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1、基于ARM的嵌入式数控系统ronggang导语: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纵台等特点,是将来经济型数控机床开展的趋势。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根底,在国内外得到普
2、遍重视,开展较快。如今的计算机数控系统多以PC机为平台。基于PC机的数控系统固然功能强大,却存在以下缺点:1PC-base数控系统需要工业计算机的捆绑销售,造成资源浪费和本钱的进步。2PC-base数控系统的硬件构造非常复杂,进而导致系统的整体可靠性的降低。3PC-base数控系统的软件操纵系统主要有DOS和Windows两种方案,DOS操纵系统过于简陋,导致很多功能实现起来非常困难或无法实现,如网络和USB功能;而Windows操纵系统又过于庞大和负担,系统实时性极差,并存在微软公司的版权问题。4PC-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。造成硬件构
3、造复杂化。随着嵌入式系统、微计算机技术和集成电路的迅速开展,高性能的32位CUP开场普及,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换PC机,获得更大的价格和技术上风。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消费的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ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器,ARM7TDMI为低功耗高性能的16/32。网络接口芯片采用Realtek公
4、司消费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代码存取经过中还可以利用DMA技术进步存取效率,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进步。2、系统功能系统功能构造框图如图1所示。其中计算机应用C
5、AD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,所以通讯速度还是非常快的。通讯协议采用的是UDP/IP协议。由于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者丧失,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,数据传输的效率也进步了很多。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代码进展翻译,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,控制雕刻经过中电机的运行,到达三轴联动的效
6、果。要留意的是电机在忽然加速或者减速运行时,轻易产生失步现象,影响运动控制的精度。为防止这种情况的发生,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、数据通讯模块、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顿。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
7、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数据通讯模块: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代码和运行经过中的数据。7程序存贮模块:存贮运行软件。8JTAG调试接口:通过JTAG边界扫描接口对程序进展穿插调试。本系统之所以选用三星公司的S3C4510B芯片来构建,是由于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,通讯速度也快传统的8/16位处理器只能到达10Mbps;二是支持大容量的SDRAM比DRAM廉价很多,这对降低本钱非常有用。4、
8、系统软件设计本系统软件采取前/后台形式。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,后台的通讯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,执行完中断效劳程序后返回到原来断点处继续执行前台程序。设定通讯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经过,称为
9、“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,并对插补经过进展加减速控制,以进步插补质量和精度。即在插补经过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,工作台就挪动一个根本长度单位,发送给各坐标轴的脉冲数目决定了相对运动间隔,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经过。5、小结本文作者创新点是打破了传统数控机床的串口通讯方式,通过UDP/IP协议实现了上下位机之间的以太网通讯。改变了当前多采用PC机作为平台的数控系统形式,全部控制功能和算法均由32位的下位机控制器来完成。既方便了用户操纵,又节省了投资,是将来经济型数控机床开展的趋势。参考文献:1马忠梅,马广云,徐英慧等.ARM嵌入式处理器构造与应用根底.北京航天航空大学出版社,2002.2杨后川,梁炜编著.机床数控系统及应用.北京大学出版社,20053王田苗,嵌入式系统设计与例如开发.清华大学出版社,20034林立志等编著,基于Windows的TCP/IP编程.清华大学出版社,20025周立功等编著,ARM微控制器根底与理论.北京航天航空大学出版社,20036王羲,步进电机转台的控制.微计算机信息.电子工业出版社,1984