字：数控系统、嵌入式、UDP/IP协议 1、 引言 计算机数控系统是先进制造技术的基础，在国内外得到普遍重视，发展较快。如今的计算机数控系统多以PC机为平台。基于PC机的数控系统虽然功能强大，却存在以下缺点： （1） PC - base数控系统需要工业计算机的捆绑销售,造成资源浪费和成本的提高。 （2） PC - base数控系统的硬件结构非常复杂,从而导致系统的整体可靠性的降低。 （3） PC - base数控系统的软件操作系统主要有DOS和Windows两种方案, DOS操作系统过于简陋,导致许多功能实现起来非常困难或者无法实现,如网络和USB功能;而Windows操作系统又过于庞大和累赘,系统实时性极差,并存在微软公司的版权问题。 （4） PC - base数控系统需要设计基于ISA /PCI总线的I/O控制卡和专用的运动控制卡。造成硬件结构复杂化。 随着嵌入式系统、微计算机技术和集成电路的迅速发展，高性能的32位CUP开始普及，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。它执行速度快、功能强大，在中、低档数控系统中已经完全可以替代PC机，获得更大的价格和技术优势。本文旨在打破传统基于PC机的数控系统，研究并设计一种基于ARM的32位嵌入式微机数控系统。 该数控系统的核心处理器采用三星公司生产的S3C4510芯片。该芯片是用在基于以太网系统的高性价比、高性能的16/32位RISC微控制器，内含一个有A R M 公司设计的1 6 / 3 2 位ARM7TDMI RISC 处理器，ARM7TDMI 为低功耗高性能的16/32。网络接口芯片采用Realtek公司生产的一种全双工以太网控制器RTL8201。由于S3C4510B 片内已有带MII 接口的MAC 控制器，而RTL8201 也提供了MII 接口，因此直接将两者的同名端连接即可。信号输出经耦合隔离变压器由RJ45 接头联入集线器。此外该芯片还带有2个可编程32 位定时器，18个可编程I/O口，2个DMA通道。可用定时器产生步进电机的控制脉冲，并由I/O口通过功率放大后输出来控制步进电机。而且大量的G代码存取过程中还可以利用DMA技术提高存取效率，同时把CPU从繁忙的存取工作中解脱出来用于处理数据和控制电动机，这可使该数控系统的性能和运行效率大大提高。 2、 系统功能  系统功能结构框图如图1所示。其中计算机应用CAD软件产生加工G代码，通过网线下载到运动控制器的海量数据存贮器SDRAM中，然后可以在线控制雕刻机运动也可以脱机运行。网络下载速率可达100Mbit/s，所以通信速度还是非常快的。通信协议采用的是UDP/IP协议。因为该系统中数据的传输远不像因特网那样复杂，传输的数据量相对较小，即使发生数据错误或丢失，重传的代价也不是很大，所以避开繁琐的TCP/IP协议采用用户数据报UDP协议。这样做不仅大大简化了编程，数据传输的效率也提高了很多。 运动控制器负责从数据存贮器读取加工G代码，并对加工G代码进行翻译，通过运动控制算法（圆弧插补）处理后输出对电机的控制脉冲，控制雕刻过程中电机的运行，达到三轴联动的效果。要注意的是电机在突然加速或减速运行时，容易产生失步现象，影响运动控制的精度。为避免这种情况的发生，对电机应该实行加速度均匀变化的加减速控制。 3、 系统硬件设计 该系统硬件设计分为几个功能模块：参数输入模块、参数输出模块、液晶显示模块、键盘输入模块、数据通信模块、数据存贮模块、程序存贮模块和一个JTAG调试接口。 （1）输入模块：通过光电隔离模块输入雕刻机X、Y、Z轴的正反向限位和急停信号给EPLD逻辑电路，由它输出控制信号，控制雕刻机运动的停止。雕刻机的零位信号通过74LS16244由CPU读回。 （2）输出模块：输出电机转动方向和脉冲参数信号通过ULN2803驱动控制电机运转。 （3）液晶显示模块：显示当前刻刀位置和主轴转速等运行状态。 （4）键盘输入模块：开关机、主轴转速和手动对刀时X、Y、Z轴方向参数设定等。 （5）数据通信模块：下载PC机生成的加工G代码。 （6）数据存贮模块：存贮下载的加工G代码和运行过程中的数据。 （7）程序存贮模块：存贮运行软件。 （8）JTAG调试接口：通过JTAG边界扫描接口对程序进行交叉调试。 本系统之所以选用三星公司的S3C4510B芯片来构建，是因为它具有一下两个优点：一是具有100Mbps 以太网控制器，提供MII接口。这使得它的网络接口和编程都变得非常简单方便，通信速度也快（传统的8/16位处理器只能达到10 Mbps）;二是支持大容量的SDRAM（比DRAM便宜很多），这对降低成本非常有用。 4、 系统软件设计 本系统软件采取前/后台模式。运动控制器系统软件流程图如图2所示。即在前台循环运行液晶显示子程序、按键处理子程序、G代码读取翻译子程序、控制算法处理子程序等，后台的通信子程序和键中断子程序等当系统产生相应的硬件中断（如以太网接收中断、按键中断）时响应，执行完中断服务程序后返回到原来断点处继续执行前台程序。设定通信程序的优先级高于键中断的优先级。 其中插补算法处理子程序是重点。刀具不能严格地沿着要求的曲线运动，只能沿折线逼近所要求加工的曲线。这种由已知工件轮廓的运动轨迹的七点坐标、终点坐标和轮廓轨迹的曲线方程，由数控系统计算出各个中间点的坐标，“插入”、“补上”运动轨迹中间点的坐标值的过程，称为“插补”。数控系统计算各个中间点坐标的方法就是“插补算法”。 本系统实现了三轴联动的数字积分直线插补和数字积分圆弧插补，并对插补过程进行加减速控制，以提高插补质量和精度。即在插补过程中不断地向各个坐标轴发出进给脉冲，驱动各坐标轴的电动机转动。每发出一个脉冲，工作台就移动一个基本长度单位，发送给各坐标轴的脉冲数目决定了相对运动距离，而脉冲的频率代表了坐标轴的速度。实现加减速控制，即实现各坐标轴脉冲频率在一个加工代码段中由低到高再到低的变化过程。  5、 小结 本文作者创新点是突破了传统数控机床的串口通信方式，通过UDP/IP协议实现了上下位机之间的以太网通信。改变了当前多采用PC机作为平台的数控系统模式，全部控制功能和算法均由32位的下位机控制器来完成。既方便了用户操作，又节省了投资，是未来经济型数控机床发展的趋势。 |