基于ARM的光固化快速成形嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

黃 明，史玉升

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于ARM的光固化快速成形嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

黃 明，史玉升

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著數(shù)字微鏡光固化快速成形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，快速成形設(shè)備向桌面化、辦公化方向發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。以S3C6410為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的嵌入式光固化快速成形網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過(guò)建立嵌入式軟硬件平臺(tái)，分析嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法，設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。其低成本、控制精度高、易移植等優(yōu)點(diǎn)將促使快速成形控制系統(tǒng)新的發(fā)展。

機(jī)械制造；光固化快速成形；嵌入式；網(wǎng)絡(luò)控制；boa服務(wù)器

近年來(lái)，快速成形制造技術(shù)得到了高速發(fā)展，特別是光固化快速成形系統(tǒng)由于利用數(shù)字微鏡技術(shù)，使光固化成形由點(diǎn)線掃描固化成層進(jìn)化到整面曝光固化成層，過(guò)程變得更加直觀和快捷。控制系統(tǒng)作為快速成形設(shè)備的核心部分需要新的發(fā)展，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低設(shè)備成本是光固化快速成形設(shè)備提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，因此利用廉價(jià)的嵌入式系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC機(jī)具有良好的前景，如具有高性價(jià)比的嵌入式ARM系列開(kāi)發(fā)板，具有開(kāi)放性免費(fèi)易獲取的Linux系統(tǒng)。同時(shí)嵌入式系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制功能，能替代傳統(tǒng)的總線技術(shù)，解決大數(shù)據(jù)量、高傳輸速率（如圖像傳輸）的問(wèn)題，是工業(yè)設(shè)備具備遠(yuǎn)程控制的重要發(fā)展方向。件。其DMD成形機(jī)如圖1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，控制系統(tǒng)應(yīng)包括Z軸遠(yuǎn)動(dòng)、紫外光源、數(shù)字微鏡（圖形數(shù)據(jù)）等。

1 數(shù)字微鏡光固化快速成形技術(shù)

1.1 光固化快速成形原理簡(jiǎn)介

光固化快速成形技術(shù)（簡(jiǎn)稱SLA）是利用光能的化學(xué)和熱作用使液態(tài)樹(shù)脂材料產(chǎn)生變化的原理，對(duì)液態(tài)樹(shù)脂進(jìn)行有選擇性固化，實(shí)現(xiàn)不接觸液態(tài)樹(shù)脂材料的情況下進(jìn)行三維實(shí)體的逐層成形。數(shù)字微鏡（DMD）光固化快速成形技術(shù)屬于投影式光固化快速成形技術(shù)，可以形象比喻為三維打印技術(shù)。利用數(shù)字微鏡將零件二維輪廓圖形投射到光敏樹(shù)脂上，利用光能的熱作用使樹(shù)脂分層固化，成形三維實(shí)體零

2 數(shù)字微鏡光固化快速成形技術(shù)的嵌入式控制方法研究

2.1 嵌入式控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的選擇

嵌入式系統(tǒng)是目前非常流行的微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制中，它能夠滿足實(shí)際工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性、可靠性、低成本的要求，相對(duì)于傳統(tǒng)的PC系統(tǒng)具有更多優(yōu)點(diǎn)，并逐漸代替著傳統(tǒng)的PC系統(tǒng)，成為工業(yè)控制設(shè)備中的主導(dǎo)系統(tǒng)。結(jié)合光固化快速成形控制系統(tǒng)，用嵌入式ARM系列開(kāi)發(fā)板代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC機(jī)具有價(jià)格低、體積小、接口豐富易擴(kuò)展、操作簡(jiǎn)單等硬件優(yōu)勢(shì)，而且操作系統(tǒng)采用Linux，其代碼開(kāi)放、資源免費(fèi)，極利于用戶二次開(kāi)發(fā)。

本系統(tǒng)采用基于ARM11處理器的S3C6410開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，而操作系統(tǒng)采用高實(shí)時(shí)性的嵌入式Linux系統(tǒng)。這樣的搭建可以解決數(shù)字微鏡光固化成形對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，對(duì)于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)時(shí)性強(qiáng)，而且準(zhǔn)確傳輸圖形等大體積數(shù)據(jù)的各方面需求。兩者結(jié)合起來(lái)可以充分發(fā)揮嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字微鏡光固化成形設(shè)備辦公桌面化的目標(biāo)。控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架如圖4所示。

圖4 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架

2.2 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)建

Linux系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)體系如圖5所示。由于開(kāi)發(fā)板資源有限，采用主從機(jī)平臺(tái)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的模式，其嵌入式Linux系統(tǒng)一般開(kāi)發(fā)流程包括如圖6中的幾個(gè)步驟。

圖5 嵌入式Linux系統(tǒng)軟件平臺(tái)框架

圖6 嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2.2.1 建立交叉開(kāi)發(fā)平臺(tái)

在PC機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng)（如Ubuntu），建立交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。本文具體方法是啟動(dòng)Linux終端進(jìn)行安裝交叉編譯器，操作如下：

2.2.2 引導(dǎo)程序Uboot和內(nèi)核的制作

（1）引導(dǎo)程序Bootloader是嵌入式系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段代碼，其工作包括初始化硬件設(shè)備，準(zhǔn)備好軟件環(huán)境，最后調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。Bootloader種類繁多，S3C6410選擇通用性好的U-Boot作為系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，并進(jìn)行系統(tǒng)硬件相關(guān)的一些配置才可以makefile實(shí)現(xiàn)交叉編譯：

其中需修改Makefile文件，包括指定目標(biāo)為ARM體系，設(shè)置宿主機(jī)交叉編譯器的路徑為2.2.1中所得編譯器的路徑。編譯完成后對(duì)應(yīng)目錄下生成u-boot.Bin二進(jìn)制文件，為之后移植做好準(zhǔn)備。

（2）內(nèi)核是所有嵌入式系統(tǒng)的核心部分。內(nèi)核移植是一個(gè)比較復(fù)雜的任務(wù)，也是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵步驟之一，分內(nèi)核配置、內(nèi)核編譯，內(nèi)核燒結(jié)等過(guò)程。本系統(tǒng)采用Linux2.6.28版本內(nèi)核，為方便配置編譯選項(xiàng)，需要安裝‘libncurses5’，采用命令：

即可自動(dòng)從網(wǎng)絡(luò)下載和安裝該模塊到宿主機(jī)Linux系統(tǒng)中。

配置內(nèi)核需要結(jié)合嵌入式系統(tǒng)具體應(yīng)用進(jìn)行，主要選擇是內(nèi)核功能模塊和設(shè)定參數(shù)。

2.2.3 根文件系統(tǒng)制作

目前S3C6410 Linux支持yaffs2文件系統(tǒng)和cramfs文件系統(tǒng)。cramfs文件系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)閃存（如Nor Flash)設(shè)計(jì)的只讀壓縮的文件系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)解壓縮方式，小巧且速度快。根文件系統(tǒng)必須包含這些目錄：/dev、/bin、/sbin、/lib、/etc、/proc、/sys。其中/bin和/sbin可以通過(guò)Busybox進(jìn)行制作。網(wǎng)絡(luò)上Busybox資源豐富，具體用法都有介紹。通過(guò)make menuconfig對(duì)Busybox配置即可獲得自己的文件系統(tǒng)：cramfs。

2.2.4 一鍵燒寫(xiě)Linux

燒寫(xiě)前，首先開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口線連接PC機(jī)，通過(guò)DNW軟件實(shí)現(xiàn)主從機(jī)間數(shù)據(jù)的傳遞和控制。一鍵燒寫(xiě)Linux要使用到SD卡，利用SD_writer.exe軟件，把內(nèi)核燒寫(xiě)工具mmc.bin固化到SD卡中，然后依次將u-boot.Bin、zImage、cramfs拷貝到SD卡中。SD卡轉(zhuǎn)插到開(kāi)發(fā)板上，開(kāi)發(fā)板設(shè)置到SD卡啟動(dòng)模式后上電，開(kāi)發(fā)板自動(dòng)開(kāi)始燒寫(xiě)上述3個(gè)文件，當(dāng)DNW軟件窗口顯示出“SMDK6410#”，說(shuō)明完成了燒寫(xiě)。

開(kāi)發(fā)板設(shè)置為Flash啟動(dòng)模式后，重啟電源，Linux系統(tǒng)即可正常工作，顯示開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)進(jìn)入觸摸屏校準(zhǔn)界面。

3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原理

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，融合網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的目的，是一種新型的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方法。隨著因特網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，以太網(wǎng)高速、開(kāi)放和低價(jià)等特點(diǎn)使以太網(wǎng)和TCP協(xié)議已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)外通信的平臺(tái)，使用戶通過(guò)瀏覽器就可以查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、發(fā)送控制命令和傳輸加工數(shù)據(jù)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的目的。

針對(duì)本文，基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控光固化快速成形設(shè)備的目標(biāo)。

3.2 Linux網(wǎng)絡(luò)編程和Boa服務(wù)器

（1）網(wǎng)絡(luò)程序的特點(diǎn)在于它由兩部分組成：客戶端和服務(wù)器端。在Linux中，網(wǎng)絡(luò)編程是通過(guò)Socket接口進(jìn)行的，基于TCP協(xié)議的Socket編程提供可靠的、面向連接的通信流，使用TCP協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序性。TCP協(xié)議的Socket流程圖如下：

圖7 TCP協(xié)議的Socket流程圖

（2）直接采用Internent網(wǎng)絡(luò)連接嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，必須在嵌入式設(shè)備上安裝Web服務(wù)器，使其支持遠(yuǎn)程PC通過(guò)瀏覽器來(lái)訪問(wèn)該設(shè)備。S3C6410選擇適合于嵌入式應(yīng)用的Boa服務(wù)器。Boa是一個(gè)非常小巧的單線程的嵌入式WEB服務(wù)器，可執(zhí)行代碼只有60kB左右，且源碼開(kāi)放，它的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)即是速度和安全，性能優(yōu)秀，支持認(rèn)證和CGI。由于Boa只為CGI程序創(chuàng)建新的進(jìn)程，在最大程度上節(jié)約了系統(tǒng)資源，特別適合嵌入式系統(tǒng)。Boa服務(wù)器可以從其官網(wǎng)上下載，通過(guò)交叉編譯生成ARM上運(yùn)行的Boa，進(jìn)一步配置boa服務(wù)器即可得到優(yōu)化版的Boa。

CGI是通用網(wǎng)關(guān)的簡(jiǎn)稱，是一種通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，其主要功能是在WWW環(huán)境下，從客戶端傳遞一些信息給Web服務(wù)器，再由Web服務(wù)器去啟動(dòng)所指向的程序完成特定的工作。CGI程序由瀏覽器的輸入觸發(fā)，可以用來(lái)在Web內(nèi)加入動(dòng)態(tài)內(nèi)容，本文采用C語(yǔ)言作為CGI的開(kāi)發(fā)方式。

4 網(wǎng)絡(luò)控制軟件程序開(kāi)發(fā)研究

4.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的程序研究

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)服務(wù)器端，即S3C6410開(kāi)發(fā)板，將光固化快速成形機(jī)的加工數(shù)據(jù)如電機(jī)、光源開(kāi)關(guān)、DMD圖形等直接傳送到S3C6410微處理器的Web服務(wù)器上，用戶通過(guò)瀏覽器可以方便地監(jiān)測(cè)控制。系統(tǒng)工作流程如圖8。

圖9 光固化快速成形制件

圖8 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作流程圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件測(cè)試結(jié)果

本文對(duì)數(shù)字微鏡光固化控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得較好的結(jié)果，如圖9顯示了成形加工的制件。比起傳統(tǒng)的光固化快速成形系統(tǒng)，嵌入式DMD光固化成形系統(tǒng)下制件的表面更加光潔，加工時(shí)間短、效率高，而且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，工作人員可以做到桌面辦公。

5 結(jié)束語(yǔ)

以S3C6410為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的嵌入式光固化快速成形網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過(guò)建立嵌入式軟硬件平臺(tái)，分析嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法，設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。其低成本、控制精度高、易移植等優(yōu)點(diǎn)將促使快速成形控制系統(tǒng)新的發(fā)展。

[1] 莫健華，著.快速成形及快速制模[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：64-65.

[2] 王 成，韓 明，等.基于Windows2000快速成型SLA控制系統(tǒng)的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003，1：77-79.

[3] 汪成義，鐘小磊，陳 賾.ARM嵌入式技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 高永強(qiáng)，莫健華，等.高精度光固化快速成形機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，1：48-51.

[5] Samsung Electronics Co.S3C6410X RISC Microprocessor User’s Manual.Feb13,2009.

Research of stereo lithography embedded network control system based on ARM

HUANG Ming,SHI Yusheng
（College of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei China）

Along with the development and application of the digital micro mirror device stereo lithography,quick forming equipment has been trended into office,and desktop direction.The embedded software and hardware platforms have been established.The structure and method of embedded network control system have been analyzed.The network control application software has been designed,which realizes the remote monitoring function.The equipment in low cost with high accuracy is easy to transplant,which improves the development of the quick forming control system.

Stereo lithography；Embedded；Network Control；Boa server

TG665

A

1672－0121（2012）02－0079－04

2011-12-08

黃 明（1985-），男，碩士在讀，主攻光固化快速成形設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)研究