基于嵌入式技術的數控系統開發設計

卜伶俐

目前由于科學技術的快速發展使制造業及機械加工業中各類設備機械也得到了快速的發展，目前在機床應用中其數控系統的開發及設計都得到了極大的進步。在機械加工制造業中進行數控系統的開發與設計主要是為了提高機械自動化水平，通過控制程序來實現標準化、智能化作業。雖然數控系統開發與設計已經得到了不錯的發展，但是在實際應用中其仍然存有一定的局限，為此以下則對嵌入式技術在數控系統中應用的特點及優勢進行分析，探討其在實際中的應用價值。

【關鍵詞】嵌入式技術 數控系統 開發設計

在機械加工制造業中，一些復雜的、精度要求高、質量要求高的產品零件必須要由高精機械設備來進行加工，為了保證這些產品的質量用來加工的設備必須要由計算機數控系統來進行加工控制。但是在數控系統（CNC）應用中存在的一個問題就是不同生產廠家所開發出的CNC之間無法兼容，雖然此問題并不影響產品的生產及設備的單獨使用，但是在通訊傳輸上存在的缺陷限制了數控系統聯合應用的性能，并不利于加工生產的多種需求。

1 數控系統的特點

數字控制（Numericcontrol，簡稱NC）是隨著我國計算機技術變革，以微處理器發展為核心，形成的基于微型或小型計算機應用的數控系統，又稱為計算機數字控制系統（Computernumericcontrol，簡稱CNC）。數控系統的一般工作原理是，將錄入的零件加工信息進行數字化指令的轉換，根據保存的數字化指令對加機床下達工作的命令，車床完成對零件的加工。上世紀80年代起，由于數位微處理器的發展迅速，也大大提高了PC端在人機交互、數據的計算和處理方面的速度。而我國在目前的情況來看，基于PC的開放式數控技術，不僅在技術層面得到了發展，在多樣化領域中（如PC+NC二者相互嵌入的模式，NC中繼承PC全軟件的結構等）發展都十分迅速。

盡管在現代社會中不論PC還是NC都得到了迅速的發展，但是不能否認，在進行制造方面，兩者的結構還都比較復雜，制造成本也較為昂貴，因此并不能滿足大規模控制的應用需求。而在其他方面如NC中硬件系統功能的操作性等方面也有待加強。目前網絡技術的不斷發展，網絡化的數字控制系統技術也在逐漸成為未來數控系統的主要發展方向。

2 嵌入式技術

將控制程序存儲在只讀內存（Read-OnlyMemory，簡稱ROM）中，用來作為相關設備中控制系統的一部分，這種技術就被稱之為嵌入式技術。雖然看起來嵌入式技術十分復雜，但是事實上，我們身邊很多設備例如手機、電子手表、攝影機等設備都應用了一定程度的嵌入式技術。有些嵌入式技術構成的系統中不僅包含了控制指令，甚至本身這些嵌入式系統（EmbeddedSystem）之中就帶有不同程度的操作系統。盡管嵌入式系統已經具備整體攜帶操作系統的功能，但是操作中處于某些限制和不同方面的考慮，主要還是應用單個程序來完成控制。作為目前在控制、操作系統等領域應用最為廣泛的技術，嵌入式技術可以通過嵌入式微型或小型處理器、嵌入式的控制指令或者系統、相應的硬件以及使用指令或系統的應用程序這幾部分組成。將嵌入式技術應用在數控技術中，不僅能夠更大程度地發揮出嵌入式技術的優勢，解決數控技術中存在的問題，同時也能夠使嵌入式技術和數控技術都能得到更大程度的開發，得到性價比更高的嵌入式技術和擴大應用嵌入式技術的數控技術的開放性。

3 嵌入式數控系統總體結構設計

一個專用系統在開發時其過程主要是以下幾個步驟：

（1）要先對嵌入式數控系統的需求進行分析，找出需要解決問題的用戶；

（2）對原理圖和PCB等數控硬件進行設計，確定硬件能否正常工作；

（3）調試軟件，其中包括處理器的初始化、中斷、外設等這些都需要自己進行編程序控制。

嵌入式系統開發與傳統的系統開發過程相比有很大的優勢。如果我們有了一個嵌入式系統，它基本的處理器和核心電路是固定的，操作系統是移植好的。做產品，所需要做的工作就是根據用戶需求，看看是否需要添加外設，然后編寫所添加外設的驅動程序，最后就是編寫應用程序。流程圖如圖1所示。可以看出，如果使用一個成熟的嵌入式系統，則會避免重復勞動，縮短開發周期。這就是嵌入式系統設計的價值所在。

4 數控系統中嵌入式技術的應用設計

通常情況下進行系統設計的方式可以作為嵌入式技術設計的參照而進行。第一是分析用戶的需求，以用戶的使用方式和設計內容的應用范圍為基礎，進行用戶需求的分析；第二是根據分析出的用戶應用方式進行一定的硬件設備選擇和處理器的選型；第三是對硬件的設計與調試以及原理圖的改動與應用，了解硬件進行工作的情況；最后是對整套軟件控制系統的調試，在將軟件接入控制設備中，確定軟件是否能對設備進行正常控制，是否能進行符合工作的指令下達，在進行控制的過程中是否存在，處理相關問題后再次運行系統確定整個系統能夠滿足正常生產工作的使用。而嵌入式技術的應用設計與一般系統設計也有一定區別，嵌入式系統可以是應用于已經成型的處理器和相關設備中，只需要添加相應的程序在其中，省去了關于處理器方面的工作時間和工作任務量，還能給用戶提供更穩定的處理功能，同時處理器的不斷發展也能夠帶動嵌入式數字控制技術的發展。

5 嵌入式技術數控系統應用開發中的硬件設計

數控系統中的嵌入式技術通常使用的硬件結構為ARM+DSP雙CPU結構，ARM通常使用32位RISC芯片，S3C2410，DPS通常使用32位高性能的MCX314As運動控制類的專用芯片。為了方便開發，可采用相關的S3C2410微處理器的SBC-2410X開發板為主要的控制板，在精簡的版面中（大約為120mmx×90mm）集成了64MSDRAM，64MNandFlash、IMBootFlashe、RJ-45網卡、輸入以及輸出、音頻、用戶按鍵和指示燈、SD卡插座、USBHost等設備接口。可使用2.0mm插針槽將CPU的信息導出，使其與PC及以及相關的外圍系統進行通訊，能夠適應產品以及項目的原型。設計運用了MCX314As運用控制芯片的運動控制板，這種控制板能夠相對復雜的運動控制。

參考文獻

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[2]林立明.高性能嵌入式數控系統通訊模塊的設計與實現[D].中國科學院研究生院，2012.

[3]郎平.基于嵌入式處理器的數控系統硬件設計與實現[D].杭州電子科技大學，2013.

作者單位

哈爾濱遠東理工學院 黑龍江省哈爾濱市 150025