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1、第10卷 第1期 2010年1月16711815(2010)120316205科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringVol110No11Jan120102010Sci1Tech1Engng1轻工技术基于ARM&FPGA的数控裁切机控制系统刘卫红1,2 聂松辉2(湘潭职业技术学院1,湘潭111102;湘潭大学机械工程学院2,湘潭411105)摘 要 针对目前市场上数控裁切机控制系统性能的缺陷,提出基于嵌入式系统的数控裁切机控制系统的实现方案。硬件部分采用ARM+FPGA构建,软件部分采用模块化的实现方案。结果表明,整个控制系统具有实时性好、
2、低成本、高性能等优点。关键词 嵌入式系统 数控系统 ARM中图法分类号 TS941.562.1;文献标志码 A2009年9月23日收到第一作者简介:刘卫红(1975),女,讲师,研究方向:机电工程。数控裁切机是一种广泛应用于服装、鞋帽、箱包、制革、玻璃雕花等轻工企业的数控设备。它改变了以往轻工行业中设计、生产过程依靠手工操作的状况,缩短了设计周期,提高了生产效率。用户可以在专用图样软件上完成图样设计并从图样中获得图样数据,然后将图样数据传送到数控裁切机上,在数控裁切机上简单设定加工参数就可以快速地生产出大量高质量的产品。图1 数控裁切机外形目前市场上配备的数控裁切机使用的是基于8/16位单片机
3、开发而成的数控裁切机系统。基于单片机的系统在速度、存储容量、功能等方面则受到很大的限制,使得基于这类系统开发而成的数控裁切机档次不高,竞争力不强。为了解决上述问题,提高国产裁切机控制系统的性能及市场竞争力及提高相关行业的生产效益,本文提出嵌裁切机控制系统的方案并自主研发出样机,实现了高速高精度的使用效果。1 系统需求分析与总体设计裁切机控制系统要求可以控制裁切机完成X、Y、Z三轴的精确运动(其中X、Y平面动作确定切绘的X、Y坐标,Z方向确定切绘的力度和深度)、显示和修改参数、键盘操作、数据分析处理及与上位PC机通讯等功能。在满足上述基本功能的同时,整个系统的软硬件应考虑和解决以下问题:(1)实
4、现高速高精度的加工效果,要求最高工作定位速度,例如最高空载定位测试速度,不小于600 mm/s;长曲线切绘速度,不小于280 mm/s,曲线光顺等。(2)裁切机控制系统属于硬实时系统,对系统的响应速度和稳定性有很高的要求。(3)系统软件应具有很好的可移植性和可维护性,以便今后软硬件系统功能的加强和升级。目前在数控系统领域主要有两种实现模式。第一个是基于通用PC机+运动控制卡的模式。这种数控技术存在PC机价格昂贵、系统资源与需求不匹1期刘卫红,等:基于ARM&FPGA的数控裁切机控制系统配、操作系统不适合于实时控制、可靠性低、系统核心软硬件不具有自主知识产权等问题,所以很难适用于数控裁切机等中低
5、档数控系统,不是一种理想的实现方案 1。另一方面,近年来嵌入式计算机技术得到了飞速发展,各种高性能的嵌入式微控制器层出不穷,CPU运算速度大大提高,处理数据宽度不断加大,片上的集成资源越来越丰富。这其中以基于32位R ISC架构的ARM核微控制器为主要代表在工控、消费电子、网络设备等领域取得了辉煌的市场业绩2。嵌入式技术具有很好的应用性、很强的适应性、资源利用充分、系统紧凑、开发和调试方便等明显的特点。正因如此,许多国内外的数控系统的研究人员对嵌入式技术在数控系统中的应用投入了极大的热情,嵌入式数控技术被认为是未来数控技术与系统发展的一个崭新方向3。因此,本文提出利用嵌入式数控技术完全可以开发
6、出高性能的裁切机控制系统。图2 系统总体方案3 系统硬件为了达到高速高性能的要求,本文采用基于高性能嵌入式微控制器(ARM)+专用运动控制芯片的双CPU架构来构建数控裁切机控制系统硬件平台。其中ARM控制器的主要作用是负责运行系统中与管理相关的任务,是系统的主控制CPU;专用运动控制芯片主要负责运行插补计算等运算量大、对任务的实时性要求较高的任务,专用于繁重的插补运算,减轻ARM控制器的负担。两者有机结合,优势互补,提高了系统性能、简化了系统设计、提高了系统可靠性、降低了成本。近年来,在嵌入式领域使用平台开发是大势所趋,使用平台开发可以充分利用前人的研究成果,缩短在应用层面的差距,而且可以缩短
7、开发、调试周期、节省人力成本,在客观上也提高了系统的可靠性。开发平台可以自己建立,也可以从市场上购买。目前市场上已不断涌现出各种高性价比的嵌入式多轴运动控制系统开发平台(如深圳市斯迈迪公司推出的S MP860)。为缩短样机的研制时间,在数控裁切机控制系统样机的研制中使用了S MP860嵌入式运动控制平台。S MP860(图3)硬件上采用双CPU结构,其中MCU采用了S3C44B0X,专用运动控制芯片采用了深圳市斯迈迪公司自主研发的基于FPGA的S M5004。S3C44B0X使 用ARM7TDM I核,工 作 在66MHZ,具有LCD控制器、UART、RTC等丰富的外围功能模块,它是系统的核心
8、,负责接收上位机发送的加工数据、LCD显示控制、键盘管理以及整个系统运行等功能。另外,系统扩展了8MB SDRAM(采用了HY57V641620)和4 MB NOR FLASH(采用了SST39VF320)以保证有足够的空间存储系统控制程序及支持系统运行。S M5004是以MCX314/AS技术指标为基础,同时吸取了其他系列芯片个别优点研发出来的。它在功能和性能上可以全面替代NOVE的MCX3XX/A、NPM的PCL6045/6025等同类芯片,使用此芯片后原本很复杂的运动控制问题就可以变得相对简单,包括匀速和变速脉冲的发射、直线和圆弧插补、原点和限位开关管理、升降速规划等功能均可由S M50
9、04以硬件方式来完成4。4 系统软件设计本文设计的数控裁切机控制系统软件采用层次化、模块化的体系结构,图4是数控裁切机控制系统结构示意图。713科 学 技 术 与 工 程10卷4.1 部分构成4.1.1 底层硬件驱动层硬件驱动程序的主要功能是为上层软件提供良好的函数调用接口,完成对系统硬件资源的抽象,屏蔽掉底层硬件细节。通过抽象底层硬件的物理行为,使上层用户实现对硬件功能的调用。在裁切机控制系统软件中有键盘驱动(KEY程序组)、液晶驱动(LCD程序组)、S M5004运 动 控制 芯片 驱 动(S M5K程序组)、串口驱动程序(UART程序组)以及S3C44B0X启动代码(44B程序组)等与硬
10、件直接相关的驱动函数模块。使用这些驱动函数模块,可以方便实现对底层硬件的控制,例如在S M5000程序组中,set-param(C-X,C-SV,5000)功能为设定初始速度为5000脉冲/S,send-inp-cmd(C-CMD-I NP-2L I NE)功能为启动2轴直线插补驱动。4.1.2 应用程序层裁切机控制系统的作用是接收上位机传来的加工数据并解释执行驱动电机动作,期间可以通过键盘设置刀笔深浅、速度等参数。对于这种功能要求不多的控制系统软件我们可以不使用操作系统而采用前后台系统来实现。图5是ADS1.2的可视化集成开发环境下看到的数控裁切机控制系统的软件模块中的机器复位子程序模块。图
11、5 裁切机复位子程序在前后台系统中应用程序一般是一个无限循环,在数控裁切机控制系统软件中,不断循环等待上位机发送加工代码,然后对加工代码进行解释并调用相关函数完成各种控制动作,这部分可以看成后台行为。这部分代码代码在SRC程序组中。中断服务程序处理串口接收上位机加工代码以及键盘操作中断等异步事件,这部分可看成前台行为。这部分代码在Interrupt程序组中。4.2 软件主要部分功能的实现4.2.1 主程序的基本运行流程如图6所示。初始化包括由汇编语言组成的启动代码部分和由C代码组成的相关外设芯片设置及有关变量置对应的初值,读取存储在FLASHROM芯片中的用户设置数据,显示初始的开机用户界面,
12、将刀/笔头退回到机械原点做好下一步运行的准备等。当接收到上位计算机传送过来的数据后,系统读取8131期刘卫红,等:基于ARM&FPGA的数控裁切机控制系统数据,并执行相应的指令,直到遇到指令结束标志,一次完整的接收数据并执行指令的切绘动作完成。图6 主程序流程图4.2.2ARM与上位机的通信实现在本系统中由于系统的内存容量(4 MB)相对于控制系统程序(100 KB)和数控加工代码(一般小于1 MB)而言足够大,我们采用一次性将加工代码接收并存入内存的方式。ARM与上位机采用RS232串口通讯的方式实现,能保证在115 200 bps的通信速率下准确地传送数据5。4.2.3 曲线切绘过程中的速
13、度优化控制在实际生产中经常需要切绘各种类型的曲线,上位机发送给控制系统的加工数据已经将曲线拟合成许多微小的直线段。为了有效减少高速切绘过程对机床的冲击及提高加工的速度和质量,需要在曲线切绘过程中对加工速度进行优化控制。我们使用下面两种措施比较好地解决了这个问题。首先是将单段的零速-加速-匀速-减速-零速平滑成多段的零速-加速-匀速-减速-零速的形式。对于曲线切绘而言,这样可以大大减小加减速所需要的时间提高加工的速度。另外,若需加工的曲线某处的拐角比较大,仅用上述方法将造成机械冲击比较大,因此在拐角处的速度必须减小,待越过拐角后又将速度加快以提高效率6。由于S M5004具有连续插补功能而且在连
14、续插补过程中可以变更驱动速度,加上ARM具有很高的运算速度能够实时地计算各连续段间的拐角大小并通过设置一个临界值以判断是否需要减速,通过实验验证了此方法完全可以很好地解决问题。5 结论(1)利用“ARM+专用运动控制芯片”的硬件方案来开发多轴联动的数控系统是一种比较好的方式。(2)在裁切机等不太复杂的数控系统中,应用软件部分采用前后台系统的模式完全可以达到要求。(3)嵌入式数控技术是一个从底层硬件到上层软件独立的开发过程,可以针对数控系统的特点和开放性的要求来构建系统,比基于PC机的数控系统具有更好的稳定性和实时性。参 考 文 献1 王永章,杜君文 1数控技术 1北京:高等教育出版社,2001
15、2 王田苗,陈友东,孙 恺,等.基于UC/OS22嵌入式数控系统研制.北京航空航天大学学报,2006;32(4):4714803 周祖德,龙毅宏,刘 泉,等.嵌入式网络数控与系统.机械工程学报,2007;5(5):174S MP86x:高性能嵌入式的通用运动控制平台手册 1深圳市斯迈迪科技发展有限公司,5 周立功 1ARM嵌入式系统基础教程 1北京:北京航空航天大学出版社,20056 王子涵 1数控平板式高精度数控切绘机的设计.湘潭:湘潭大学,2004(下转第323页)9131期王秋燕,等:路线设计一体化及三维渲染设计I ntegration Design and Three2di mensi
16、onalRenderi ng Design of Road L ineWANGQiu2yan,FU Xin2sha(South China University of Technology,School of Civil Engineering and Transportation,Guanzhou 510640,P.R.China)AbstractIntegration design and three2dimensional rendering design of road line,topographic data collec2tion and pretreatment are inc
17、luded,the establishment of three2dimensional digital terrain model and three2dimen2sional road model and the superposition of this two model,three2dimensional visualization rendering of the roadis presented.Key wordsintegration design of road linethree2dimensional modelingthree2di mensional renderin
18、g(上接第319页)AR M&FPGA2based CNC Cutti ng Machine Control SystemL I U Wei2hong1,2,N IE Song2hui2(Xiangtan Vocational&Technical College1,Xiangtan 411102,P.R.China;School ofMechanical Engineering,Xiangtan University2,Xiangtan 411105,P.R.China)AbstractCutter machines performance in market are in a low lev
19、el,in order to slove the problem a newcutter machines control system based on embedded system is el tells.The hardware is composed of ARM andFPGA.Program design uses structured analysis for reference.The result indicates that this embedded controlsystem has the good real2ti me character,low cost and high2perfor mance.Key wordsembedded systemnumerical control systemARM323