摘 要：介紹了一種以32位CPU為控制器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)選用三星公司的低功耗S3C4510作為核心，具有數(shù)據(jù)存儲、以太網(wǎng)通訊、LCD顯示等功能。該系統(tǒng)具有低功耗、低價位、體積小、可集成到數(shù)控機(jī)床操作臺等特點(diǎn)，是未來經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢。 關(guān)鍵字：數(shù)控系統(tǒng)、嵌入式、UDP/IP協(xié)議 1、 引言 　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)，在國內(nèi)外得到普遍重視，發(fā)展較快。如今的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)多以PC機(jī)為平臺。基于PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，卻存在以下缺點(diǎn)： 　　（1） PC - base數(shù)控系統(tǒng)需要工業(yè)計(jì)算機(jī)的捆綁銷售,造成資源浪費(fèi)和成本的提高。 　　（2） PC - base數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的整體可靠性的降低。 　　（3） PC - base數(shù)控系統(tǒng)的軟件操作系統(tǒng)主要有DOS和Windows兩種方案, DOS操作系統(tǒng)過于簡陋,導(dǎo)致許多功能實(shí)現(xiàn)起來非常困難或者無法實(shí)現(xiàn),如網(wǎng)絡(luò)和USB功能;而Windows操作系統(tǒng)又過于龐大和累贅,系統(tǒng)實(shí)時性極差,并存在微軟公司的版權(quán)問題。 　　（4） PC - base數(shù)控系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)基于ISA /PCI總線的I/O控制卡和專用的運(yùn)動控制卡。造成硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。 　　隨著嵌入式系統(tǒng)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路的迅速發(fā)展，高性能的32位CUP開始普及，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。它執(zhí)行速度快、功能強(qiáng)大，在中、低檔數(shù)控系統(tǒng)中已經(jīng)完全可以替代PC機(jī)，獲得更大的價格和技術(shù)優(yōu)勢。本文旨在打破傳統(tǒng)基于PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，研究并設(shè)計(jì)一種基于ARM的32位嵌入式微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。 　　該數(shù)控系統(tǒng)的核心處理器采用三星公司生產(chǎn)的S3C4510芯片。該芯片是用在基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的高性價比、高性能的16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個有A R M 公司設(shè)計(jì)的1 6 / 3 2 位ARM7TDMI RISC 處理器，ARM7TDMI 為低功耗高性能的16/32。網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用Realtek公司生產(chǎn)的一種全雙工以太網(wǎng)控制器RTL8201。由于S3C4510B 片內(nèi)已有帶MII 接口的MAC 控制器，而RTL8201 也提供了MII 接口，因此直接將兩者的同名端連接即可。信號輸出經(jīng)耦合隔離變壓器由RJ45 接頭聯(lián)入集線器。此外該芯片還帶有2個可編程32 位定時器，18個可編程I/O口，2個DMA通道。可用定時器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖，并由I/O口通過功率放大后輸出來控制步進(jìn)電機(jī)。而且大量的G代碼存取過程中還可以利用DMA技術(shù)提高存取效率，同時把CPU從繁忙的存取工作中解脫出來用于處理數(shù)據(jù)和控制電動機(jī)，這可使該數(shù)控系統(tǒng)的性能和運(yùn)行效率大大提高。 2、 系統(tǒng)功能 　　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中計(jì)算機(jī)應(yīng)用CAD軟件產(chǎn)生加工G代碼，通過網(wǎng)線下載到運(yùn)動控制器的海量數(shù)據(jù)存貯器SDRAM中，然后可以在線控制雕刻機(jī)運(yùn)動也可以脫機(jī)運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)下載速率可達(dá)100Mbit/s，所以通信速度還是非常快的。通信協(xié)議采用的是UDP/IP協(xié)議。因?yàn)樵撓到y(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸遠(yuǎn)不像因特網(wǎng)那樣復(fù)雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小，即使發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤或丟失，重傳的代價也不是很大，所以避開繁瑣的TCP/IP協(xié)議采用用戶數(shù)據(jù)報UDP協(xié)議。這樣做不僅大大簡化了編程，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室蔡岣吡撕芏唷? 　　運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)存貯器讀取加工G代碼，并對加工G代碼進(jìn)行翻譯，通過運(yùn)動控制算法（圓弧插補(bǔ)）處理后輸出對電機(jī)的控制脈沖，控制雕刻過程中電機(jī)的運(yùn)行，達(dá)到三軸聯(lián)動的效果。要注意的是電機(jī)在突然加速或減速運(yùn)行時，容易產(chǎn)生失步現(xiàn)象，影響運(yùn)動控制的精度。為避免這種情況的發(fā)生，對電機(jī)應(yīng)該實(shí)行加速度均勻變化的加減速控制。 3、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為幾個功能模塊：參數(shù)輸入模塊、參數(shù)輸出模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、程序存貯模塊和一個JTAG調(diào)試接口。 　　（1）輸入模塊：通過光電隔離模塊輸入雕刻機(jī)X、Y、Z軸的正反向限位和急停信號給EPLD邏輯電路，由它輸出控制信號，控制雕刻機(jī)運(yùn)動的停止。雕刻機(jī)的零位信號通過74LS16244由CPU讀回。 　　（2）輸出模塊：輸出電機(jī)轉(zhuǎn)動方向和脈沖參數(shù)信號通過ULN2803驅(qū)動控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 　　（3）液晶顯示模塊：顯示當(dāng)前刻刀位置和主軸轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)。 　　（4）鍵盤輸入模塊：開關(guān)機(jī)、主軸轉(zhuǎn)速和手動對刀時X、Y、Z軸方向參數(shù)設(shè)定等。 　　（5）數(shù)據(jù)通信模塊：下載PC機(jī)生成的加工G代碼。 　　（6）數(shù)據(jù)存貯模塊：存貯下載的加工G代碼和運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。 　　（7）程序存貯模塊：存貯運(yùn)行軟件。 　　（8）JTAG調(diào)試接口：通過JTAG邊界掃描接口對程序進(jìn)行交叉調(diào)試。 　　本系統(tǒng)之所以選用三星公司的S3C4510B芯片來構(gòu)建，是因?yàn)樗哂幸幌聝蓚€優(yōu)點(diǎn)：一是具有100Mbps 以太網(wǎng)控制器，提供MII接口。這使得它的網(wǎng)絡(luò)接口和編程都變得非常簡單方便，通信速度也快（傳統(tǒng)的8/16位處理器只能達(dá)到10 Mbps）;二是支持大容量的SDRAM（比DRAM便宜很多），這對降低成本非常有用。 4、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)軟件采取前/后臺模式。運(yùn)動控制器系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。即在前臺循環(huán)運(yùn)行液晶顯示子程序、按鍵處理子程序、G代碼讀取翻譯子程序、控制算法處理子程序等，后臺的通信子程序和鍵中斷子程序等當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的硬件中斷（如以太網(wǎng)接收中斷、按鍵中斷）時響應(yīng)，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后返回到原來斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行前臺程序。設(shè)定通信程序的優(yōu)先級高于鍵中斷的優(yōu)先級。 　　其中插補(bǔ)算法處理子程序是重點(diǎn)。刀具不能嚴(yán)格地沿著要求的曲線運(yùn)動，只能沿折線逼近所要求加工的曲線。這種由已知工件輪廓的運(yùn)動軌跡的七點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和輪廓軌跡的曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算出各個中間點(diǎn)的坐標(biāo)，“插入”、“補(bǔ)上”運(yùn)動軌跡中間點(diǎn)的坐標(biāo)值的過程，稱為“插補(bǔ)”。數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算各個中間點(diǎn)坐標(biāo)的方法就是“插補(bǔ)算法”。 　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)動的數(shù)字積分直線插補(bǔ)和數(shù)字積分圓弧插補(bǔ)，并對插補(bǔ)過程進(jìn)行加減速控制，以提高插補(bǔ)質(zhì)量和精度。即在插補(bǔ)過程中不斷地向各個坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖，驅(qū)動各坐標(biāo)軸的電動機(jī)轉(zhuǎn)動。每發(fā)出一個脈沖，工作臺就移動一個基本長度單位，發(fā)送給各坐標(biāo)軸的脈沖數(shù)目決定了相對運(yùn)動距離，而脈沖的頻率代表了坐標(biāo)軸的速度。實(shí)現(xiàn)加減速控制，即實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)軸脈沖頻率在一個加工代碼段中由低到高再到低的變化過程。 　　 5、 小結(jié) 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的串口通信方式，通過UDP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信。改變了當(dāng)前多采用PC機(jī)作為平臺的數(shù)控系統(tǒng)模式，全部控制功能和算法均由32位的下位機(jī)控制器來完成。既方便了用戶操作，又節(jié)省了投資，是未來經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 馬忠梅,馬廣云,徐英慧等. ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ).北京航天航空大學(xué)出版社, 2002. 　　[2] 楊后川，梁煒編著. 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)及應(yīng)用.北京大學(xué)出版社，2005 　　[3] 王田苗， 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與示例開發(fā). 清華大學(xué)出版社，2003 　　[4] 林立志等編著， 基于Windows的TCP/IP編程. 清華大學(xué)出版社，2002 　　[5] 周立功等編著，ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐. 北京航天航空大學(xué)出版社，2003 　　[6] 王羲，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)臺的控制. 微計(jì)算機(jī)信息. 電子工業(yè)出版社，1984