一種嵌入式數控系統的體系結構與系統設計

李芳

摘 要：本文詳細闡述了基于ARM的嵌入式數控系統結構模型，分析了嵌入式數控系統的可重構功能，探討了嵌入式數控系統的實現方案與測試方法。本文為研究數控技術新的發展方向和技術改進奠定了基礎，具有一定的參考價值。

關鍵詞：嵌入式數控系統；體系結構；系統設計；可重構功能；實現方案；測試方法

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1.基于ARM的嵌入式數控系統結構模型

1.1 數控系統結構模型

該設計方案利用S3C2440作為主CPU對數控系統中的各項任務進行管理及調度。因為采用專業級別的運動控制芯片有利于減短控制系統的研發時間，改善控制系統的性能，減輕繁重的工作量、降低研發所需要的成本。因此，該設計方案選用日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片MCX314As作為控制芯片，對復雜的數控是加工運動進行控制。

該嵌入式數控系統主要由硬件層、操作系統層、運動控制軟件層三大部分組成，其中，底層硬件層以三星公司的S3C2440作為CPU處理器；中間層是代碼開放的Linux操作系統，屬于嵌入式數控系統的操作系統層，為了提高該數控系統的實時性，改善操作性能，其內核按照數控系統的要求做了一定裁剪；至于頂層是包含運動控制芯片的控制庫函數等各個控制函數的控制系統所需的匹配軟件。

1.2 數控系統的硬件結構

該系統采用的三星公司的S3C2440處理器具有體積偏小、功耗較少、成本偏低、性能較好等優點，該處理器是基于ARM920T內核的32位RISC架構的處理器，其支持支持Thumb（16位）和ARM（32位）雙指令集，可以有效兼容8位和16位的器件。該CPU處理器運算速度相當快，主頻最高可達533MHz，能夠充分適應多任務操作下的數控計算。該嵌入式數控系統采用的運動控制專用芯片MCX314As具有極高的控制性能，能夠對四軸進行控制，可以實現對任意兩軸的圓弧和直線插補。在運轉過程中，主機處理器僅用向該芯片下達各種復雜的指令，MCX314As芯片按照指令完成一系列的操作和處理。在該嵌入式數控系統中，其硬件中包含了主CPU和從CPU，使用的是主從CPU硬件結構模式。其中，主CPU是對各項任務進行管理和調整的ARM處理器，從CPU是控制數控系統運動方式的MCX314As專用運動控制芯片。該系統的硬件平臺如圖1所示。

1.3 ARM處理器與運動控制芯片的連接

運動控制專用芯片MCX314As的時鐘頻率為16Hz，由外部直接提供。S3C2440的數據線以及讀、寫信號直接控制相應的數據線以及讀、寫信號。因為在該系統中選用16位數據線進行傳輸，故而必須在運動控制專用芯片MCX314As的H16L8引腳上接入高電平。圖2為S3C2440與MCX314As的接口電路圖，由圖可以看出，為了保障安全，增強信號傳輸可靠性，實現電平轉換，驅動信號，在信號連接兩者間加有寫著“SN74ALVC164245”的芯片。

1.4 數控系統的軟件結構

為了確保該系統的實時性，同時也為了使數控系統的硬件設施得到充分利用，該嵌入式數控系統運用了Linux操作系統。該操作系統按照相關要求做了適當裁剪，能夠對數控系統進行實時多任務控制，其時效性相當高。

2.嵌入式數控系統的可重構功能

通常情況下，對于中央處理單元，嵌入式系統多采用精簡指令集計算技術。然而，在使用專用芯片以及運用微處理機方法時，人們渴望能夠擁有性能良好、運算迅速、可靠性強，并且具備高度柔性和強大編程功能的新技術、新方法，這也就是嵌入式系統的可重構功能。

所謂可重構，即是利用可重構的相關資源對計算平臺進行重構或重組，包括了各類硬件、軟件的可重構。擁有可重構的有關資源是進行重構的基礎，而滿足人類不同的應用需求是進行重構的目的。在沒有FPGA的時候，通常是對功能部件進行重用，以實現計算系統的重組。而在FPGA出現以后，通常是將基本的門、線資源進行重用，通過有關配置文件，對門的性質進行設定，對線的連接方式進行定義，從而實現了硬件功能的變化。

因為嵌入式數控系統所具備的重構功能和硬件、軟件能夠裁剪的特征，因此極其有助于實現網絡數字控制技術，并且為網絡數字系統的設計和應用奠定了基礎與捷徑。

3.嵌入式數控系統實現方案與測試

3.1 實現方案設計

中央數控單元控制運行ARM，在ARM上對主要數控技術進行運作，但是刀補、插補以及間隙補償應當除外。注意將ARM與顯示以及有關鍵入裝置相連接，以實現人與機的交互。插補代碼經編譯之后應當通過串口發至DSP，ARM需要執行M、S、T指令，邏輯控制指令需要經過異步串行總線MOD BUS發至PLC，系統的監控由總線負責，與外部網絡的連接由ARM負責，進而完成對整個數控系統的網絡化開發、運行、管理、調試、診斷以及監控，等等。

3.2 系統測試

在完成MCX314As運動控制板的設計和在Linux操作系統下編寫好調試、驅動程序以后需要對該嵌入式數控系統進行一系列的仿真調試。因為MCX314As屬于寄存器控制型芯片，其是通過讀或寫內部寄存器來實現控制的。MCX314As寫入的數據來自S3C2440通過總線輸入，由此可以讀出寄存器的值，再通過比較可以對MCX314As的工作狀態進行判別。為了驗證該嵌入式數控系統是否正確，需要編寫相應的X、Y2軸直線插補程序，最終經過示波器反應實際的脈沖波形圖，可以確定該嵌入式數控系統是正確的，能夠正常運行。

結論與思考

本文介紹了一種基于ARM的嵌入式數控系統結構模型，研究分析了嵌入式數控系統的實現方案與測試方法。在今后的研究工作中可以借鑒本文思想，從資源共享角度考慮，大力增強數控系統的開放性。

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