基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究

舒希勇+王慶福

摘 要：ARM在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，把計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式數(shù)控技術(shù)結(jié)合在一起，是一種技術(shù)含量非常高的數(shù)控技術(shù)，在數(shù)控系統(tǒng)的研究中是一種新的嘗試。.本文對(duì)數(shù)控系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究，在ARM技術(shù)的技術(shù)上，提出了基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)需求分析對(duì)基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)

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

1 數(shù)控系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)分析

1.1 數(shù)控系統(tǒng)分析

隨著現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用越來越普及。數(shù)控技術(shù)是電子技術(shù)和自控技術(shù)的綜合應(yīng)用，通過數(shù)字信號(hào)來控制機(jī)械加工過程的一種技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了六個(gè)階段，第一階段的數(shù)控系統(tǒng)是在美國(guó)進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用的，并應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，數(shù)控系統(tǒng)的裝置都是采用電子管元器件，這個(gè)階段的數(shù)控技術(shù)不是很成熟，應(yīng)用領(lǐng)域比較小。第二階段數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展是在20世紀(jì)，隨著晶體管的研發(fā)和應(yīng)用，逐漸取代了電子管，數(shù)控系統(tǒng)中晶體管的應(yīng)用，提高了數(shù)控系統(tǒng)的安全性，數(shù)控系統(tǒng)被應(yīng)用于民用工業(yè)中。在第三階段的數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展階段，小規(guī)模集成電路的研發(fā)并應(yīng)用，進(jìn)一步的提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。以上三個(gè)階段的數(shù)控系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)的硬件數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)工作之前必須要對(duì)邏輯功能先進(jìn)行設(shè)計(jì)，只能完成一些固定的控制功能，數(shù)控系統(tǒng)的通用性還是比較低的。20世界60年代之后進(jìn)入到第四階段，美國(guó)把數(shù)控系統(tǒng)和小型計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制軟件的功能，第四代數(shù)控系統(tǒng)也叫做CNC系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)編制程序，機(jī)床數(shù)控設(shè)備完全有計(jì)算機(jī)取代了，計(jì)算機(jī)作為控制器，執(zhí)行機(jī)械生產(chǎn)的控制功能，CNC系統(tǒng)通用性好，并且應(yīng)用靈活。第五階段的數(shù)控系統(tǒng)是采用微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心處理器，提高了機(jī)械加工的質(zhì)量和效率。第六階段的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展以個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為代表，基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，這幾段是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新階段，主要特點(diǎn)是成本低，數(shù)控系統(tǒng)的核心是個(gè)人計(jì)算機(jī)，硬件成本大大降低了；具有開方放性和模塊化的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇功能模塊，方便系統(tǒng)功能的個(gè)性化管理；系統(tǒng)的軟件開發(fā)資源豐富；通信功能完善，計(jì)算機(jī)之間可數(shù)控系統(tǒng)以進(jìn)行很好的通信，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較成熟。在現(xiàn)代的機(jī)械制造領(lǐng)域中，數(shù)控系統(tǒng)是一種核心技術(shù)，一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平的重要的標(biāo)準(zhǔn)就是數(shù)據(jù)系統(tǒng)，所以數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用受到世界各國(guó)的高度重視。

1.2 嵌入式系統(tǒng)分析

嵌入式技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的一次新的革命，嵌入式技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)全稱是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)進(jìn)行使用，嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件和軟件進(jìn)行整合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為核心，主要特點(diǎn)包括嵌入式系統(tǒng)是面向用戶的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)功率損耗低，工作的實(shí)時(shí)性好，嵌入式系統(tǒng)的硬件兼容性好，并且配置了多種通訊接口，嵌入式系統(tǒng)的軟件使用周期長(zhǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。嵌入式系統(tǒng)可以在各種微型計(jì)算機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的使用率高，已經(jīng)應(yīng)用與很多領(lǐng)域，包括POS機(jī)設(shè)備、電子商務(wù)和家電信息等領(lǐng)域。

2 基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

我們要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的功能來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求及特點(diǎn)包括，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要具有強(qiáng)大的微處理器功能，可以進(jìn)行高速的計(jì)算機(jī)控制運(yùn)算，系統(tǒng)直接面向于用戶，為用戶提供了個(gè)性化的人機(jī)交互界面；系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的代碼編程，支持網(wǎng)絡(luò)和通信接口，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行很好的通訊；嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)要完善，復(fù)合運(yùn)行穩(wěn)定和強(qiáng)大的功能的要求，要有高速的控制精度；嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制要實(shí)現(xiàn)機(jī)械信號(hào)和異常情況的處理，并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的控制。嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵性部分是運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制芯片的研發(fā)周期要短，可以提高整體的運(yùn)動(dòng)控制能力，提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，使軟件的研發(fā)成本大大降低。嵌入式系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)控制芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的完成，可以加大研發(fā)進(jìn)度，我們要實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)動(dòng)控制就需要高性能的微處理器。

2.2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控層、OS層和硬件層三本部分組成。從基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看出嵌入式系統(tǒng)的硬件層包括ARM處理器硬件和運(yùn)動(dòng)控制芯片，ARM處理器硬件我們選擇ARM S2C44BOX。OS層也叫操作系統(tǒng)層，嵌入式操作系統(tǒng)采用的是源代碼公開的UC/OS設(shè)備，使系統(tǒng)的軟件控制更簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行多任務(wù)的處理。數(shù)控層軟件主要是數(shù)控系統(tǒng)的軟件匹配，包括運(yùn)動(dòng)控制芯片相應(yīng)的各種控制函數(shù)。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)具有一定的開放性，這也是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的時(shí)候要遵守可操作性、可互換性和可移植性的特點(diǎn)，通過對(duì)模塊的增加和減少來增減系統(tǒng)的功能。

3 基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件采用雙CPU的主從結(jié)構(gòu)，其中ARM處理器作為主CPU，主要用于計(jì)算機(jī)顯示器的輸出顯示，計(jì)算機(jī)鍵盤鼠標(biāo)的輸入和網(wǎng)絡(luò)通信等工作，主CPU對(duì)從CPU的控制主要是使用讀寫總線來完成的。PLC6044的運(yùn)動(dòng)控制芯片作為從CPU，從CPU負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)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(duì)總線上的幾個(gè)地址指令的讀取來實(shí)現(xiàn)的，總線還可以控制鍵盤和網(wǎng)絡(luò)等。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，ARM 控制器S2C44BOX 采用32位處理器，通過雙向信號(hào)線完成S2C44BOX和PLC6044之間的通信。伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)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(duì)信號(hào)的輸入和輸出進(jìn)行計(jì)算處理。編碼器實(shí)現(xiàn)的功能包括濾波和整形處理。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)可以包含多個(gè)CPU處理器部件，處理器是嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)整個(gè)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算處理任務(wù)。顯示器是系統(tǒng)顯示功能必須具備的，是用戶和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交互的主要設(shè)備，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)LCD控制器進(jìn)行了集成，并且提供了顯示器的接口，對(duì)顯示器的控制可以直接通過系統(tǒng)中的顯示器的接口就可以。上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行通訊主要是通過串口，在伺服驅(qū)動(dòng)器中也提供了這樣的串口，所以與驅(qū)動(dòng)之間的連接我們可以通過串口來實(shí)現(xiàn)。外部存儲(chǔ)器總線支持SDRAM閃存，閃存的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)安全性好，電源在關(guān)閉之后，信息仍舊可以保存在片內(nèi)，主要用于存放數(shù)控系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)的。

4 基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)把功能軟件和操作系統(tǒng)集成在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的一體化管理，這樣響應(yīng)速度快，自動(dòng)化效率高，并且編程的代碼小。在實(shí)時(shí)任務(wù)的體系中非常需要嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)只是控制循環(huán)的，使用簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用就可以了，但是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的提高，對(duì)操作系統(tǒng)的的需要變得非常重要了，所以嵌入式系統(tǒng)軟件控制的效果要取決于操作系統(tǒng)。機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)就是工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域的典型嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很強(qiáng)。傳統(tǒng)上的實(shí)時(shí)性比較高的控制系統(tǒng)一般不采用操作系統(tǒng)，而是使用循環(huán)控制。操作系統(tǒng)使用最大的問題就是內(nèi)核系統(tǒng)資源的嚴(yán)重?fù)p耗，目前許多實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)資源的占有率比較少，實(shí)時(shí)性的嵌入式系統(tǒng)被廣泛的開發(fā)。在嵌入式系統(tǒng)軟件的應(yīng)用中，實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)成為應(yīng)用的焦點(diǎn)。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件包括操作界面和數(shù)控接口。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中UC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一種多任務(wù)型的操作系統(tǒng)，具有任務(wù)管理和任務(wù)通信同步管理等功能，主要是采用C語言進(jìn)行編寫的，并且開放源代碼是公開的。UC/OS內(nèi)核可以管理實(shí)時(shí)任務(wù)，為系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)提供快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)方面起到了很大的作用。用戶操作界面采用個(gè)性化的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，采用的多任務(wù)模式。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件工作流程，首先要對(duì)處理器CPU進(jìn)行初始化處理，然后在對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行處理化，在開始建立進(jìn)行的任務(wù)，最后通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)具體的功能。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)復(fù)位后，程序代碼的首地址作為系統(tǒng)開始執(zhí)行的界點(diǎn)，程序首先對(duì)ARM系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行初始化操作，包括操作系統(tǒng)初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化等。我們采用函數(shù)庫(kù)的方式，簡(jiǎn)化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)PLC6044芯片的操作進(jìn)行統(tǒng)一的管理，函數(shù)庫(kù)包括設(shè)置速度和距離的參數(shù)設(shè)置函數(shù)，讀取當(dāng)前位置的狀態(tài)讀取函數(shù)，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，對(duì)停止和中斷進(jìn)行管理的管理函數(shù)。

5 總結(jié)

基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研究是現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)，基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行了有效的集合，并應(yīng)用于現(xiàn)代化的工作生產(chǎn)中。本文的研究對(duì)我國(guó)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究具有一定的借鑒作用，基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研究具有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：舒希勇（1977-），男，山東聊城人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。