基于ARM开放式数控系统研究

0 前言

　　随着计算机技术与现代通讯技术的高速发展，现代高性能电子产品层出不穷，对电子产品提出了“轻、薄、短、小”的要求。超大规模集成电路的发展，使PCB(印刷电路板PrinCed Circuit Beard)制作工艺朝着高密度、多层化等方向发展，对PCB的加工工艺及其数控系统提出了越来越高的要求。对此，国内外开发了各种功能的数控系统，其中有功能强大、系统复杂且适合于网络化加工的计算机数控系统，以及基干单片机的简易数控系统等。计算机数控系统成本高，只适合于大规模的PCB生产。单片机数控系统过于简单，性能单一，应用范围窄。针对上述情况，本文提出开发基于嵌入式系统的开放式数控系统。对数控技术进行攻关，取得突破与经验，可以提高我国CNC钻铣床技术的水平，推动电子工业的发展和技术进步，振兴我国的PCB工业。

1 基于ARM的数控系统的总体设计

　　1.1 系统功能要求

　　本系统是基子ARM砰台、uClinu读时操作系统设计而成的一个开放式数控系统。系统设计目的是对PCB11A工过程进行实时的数字控制，因此该系统必须满足以下几点要求:具有强实时性;具有简单友好的操作界面;具有高度的模块化结构，易干更换或添加新功能:刀具库功能支持;数控代码的编辑、译码与仿真功能;PCB加工文件的编辑、管理:各种机器参数的管理、设置;加工过程的图形实时显示:加工过程中出错信息的显示、报警;直观、快捷的对板、找原点功能;加工过程控制命令，如起停、复位等。

　　1.2 系统总体设计及分析

　　嵌入式控制器采用32位ARM7微处理器，用干平台上层管理CPU;SM5004用于实现运动控制功能，与ARM--起形成一个完整的应用平台:RS232作为通信口和上位机通讯;IIC接口用于连接ZLG729(键盘和存储系统参数及刀具参数的EEPROM；CF卡用于加工文件的读取;显示接口用于驱动LCD掖晶显示器；4MFLASH(SST39VP3201)用作程序存储空间，包含ARM对周边器件端口的驱动和操作，当AF位后，从此FLASFH中读取指令执行:16M的SRAM (IS61LV51216)用于程序的运行空间;以太网口用于网络通讯。

　　系统的软件将根据对实时性要求的不同分为非实时域软件和实时域软件。这样，整个系统就由非实时任务部分、实时任务部分和硬件部分组成，箭头表示由系统进程间通讯和实时通讯机制实现的软件数据流。非实时任务部分由图形用户界面模块、网络模块、译码模块等组成，这些任务具有较低的优先级，运行在系统的用户空间。实时任务部分由插补模块、刀补模块、故障诊断模块、速度控制模块、位置控制模块等组成。这部分任务要求较高的优先级。运行在实时内核空间。

2 基子ARM的数控系统的硬件设计

　　在上面建立的基于ARM的PCB工数控系统的总体设计的基础上，下面介绍主要的系统硬件部分的元器件、设备等的选型与设计。

　　2.1 ARM处理器的选择

　　基于ARM体系结构的3啦系统占领了2位嵌入式系统的大部分。但长期以来，基于ARhr体系结构的32位系统仅在嵌入式系统的高端等场合使用，要么以专用芯片的面貌出现，要么以微处理器的面貌出现，并没有出现性价比高的通用微控制器。本文采用性价比高的LPC2210芯片。

　　2.2 运动控制器与ARM的连接

　　SNf5004是以单一芯片而可控制毖嫩的脉冲序列输入之伺服马达、步进马达的运动控制芯片，可以进行各轴独立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4轴中任意的选择2轴或是3轴来进行圆弧、直线、位方式插补。

　　SM5004云动控制芯片能与8/16位立数据总线接口，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、位元琳模式的轨迹插补，输出脉冲频率达4MHZ。每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独立地设置为恒速、线性、非对称S曲线加/减控制、非对称梯形加/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口在同等的性能指标下SM5004的价格远低干同类产品，因此本课题选用SM5004实现运动控制功能。

　　2.3 FLASH与ARM的连接

　　根据系统的功能要求，uClinux和应用程序编译后的内核大约为3.1M左右，因此选择4M的SST39VF640型FLASH。

　　2.4 ARM与EEPROM的接口

　　EEPROM是非易失性存储器，所以系统用它来存储一些断电需要保护的参数以及刀具尺寸、寿命、刀号、刀具进刀率等参数。系统采用ATMEL公司的IIC妾口的EEPROM。

　　2.5 以太网接口与ARM的连接

　　SMS9113同时具备MAC层和PHY物理接口功能芯片，它使用中断通知LPC22l嗽据的发送和接收。LPC2210是使用nGCSI和数据地址线访问SMSC911拍勺内部寄存器和缓冲区。TS6121是隔离变压器，板上的LED和LED指示灯分别表示100Mb/s链路正常和网络接收发送。

3 基干ARM的数控系统的应用软件设计

　　3.1 图形用户界面模块设计

　　图形用户界面(GUI)是用户和数控机床进行交互的媒介，因此一个好的数控系统必须提供良好的人性化的图形用户界面，MINIGUI是为了满足一个工业控制系统的需求而设计和开发的。在设计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率口因此，MINIGUI是一个非常适合于工业控制实时系统以及嵌入式系统的可定制的、小巧的图形用户界面支持系统口本文在设计基干ARM动开放式数控系统时采用MINIGUI开发系统的人机交互界面。

　　3.2 基干MINIGUI的数控系统GUI设计

　　3.2.1创建窗口

　　MiniGUI窗口的建立过程与Windaw程序基本类似，不过也有一些差别。在Windows程序中，在建立一个主窗口之前，程序首先要注册一个窗口类，然后创建一个属于该窗口类的主窗口。MiniGUI却口没有在主窗口中使用窗口类的概念。在MiniGUI程序中，调用CreaCeMainWindow 0函数建立主窗口，建立主窗口之后，程序将进入消息循环。

　　3.2.2 创建控件

　　MiniGUI提供了常用的预定义控件类，包括按钮、静态框、列表框、进度条、滑块、编辑框等。也可以定制自已的控件类，注册后再创建对应的实例。控件的创建有两种方式:一种是在对话框模板中指定控件，这样，当应用程序启动该对话框时，系统自动创建指定控件:另一种方式是调用Crea Lewindow 0函数来创建控件，通过指定要生成的控件的窗口类型来生成所需控件。

　　3.2.3 创建对话框

　　在MiniGUI中，对话框是一类特殊的主窗口，这种窗口一般只关注与用户的交互。对话框可以分为模态对话框和非模态对话框，模态对话框显示之后，用户就不能再切换到其他主窗口进行工作，而非模态对话框就没有这样的限制。

　　3.3 插补模块设计

　　插补是整个数控系统软件的核心任务。插补是指根据给定的数学函数，如线性、二次或高次函数，在理想轨迹或轮廓上的己知点之间确定一些中间点的方法。

　　对于数控系统而言，插补概念“确定中间点”的体现就是用简单几何段对工件轮廓进行逼近。被加工工件的轮廓形状千差万别，各式各样，而由于机床结构和伺服装置特性的限制，只能控制刀具走简单线段，所以必须用多个简单线段去逼近工件的实际轮廓口数控系统中的插补，就是根据输入的有限坐标点，运用一定的算法，在有限坐标点之间生成一系列的插补点，使得插补点之间为可以控制实现的简单线段口这样，数控系统通过控制实现一系列简单线段的进给，完成对于工件轮廓的逼近。显然，“逼近”的程度是由甸个进给段的长度决定的，进给段的长度越小，逼近程度越高，加工误差就越小。

　　3.4 实时软件部分设计

　　uClinux是为嵌入式应用设计的，它本身并没有更多地关注实时问题。uClinux经过小型化改造，形成了一个高度优化、代码紧凑的嵌入式Linux,并保留了Linux大多数的优点。它专门针对无MMU的CPU，去除了普通Linux内核中的虚拟内存管理部分。考虑到开放式数控系统的实时性要求，在系统设计时将RTA环uClinux相目结合，采用双内核的设计方案，既满足了嵌入式应用的需求，又保证了系统的硬实时性。

　　系统的实现基础是硬件抽象层，通过硬件抽象层进行硬件管理，把基本内核和实时内核结合在一起，其中一个内核的改变，不会影响另一个内核的执行口基本内核和实时内核(RTAI)分别处理非实时和实时任务的调度和执行，而实时任务和非实时任务之间信息的交换要通过管道(FIFO)或共享内存(MBUFF)来实现口

　　3.5 故障诊断模块设计

　　数控设备的结构复杂，所以一旦发生故障，原因很难确定，结果难以及时排除故障，往往造成严重的经济损失。为了尽量减少故障发生，通常在钻铣加工前，要对机床及其附属设备的性能进行检测口在系统软件的设计中，设计了一个辅助管理菜单，里面包含了机器自检、断电保护、机器部件测试、主轴转速自检等功能。这些功能有效的保障了系统的正常运行，提高了系统的工作效率，节约了加工成本口

　　3.6 网络模块设计

　　本系统凭借uClinux的网络功能支持，可以实现数控系统的网络功能。整个系统包括三个层次:①车间内设备的集成、②制造企业内计算机通讯和资源的共享、③基于WWW的企业乃至全球范围内的信息集成与共享。车间内网络数控系统用网线和集线器连接，它们之间关系平等，可以共享多种信息和各种软、硬件资源，通过车间服务器有效地调动它们，使制造过程最优化。企业通过专门的服务器在Internet上发布相关的网页，给远程用户提供CAD/CAPP等技术支持，也可以对远程伙伴的网络数控系统分配任务，在网上动态地进行加工任务的协调。

4 结束语

　　本文采用LPC2210和SMS5004构造的开放式数控系统，建立了一种新型的模块化、可靠性高、成本低、便携的数控系统;采用了开放源码的uClinux操作系统，其开发资源丰富，为后继的系统功能扩展奠定了较好的基础。本系统的研究成果和方法能成功的推广应用到其他数控领域，具有很好的应用前景和杜会经济价值。