基于ARM的嵌入式數控系統的研究

舒希勇+王慶福

摘 要：ARM在嵌入式數控系統中的應用，把計算機技術和嵌入式數控技術結合在一起，是一種技術含量非常高的數控技術，在數控系統的研究中是一種新的嘗試。.本文對數控系統以及嵌入式系統進行了分析和研究，在ARM技術的技術上，提出了基于ARM的嵌入式數控系統的總體結構設計方案，并根據需求分析對基于ARM的嵌入式數控系統的硬件設計和軟件設計進行了研究。

關鍵詞：ARM；嵌入式數控系統；數控技術；計算機技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.143

1 數控系統及嵌入式系統分析

1.1 數控系統分析

隨著現代機械制造技術的發展，數控技術在機械制造中的應用越來越普及。數控技術是電子技術和自控技術的綜合應用，通過數字信號來控制機械加工過程的一種技術。數控系統的發展經歷了六個階段，第一階段的數控系統是在美國進行研發和應用的，并應用于航空航天領域，數控系統的裝置都是采用電子管元器件，這個階段的數控技術不是很成熟，應用領域比較小。第二階段數控系統的發展是在20世紀，隨著晶體管的研發和應用，逐漸取代了電子管，數控系統中晶體管的應用，提高了數控系統的安全性，數控系統被應用于民用工業中。在第三階段的數控系統的發展階段，小規模集成電路的研發并應用，進一步的提高了數控系統的可靠性，應用領域逐漸擴大。以上三個階段的數控系統都是計算機的硬件數控系統，在數控系統工作之前必須要對邏輯功能先進行設計，只能完成一些固定的控制功能，數控系統的通用性還是比較低的。20世界60年代之后進入到第四階段，美國把數控系統和小型計算機相結合，實現了控制軟件的功能，第四代數控系統也叫做CNC系統，在計算機中存儲編制程序，機床數控設備完全有計算機取代了，計算機作為控制器，執行機械生產的控制功能，CNC系統通用性好，并且應用靈活。第五階段的數控系統是采用微型計算機作為數控系統的核心處理器，提高了機械加工的質量和效率。第六階段的數控系統發展以個人計算機的應用為代表，基于個人計算機的數控系統，這幾段是數控系統發展的新階段，主要特點是成本低，數控系統的核心是個人計算機，硬件成本大大降低了；具有開方放性和模塊化的特點，用戶可以根據自己的需要來選擇功能模塊，方便系統功能的個性化管理；系統的軟件開發資源豐富；通信功能完善，計算機之間可數控系統以進行很好的通信，網絡技術比較成熟。在現代的機械制造領域中，數控系統是一種核心技術，一個國家的制造業水平的重要的標準就是數據系統，所以數據系統的研發和應用受到世界各國的高度重視。

1.2 嵌入式系統分析

嵌入式技術是現代工業領域的一次新的革命，嵌入式技術是計算機技術和電子技術的結合，嵌入式系統全稱是嵌入式計算機系統，嵌入式系統作為系統進行使用，嵌入式系統計算機硬件和軟件進行整合實現系統的應用，嵌入式系統以應用為核心，主要特點包括嵌入式系統是面向用戶的應用系統，系統功率損耗低，工作的實時性好，嵌入式系統的硬件兼容性好，并且配置了多種通訊接口，嵌入式系統的軟件使用周期長，系統穩定性高。嵌入式系統可以在各種微型計算機中進行應用，嵌入式系統的使用率高，已經應用與很多領域，包括POS機設備、電子商務和家電信息等領域。

2 基于ARM的嵌入式數控系統的總體結構設計

2.1 系統設計需求分析

我們要根據數控系統的功能來對系統進行設計，嵌入式系統的總體結構設計需求及特點包括，系統設計要具有強大的微處理器功能，可以進行高速的計算機控制運算，系統直接面向于用戶，為用戶提供了個性化的人機交互界面；系統可以實現簡單的代碼編程，支持網絡和通信接口，可以實現嵌入式系統和上位機進行很好的通訊；嵌入式系統的運動控制設計要完善，復合運行穩定和強大的功能的要求，要有高速的控制精度；嵌入式系統的運動控制要實現機械信號和異常情況的處理，并且實現實時性的控制。嵌入式系統的關鍵性部分是運動控制，運動控制芯片的研發周期要短，可以提高整體的運動控制能力，提高嵌入式系統的可靠性，使軟件的研發成本大大降低。嵌入式系統通過運動控制芯片實現對運動控制的完成，可以加大研發進度，我們要實現高速的運動控制就需要高性能的微處理器。

2.2 嵌入式數控系統總體結構設計

基于ARM的嵌入式數控系統總體結構設計圖如圖1所示。

基于ARM的嵌入式數控系統包括數控層、OS層和硬件層三本部分組成。從基于ARM的嵌入式數控系統結構圖中，我們可以看出嵌入式系統的硬件層包括ARM處理器硬件和運動控制芯片，ARM處理器硬件我們選擇ARM S2C44BOX。OS層也叫操作系統層，嵌入式操作系統采用的是源代碼公開的UC/OS設備，使系統的軟件控制更簡單，可以進行多任務的處理。數控層軟件主要是數控系統的軟件匹配，包括運動控制芯片相應的各種控制函數。嵌入式數控系統具有一定的開放性，這也是數控系統發展的一個方向，嵌入式數控系統總體結構在設計的時候要遵守可操作性、可互換性和可移植性的特點，通過對模塊的增加和減少來增減系統的功能。

3 基于ARM的嵌入式數控系統的硬件設計

嵌入式數控系統硬件采用雙CPU的主從結構，其中ARM處理器作為主CPU，主要用于計算機顯示器的輸出顯示，計算機鍵盤鼠標的輸入和網絡通信等工作，主CPU對從CPU的控制主要是使用讀寫總線來完成的。PLC6044的運動控制芯片作為從CPU，從CPU負責運動控制。主CPU的ARM處理器和從CPU的PLC6044控制芯片之間的通訊是通過對總線上的幾個地址指令的讀取來實現的，總線還可以控制鍵盤和網絡等。嵌入式數控系統硬件結構如圖2所示。

在嵌入式數控系統硬件結構設計中，ARM 控制器S2C44BOX 采用32位處理器，通過雙向信號線完成S2C44BOX和PLC6044之間的通信。伺服驅動器電機控制的脈沖最高頻率6MHZ，這樣可以增加抗干擾的能力，通過差分方式對信號的輸入和輸出進行計算處理。編碼器實現的功能包括濾波和整形處理。嵌入式數控系統可以包含多個CPU處理器部件，處理器是嵌入式數控系統的核心部分，負責整個嵌入式數控系統的運算處理任務。顯示器是系統顯示功能必須具備的，是用戶和計算機之間進行交互的主要設備，嵌入式數控系統對LCD控制器進行了集成，并且提供了顯示器的接口，對顯示器的控制可以直接通過系統中的顯示器的接口就可以。上位機和下位機之間進行通訊主要是通過串口，在伺服驅動器中也提供了這樣的串口，所以與驅動之間的連接我們可以通過串口來實現。外部存儲器總線支持SDRAM閃存，閃存的存儲數據安全性好，電源在關閉之后，信息仍舊可以保存在片內，主要用于存放數控系統的程序和數據的。

4 基于ARM的嵌入式數控系統的軟件設計

嵌入式系統把功能軟件和操作系統集成在計算機硬件系統中，實現軟件和硬件的一體化管理，這樣響應速度快，自動化效率高，并且編程的代碼小。在實時任務的體系中非常需要嵌入式系統進行實現，在實際的應用中，嵌入式系統只是控制循環的，使用簡單的嵌入式應用就可以了，但是嵌入式系統技術的提高，對操作系統的的需要變得非常重要了，所以嵌入式系統軟件控制的效果要取決于操作系統。機床的數控系統就是工業機械生產領域的典型嵌入式系統的應用，對實時性的要求很強。傳統上的實時性比較高的控制系統一般不采用操作系統，而是使用循環控制。操作系統使用最大的問題就是內核系統資源的嚴重損耗，目前許多實時性的操作系統對系統資源的占有率比較少，實時性的嵌入式系統被廣泛的開發。在嵌入式系統軟件的應用中，實時性的操作系統成為應用的焦點。嵌入式數控系統的軟件總體結構如圖3所示。

嵌入式數控系統的軟件結構分為系統軟件和應用軟件，應用軟件包括操作界面和數控接口。嵌入式數控系統中UC/OS實時操作系統是一種多任務型的操作系統，具有任務管理和任務通信同步管理等功能，主要是采用C語言進行編寫的，并且開放源代碼是公開的。UC/OS內核可以管理實時任務，為系統的應用服務提供快速響應和實時的實現方面起到了很大的作用。用戶操作界面采用個性化的人機交互設計，采用的多任務模式。嵌入式數控系統軟件工作流程，首先要對處理器CPU進行初始化處理，然后在對操作系統進行處理化，在開始建立進行的任務，最后通過調用相應的函數來實現具體的功能。嵌入式數控系統復位后，程序代碼的首地址作為系統開始執行的界點，程序首先對ARM系統硬件和軟件進行初始化操作，包括操作系統初始化和網絡初始化等。我們采用函數庫的方式，簡化嵌入式數控系統的軟件總體結構，對PLC6044芯片的操作進行統一的管理，函數庫包括設置速度和距離的參數設置函數，讀取當前位置的狀態讀取函數，點位運動的運動函數，對停止和中斷進行管理的管理函數。

5 總結

基于ARM的嵌入式數控系統研究是現代化工業機械自動化生產發展的必然趨勢，基于ARM的嵌入式數控系統把計算機技術和嵌入式技術等技術進行了有效的集合，并應用于現代化的工作生產中。本文的研究對我國嵌入式數控系統的研究具有一定的借鑒作用，基于ARM的嵌入式數控系統研究具有一定的研究意義和應用價值。

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作者簡介：舒希勇（1977-），男，山東聊城人，碩士，講師，研究方向：機械設計制造。