基于AM623的磨床數控系統開發及應用

李麗穎　汪木蘭　張華　金應威

關鍵詞：微處理器；數控系統；磨床

中圖分類號：TG596；TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

數控機床主要由數控系統、伺服驅動系統、切削驅動裝置和機床本體等組成，如圖1 所示。其中，作為核心單元的數控系統主要由AM623 多核處理器、存儲器、輸入、輸出和復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device，CPLD）等組成。對于經濟型和普及型數控機床，數控系統通常采用單微處理器和脈沖式伺服接口形式，而對于高端數控機床一般采用高性能多微處理器和高速現場總線的硬件架構。

為了滿足對磨床的高精度、高速度和實時性等要求，本文基于“AM623+CPLD”的硬件架構，移植RT-Linux 實時操作系統，開發數控磨床加工的功能模塊，設計了一款開放程度高、性能優越、可移植性好的嵌入式數控系統，并應用于實際磨床產品。

1 數控系統硬件設計

ARM 微處理器不僅中斷資源豐富，而且多任務調度能力強。目前采用嵌入式數控系統方案，主要以ARM 架構微處理器AM623 為控制核心，輔以CPLD 的邏輯處理能力，從而滿足數控系統的高速實時數據處理及接口數據交換的需求。如圖2 所示，“AM623+CPLD”雙核心架構的嵌入式數控系統主要由AM623 和CPLD 核心電路模塊、存儲模塊、供電電源模塊、網絡通信模塊、編碼輸入/ 輸出（input/output，I/O）模塊、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊等組成。AM623 作為主處理器， 主要運行數控系統軟件，實現通信、系統診斷、加工程序解釋等功能。而CPLD 主要負責邏輯處理和運動控制等輔助功能，AM623 和CPLD 之間采用通用存儲控制器（general purpose memory controller，GPMC）32位高速并行總線連接，二者共同負責人機交互接口功能[1]。顯示器電路將測試圖片導入系統，驗證圖片是否在顯示器中正常顯示；電源與復位電路負責測試各個點電壓值，分別用萬用表、示波器測試電壓的穩態值和動態值，驗證上下電和正常工作過程中的電壓是否與預期一致；電子盤電路負責將測試文件導入系統，重新上電，然后再從系統導出文件，驗證導出的文件是否和導入文件一致；內存電路負責向內存映射對應的地址并寫入測試數據，然后再從該地址讀出數據，驗證讀出的數據和寫入的數據是否一致；實時工業以太網通信電路負責連接上位機系統，驗證連接是否正常、發送數據是否成功、接收數據是否成功等；以太網通信協議電路負責連接傳輸控制協議（transmission control protocol，TCP）網絡調試助手系統，驗證連接是否正常、發送數據是否成功、接收數據是否成功等；無線網電路負責連接Wi-Fi 調試助手系統，驗證連接是否正常、發送數據是否成功、接收數據是否成功等；接口電路負責連接串口調試助手系統，驗證連接是否正常、發送數據是否成功、接收數據是否成功等；手握脈沖發生器電路負責將外掛手輪接入系統，手搖手輪旋轉一定角度，驗證系統接收到的角度值是否和實際值一致；編碼器輸入電路負責將外掛編碼器接入系統，旋轉一定角度，驗證系統接收到的角度值是否和實際值一致；屏背光調節電路負責調節顯示屏的亮度，驗證實際的亮度是否和預期一致；鍵盤操作控制電路負責驗證系統接收到的鍵值是否和按下的鍵值一致，是否存在某個鍵沒反應、鍵值錯誤等問題。

磨床數控系統硬件設計過程中，基于AM623四核A53 處理器和CPLD 的功耗， 合理選擇外圍器件，有效控制了整個系統的功耗，并且不需要額外添加散熱器（如風扇等），系統具有良好的散熱穩定性，降低了系統的維護成本。該數控磨床開發平臺包含的硬件資源如下：AM623，1.4 GHz 高速核心處理器； 電子盤（NANDFLASH），512 MB 存儲磨床數控系統運行數據以及用戶參數；RS422，主軸增量式編碼器，輸入口光耦隔離，輸出口只用ULN2803A 達林頓管驅動；RS485、RS232， 連接計算機或其他外設部件，擴展輸入/ 輸出口，監控數控磨床加工過程；以太網控制自動化技術（ether control automationtechnology，EtherCAT），即高性能的實時以太網通信協議，提供穩定可靠的實時通信；TPS65219，自帶3 個BUCK 轉換器和4 個VLDO 線性調壓器的電源管理芯片；2 路USB 2.0，數據傳輸接口。

1.1 AM623 核心電路設計

數控系統的主處理器采用德州儀器公司（TI）提供的 AM623 作為處理器核心，AM623 是由四核ARM Cortex-A53+ 單核ARM Cortex-M4F 組成的高性能低功耗異構多核處理器。處理器ARMCortex-A53（64-bit）主處理單元主頻為1.4 GHz，ARM Cortex-M4F 實時處理單元主頻為400 MHz，具有可與CPLD 高速通信的GPMC 并行接口，同時支持雙屏異顯。接口資源豐富，主要包括3x 控制器局域網靈活數據速率（controller area networkflexible data-rate，CAN-FD）、9x 通用異步收發器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、多路通用輸入/ 輸出口（general purposeinput/output，GPIO）、通用串行總線（universalserial bus，USB）、低電壓差分信號（low voltagedifferential signaling，LVDS）、液晶顯示屏（liquidcrystal display，LCD）、集成電路總線（interintegratedcircuit，I2C）、串行外設接口（serialperipheral interface，SPI）等。

1.2 系統電源模塊設計

安全可靠的電源是保證系統正常工作的前提，磨床系統中的微控制單元（microcontroller unit，MCU） 四核AM62X 所需電源有3.3 V 的I/O 電源、1.8 V 的晶振、0.75 V 和0.85 V 的核電源以及1.2 V 的雙倍數據速率（double data rate，DDR）電源等，通過查找大量電源芯片資料并基于整個系統考慮，本文選擇TPS65219 為AM62X 單獨供電。TPS65219 是一種電源管理芯片，其內部設有3 個直流轉直流（DC-DC）轉換器和4 個低壓差線性調壓器（low dropout regulator，LDO）。Buck1 DC-DC轉換器可提供3.5 A 的電流，Buck2 和Buck3 可分別獨立提供2 A 的電流。每個轉換器的默認輸出電壓都可以通過I2C 接口進行單獨設置，LDO1和LDO2 在0.6 ～ 3.4 V 的輸出電壓范圍內支持400 mA 的輸出電流，LDO3 和LDO4 在輸出電壓范圍為1.2 ～ 3.3 V 時，支持300 mA 的輸出電流，這些設計可以滿足AM623 所需多種電壓電源的需求。

除TPS65219 為AM623 專門供電以外，主板電路還需提供5 V 和3.3 V 電源，繼電器、開關等還需要24 V 電源供電。因此，在主板上還設計了兩個電源電路，分別提供5 V 和24 V 電源。此外，3.3 V 電源使用調壓芯片來實現，AMS1117 是一款800 mA 低電壓調壓器，可以采用降壓方式實現對電壓的穩定輸出。

1.3 CPLD 邏輯控制電路

數控磨床控制系統使用的另一個核心功能器件是 CPLD，本文選擇的是深圳市紫光同創電子有限公司的PGC1KG_LPG144 [2]。本文的磨床數控系統中，CPLD 主要實現的功能包括插補算法的硬化運算實現、對交流伺服系統的控制（使能、方向和進給速率）、轉速反饋編碼脈沖倍頻計數、手輪脈沖計數、手輪驅動伺服進給控制、刀具選擇、卡盤卡緊和潤滑油開關控制，以及通過直接數字合成（direct digital synthesis，DDS）生成指定頻率的脈沖和對磨床數控系統加工過程的實時監控，實現數控系統中的數字差分分析（digital differentialanalyzer，DDA）直線插補運算，確保零件加工過程中精確的路徑規劃和運動控制，使整個系統處于安全可靠的運行狀態[3]。

1.4 電子盤和DDR4 內存模塊設計

電子盤（NAND FLASH）的CE# 信號可以啟用或禁用目標中的一個或多個模具。對于16 Gb 的設備，CE1# 控制前8 Gb 的內存；CE2# 控制第2個8 Gb 的內存。傳輸數據使用的是16 位數據總線，通過16 位數據總線進行數據的讀取和寫入，每次可以同時傳輸16 位的數據，提高了數據傳輸的效率和速度，滿足大數據吞吐的需求。因此，存儲磨床系統運行程序以及設置用戶參數的內存模塊采用NAND FLASH。

目前市面上采用的內存條主要有LPDDR4 和DDR4 兩種[4]。LPDDR4 屬于低壓版本，主要有1.1 V和1.8 V 兩種類型。而AM623 嵌入式系統中的電壓分別為3.3 V、1.8 V、1.2 V 和0.85 V 等。如果使用LPDDR4 還需做調壓處理，考慮到設計的數控系統主要用于工業領域，對系統功耗要求不是特別高，因此選用DDR4 作為內存條，且DDR4 內存電路在工作頻率、容量、能耗、帶寬和擴展性等方面都具有優勢，可以提供更高的性能和更好的用戶體驗。

DDR4 有x4、x8 和x16 共3 種版本同步動態隨機存取內存（synchronous dynamic random accessmemory，SDRAM），分別代表了其數據隊列（data?queue，DQ）輸入/ 輸出總線寬度。AM623 的DDRDQ 總線有16 根，如果用x4 或x8 版本的DDR4芯片就需要多個芯片，所以最終選用了x16 版本的DDR4 芯片。

1.5 其他外設接口設計

其他功能模塊主要包括伺服驅動模塊、輸入/輸出模塊、編碼器計數反饋、RS485 通信以及網絡通信模塊等。

伺服軸控制也是數控裝置最基本的功能，通常采用脈沖式伺服軸接口，其可以通過方向脈沖信號指示轉動方向，通過反饋計數信號獲取位置信息，實現對伺服軸的精確控制和定位。伺服軸控制框圖如圖3 所示。

RS485 通信電路是一種差分傳輸串口，抗干擾性強，傳輸速度最高可達10 Mb/s，且可連接多個從站，方便建立網絡設備。設置RS485 通信接口主要是方便數控系統連接上位機，滿足高檔數控系統需要，并可擴展I/O 端口，控制更多的伺服軸，甚至還可以連接其他RS485 通信設備[5]。

主軸采用增量式光電編碼器，將主軸編碼輸入信號設計成差分信號，通過AM26L32 芯片接收和抑制同步噪聲，處理后的信號發送到CPLD 進行計數，完成編碼器計數反饋的過程。

磨床數控系統設計了兩路網口電路：一路采用TCP/IP 協議；另一路采用EtherCAT 協議。當其中一路網絡通信出現問題時，系統可以自動切換到另一路網絡通信，從而保證系統的穩定性和可靠性[6]。

2 磨床數控系統軟件移植和設計

多核微處理器可以為數控系統提供強大的計算能力和計算資源，基于多核微處理器的數控系統需要實時操作系統支持，從而實現各種應用模塊與應用程序。本文選擇了RT-Linux 操作系統作為數控磨床系統的運行環境，RT-Linux 移植流程如圖4所示。

RT-Linux 操作系統是一種實時操作系統，具有支持多線程多任務、內核組成模塊化、源碼代碼開放、良好的移植性以及實時性等優點[7]。由于RTLinux采用雙內核結構（Linux 內核和實時內核），因此在RT-Linux 應用中存在兩個域，即實時域和非實時域。為了在AM623 處理器中移植RT-Linux操作系統，首先需要在計算機上對標準的Linux 內核源代碼進行實時補丁，然后重新編譯，進而生成實時的Linux 內核RT-Linux。此外，由于嵌入式系統對軟件規模有嚴格要求，因此還需要對實時操作系統進行適當的裁減，包括內核、庫、文件系統和啟動腳本等方面，以更好地滿足磨床數控系統的需求。移植后進行數控系統功能軟件設計，包括代碼解釋以及DDA 直線插補模塊。設計完成的磨床數控系統既能滿足磨床數控加工過程中的實時性要求，也為用戶對RT-Linux 系統進行二次開發以及系統功能裁剪提供便捷的途徑[8]。

3 應用與評估

通過對控制系統硬件和軟件的深度開發，將基于“AM623+CPLD”開發的數控系統應用于磨床設備中，并對磨削加工功能和實際效果進行了試加工和綜合評估，數控磨削加工調試現場圖如圖5 所示。結果表明，使用AM623 構建數控系統可以實現用戶的高質量磨削要求，提高了生產效率，具有節能優勢，并且已經交付使用，效果較好，達到了合同指標。

4 結語與展望

本文設計了以AM623 作為主處理器、RTLinux實時操縱系統作為開發環境的磨床數控系統軟硬件平臺，構建了一個具有高實時性、開放性、多功能、低成本等特點的數控系統。

未來計劃進行系統模塊化、標準化的二次設計，優化模塊功能，進一步提高系統可靠性，盡快形成高性能磨床數控系統系列產品，實現推廣應用，并逐步拓展到其他機床裝備行業。