嵌入式数控系统的设计和实现

李跃华，冯习宾

（1. 南通大学 计算机科学与技术学院，南通 226019；2. 桂林电子科技大学，桂林 541004）

0 引言

数控技术是当今制造业的核心技术，是发展高尖端技术和高新产业的关键。数控机床被视为战略物质和战备性工业备受高度重视。嵌入式技术的发展是近年来发展最快的技术，已经应用到生活的各个方面。目前，嵌入式技术已经开始广泛的进军工业控制领域。将嵌入式技术应用在数控机床上面，对新型的嵌入式数控系统进行研究和应用，可以与国外处于同一起跑线。对我国数控技术的发展具有十分重要的推动意义。本文提出了基于工业级ARM微处理器S3C2440和DSP专用运动控制芯片MCX314As，设计一种四轴三联动的开放式经济性数控系统。该数控系统不仅具有成本低、加工精度高、响应速度快等优点，而且具有很好的可移植性和裁剪性，是对新一代开放式经济数控系统标准的探索和研究。嵌入式数控技术在数控领域将有很好的应用前景，对我国制造业整体水平的提高有积极的推动作用。

1 基于ARM的嵌入式数控系统结构模型

1.1 数控系统结构模型

在本设计方案中采用S3C2440作为主CPU负责数控系统各个任务的管理调度，运动控制芯片MCX314As作为从CPU完成数控加工所需要的复杂运动控制。采用专业级的运动控制芯片可以大大缩短数控系统的研发周期、提高控制系统的性能、减少研发成本和工作量等优点。嵌入式数控系统的模型如图1所示，该嵌入式数控系统模型由上到下有三部分组成，

分别是硬件层、操作系统层和运动控制软件层。底层硬件层采用Samsung公司的CPU处理器S3C2440，中间层为嵌入式数控系统的操作系统层，采用源代码开放的Linux操作系统，并根据数控系统的要求对内核进行了相应的裁剪，提高了数控系统的实时性。顶层是运动控制系统的匹配软件，主要包括编写的各种控制函数，如运动控制芯片的控制库函数等。

图1 嵌入式数控系统模型图

1.2 数控系统的硬件结构

CPU处理器选用Samsung公司的S3C2440处理芯片。 S3C2440是一款基于ARM920T内核的32位RISC架构的处理器，其体积小、低功耗、成本低、性能高，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。主频最高可达533MHZ，运算速度快，片内集成度高，可以很好的对数控系统进行多任务操作。

远动控制芯片选用日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314As。MCX314As是一种功能比较强大的专业级运动控制芯片。芯片能够实现对四轴控制，可以对任意两轴进行直线和圆弧插补。在实际运用时可以把所有极其复杂的实时运动控制工作交给MCX314As芯片来处理，而主机CPU只需要向MCX314As芯片发出一系列的控制指令便能实现各种复杂的运动。

该嵌入式数控系统的硬件结构采用主从CPU结构模式。其中主CPU为ARM处理器，用于数控系统各个任务的调度和管理工作，而从CPU为MCX314As运动控制芯片，专门负责数控系统运动控制的处理工作。控制系统硬件结构如图2所示。

图 2 控制系统硬件结构

1.3 ARM处理器与运动控制芯片的连接

ARM处理器S3C2440与运动控制芯片MCX314As的连接电路如图3所示。

图3 S3C2440与MCX314As的接口电路

MCX314As控制器的时钟频率由外部提供，采用默认的16MHz。数据线和读/写信号直接受S3C2440芯片相应的数据线和读/写信号控制，由于我们使用的是16位数据线的传输，所以MCX314As芯片的H16L8引脚必须接上高电平。由图中可以看到，在那些互相连接的信号线之间都隔着一些写着“SN74ALVC164245”的芯片，那是因为S3C2440的I/O引脚的工作电压是3.3V的(按道理可以承受5V电压)，而MCX314As的工作电压是5V，为保险起见，同时也为了增加信号之间传输的可靠性，我们在两者信号连接时加入了这“SN74ALVC164245”的芯片来实现电平的转换，同时驱动信号。

2 数控系统软件框架

为了充分利用数控系统的硬件资源，确保数控系统的实时性，采用了Linux这个多任务实时性强的操作系统。根据数控系统的要求，对Linux内核进行了适当的“裁剪”，进一步提高了数控系统的实时性。通过Linux操作系统可以实现数控系统的实时多任务控制。控制系统的软件结构图如图4所示。

图4 数控系统软件结构图

3 嵌入式数控系统的调试

成功的设计好MCX314As运动控制板以及在Linux操作系统下编写调试其驱动程序后，就可以对嵌入式数控系统进行仿真调试。MCX314As是寄存器控制型芯片，所有对MCX314As的控制都是通过读写其内部寄存器来实现的。S3C2440通过总线往MCX314As写入数据，再读出该寄存器的值，经过比较就可以确定MCX314As工作是否正常。当读写测试通过后，就可以往MCX314As写入简单的运动控制命令，通过示波器观察波形来确定MCX314As的运动控制是否正常。

通过编写简单的X、Y2轴直线插补程序，来验证设计的数控系统正确性。以下是编写的应用程序，其功能是实现起点为（0，0）终点为（8，4）的直线插补。

WR5←0004h；将ax1设为X轴，将ax2设为Y轴

WR6←1200h；范围：8 000 000(M=1)

WR7←007Ah；

WR0←0100h；

WR6←01F4h；初始速度：500 PPS

WR0←0104h；

WR6←03E8h；驱动速度：1 000 PPS

WR0←0105h；

WR6←0008h；X轴终点：8

WR7←0000h；

WR0←0106h；

WR6←0004h；Y轴终点：4

WR7←0000h；

WR0←0206h；

WR0←0030h；置2轴直线插补命令

把该程序下载到ARM9主控板中，运行嵌入式Linux，运行驱动，控制MCX314As运动控制板。图5为X、Y直线插补理论轨迹及脉冲波形图，图6为通过示波器测量的X、Y轴直线插补实际脉冲波形图。

根据以上例子中程序以及所得到的结果，大致可以说明设计的嵌入式数控系统是可以正常运行的。

图5 X、Y轴直线插补理论轨迹及脉冲波形图

图6 X、Y轴直线插补实际脉冲波形图

3 结束语

MCX314As是一款功能强大高度集成化的运动控制芯片，实现四轴三联动的位置、速度加速度控制和直线、圆弧、位元3种模式的连续插补和位置闭环控制。ARM处理器S3C2440是工业级高性能处理器，具有强大的32位RISC性能，体积小、功耗低等特点。采用专业运动控制芯片和ARM处理器能的嵌入式数控系统设计能大大减轻研发任务，加快研发速度，能够在较短时间内开发出性能优良的数控系统。而经过适当“裁剪”的Linux系统加入，使得数控系统能更好的进行多任务处理，极大的提高了系统的实时性。

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[2] 余张国.基于ARM和MCX314A的嵌入式运动控制器,微计算机信息,2005.

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