摘 要：介紹了一種以32位CPU為控制器的嵌入式數控系統設計，包括系統硬件設計和軟件設計。該系統選用三星公司的低功耗S3C4510作為核心，具有數據存儲、以太網通訊、LCD顯示等功能。該系統具有低功耗、低價位、體積小、可集成到數控機床操作臺等特點，是未來經濟型數控機床發展的趨勢。 關鍵字：數控系統、嵌入式、UDP/IP協議 1、 引言 　　計算機數控系統是先進制造技術的基礎，在國內外得到普遍重視，發展較快。如今的計算機數控系統多以PC機為平臺。基于PC機的數控系統雖然功能強大，卻存在以下缺點： 　　（1） PC - base數控系統需要工業計算機的捆綁銷售,造成資源浪費和成本的提高。 　　（2） PC - base數控系統的硬件結構非常復雜,從而導致系統的整體可靠性的降低。 　　（3） PC - base數控系統的軟件操作系統主要有DOS和Windows兩種方案, DOS操作系統過于簡陋,導致許多功能實現起來非常困難或者無法實現,如網絡和USB功能;而Windows操作系統又過于龐大和累贅,系統實時性極差,并存在微軟公司的版權問題。 　　（4） PC - base數控系統需要設計基于ISA /PCI總線的I/O控制卡和專用的運動控制卡。造成硬件結構復雜化。 　　隨著嵌入式系統、微計算機技術和集成電路的迅速發展，高性能的32位CUP開始普及，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。它執行速度快、功能強大，在中、低檔數控系統中已經完全可以替代PC機，獲得更大的價格和技術優勢。本文旨在打破傳統基于PC機的數控系統，研究并設計一種基于ARM的32位嵌入式微機數控系統。 　　該數控系統的核心處理器采用三星公司生產的S3C4510芯片。該芯片是用在基于以太網系統的高性價比、高性能的16/32位RISC微控制器，內含一個有A R M 公司設計的1 6 / 3 2 位ARM7TDMI RISC 處理器，ARM7TDMI 為低功耗高性能的16/32。網絡接口芯片采用Realtek公司生產的一種全雙工以太網控制器RTL8201。由于S3C4510B 片內已有帶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。信號輸出經耦合隔離變壓器由RJ45 接頭聯入集線器。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。可用定時器產生步進電機的控制脈沖，并由I/O口通過功率放大后輸出來控制步進電機。而且大量的G代碼存取過程中還可以利用DMA技術提高存取效率，同時把CPU從繁忙的存取工作中解脫出來用于處理數據和控制電動機，這可使該數控系統的性能和運行效率大大提高。 2、 系統功能 　　系統功能結構框圖如圖1所示。其中計算機應用CAD軟件產生加工G代碼，通過網線下載到運動控制器的海量數據存貯器SDRAM中，然后可以在線控制雕刻機運動也可以脫機運行。網絡下載速率可達100Mbit/s，所以通信速度還是非常快的。通信協議采用的是UDP/IP協議。因為該系統中數據的傳輸遠不像因特網那樣復雜，傳輸的數據量相對較小，即使發生數據錯誤或丟失，重傳的代價也不是很大，所以避開繁瑣的TCP/IP協議采用用戶數據報UDP協議。這樣做不僅大大簡化了編程，數據傳輸的效率也提高了很多。 　　運動控制器負責從數據存貯器讀取加工G代碼，并對加工G代碼進行翻譯，通過運動控制算法（圓弧插補）處理后輸出對電機的控制脈沖，控制雕刻過程中電機的運行，達到三軸聯動的效果。要注意的是電機在突然加速或減速運行時，容易產生失步現象，影響運動控制的精度。為避免這種情況的發生，對電機應該實行加速度均勻變化的加減速控制。 3、 系統硬件設計 　　該系統硬件設計分為幾個功能模塊：參數輸入模塊、參數輸出模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、數據通信模塊、數據存貯模塊、程序存貯模塊和一個JTAG調試接口。 　　（1）輸入模塊：通過光電隔離模塊輸入雕刻機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，控制雕刻機運動的停止。雕刻機的零位信號通過74LS16244由CPU讀回。 　　（2）輸出模塊：輸出電機轉動方向和脈沖參數信號通過ULN2803驅動控制電機運轉。 　　（3）液晶顯示模塊：顯示當前刻刀位置和主軸轉速等運行狀態。 　　（4）鍵盤輸入模塊：開關機、主軸轉速和手動對刀時X、Y、Z軸方向參數設定等。 　　（5）數據通信模塊：下載PC機生成的加工G代碼。 　　（6）數據存貯模塊：存貯下載的加工G代碼和運行過程中的數據。 　　（7）程序存貯模塊：存貯運行軟件。 　　（8）JTAG調試接口：通過JTAG邊界掃描接口對程序進行交叉調試。 　　本系統之所以選用三星公司的S3C4510B芯片來構建，是因為它具有一下兩個優點：一是具有100Mbps 以太網控制器，提供MII接口。這使得它的網絡接口和編程都變得非常簡單方便，通信速度也快（傳統的8/16位處理器只能達到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、 系統軟件設計 　　本系統軟件采取前/后臺模式。運動控制器系統軟件流程圖如圖2所示。即在前臺循環運行液晶顯示子程序、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系統產生相應的硬件中斷（如以太網接收中斷、按鍵中斷）時響應，執行完中斷服務程序后返回到原來斷點處繼續執行前臺程序。設定通信程序的優先級高于鍵中斷的優先級。 　　其中插補算法處理子程序是重點。刀具不能嚴格地沿著要求的曲線運動，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動軌跡的七點坐標、終點坐標和輪廓軌跡的曲線方程，由數控系統計算出各個中間點的坐標，“插入”、“補上”運動軌跡中間點的坐標值的過程，稱為“插補”。數控系統計算各個中間點坐標的方法就是“插補算法”。 　　本系統實現了三軸聯動的數字積分直線插補和數字積分圓弧插補，并對插補過程進行加減速控制，以提高插補質量和精度。即在插補過程中不斷地向各個坐標軸發出進給脈沖，驅動各坐標軸的電動機轉動。每發出一個脈沖，工作臺就移動一個基本長度單位，發送給各坐標軸的脈沖數目決定了相對運動距離，而脈沖的頻率代表了坐標軸的速度。實現加減速控制，即實現各坐標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 　　本文作者創新點是突破了傳統數控機床的串口通信方式，通過UDP/IP協議實現了上下位機之間的以太網通信。改變了當前多采用PC機作為平臺的數控系統模式，全部控制功能和算法均由32位的下位機控制器來完成。既方便了用戶操作，又節省了投資，是未來經濟型數控機床發展的趨勢。 參考文獻： 　　[1] 馬忠梅,馬廣云,徐英慧等. ARM嵌入式處理器結構與應用基礎.北京航天航空大學出版社, 2002. 　　[2] 楊后川，梁煒編著. 機床數控系統及應用.北京大學出版社，2005 　　[3] 王田苗， 嵌入式系統設計與示例開發. 清華大學出版社，2003 　　[4] 林立志等編著， 基于Windows的TCP/IP編程. 清華大學出版社，2002 　　[5] 周立功等編著，ARM微控制器基礎與實踐. 北京航天航空大學出版社，2003 　　[6] 王羲，步進電機轉臺的控制. 微計算機信息. 電子工業出版社，1984