一种嵌入式数控系统的体系结构与系统设计

李芳

摘 要：本文详细阐述了基于ARM的嵌入式数控系统结构模型，分析了嵌入式数控系统的可重构功能，探讨了嵌入式数控系统的实现方案与测试方法。本文为研究数控技术新的发展方向和技术改进奠定了基础，具有一定的参考价值。

关键词：嵌入式数控系统；体系结构；系统设计；可重构功能；实现方案；测试方法

中图分类号：TP391 文献标识码：A

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

该设计方案利用S3C2440作为主CPU对数控系统中的各项任务进行管理及调度。因为采用专业级别的运动控制芯片有利于减短控制系统的研发时间，改善控制系统的性能，减轻繁重的工作量、降低研发所需要的成本。因此，该设计方案选用日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314As作为控制芯片，对复杂的数控是加工运动进行控制。

该嵌入式数控系统主要由硬件层、操作系统层、运动控制软件层三大部分组成，其中，底层硬件层以三星公司的S3C2440作为CPU处理器；中间层是代码开放的Linux操作系统，属于嵌入式数控系统的操作系统层，为了提高该数控系统的实时性，改善操作性能，其内核按照数控系统的要求做了一定裁剪；至于顶层是包含运动控制芯片的控制库函数等各个控制函数的控制系统所需的匹配软件。

1.2 数控系统的硬件结构

该系统采用的三星公司的S3C2440处理器具有体积偏小、功耗较少、成本偏低、性能较好等优点，该处理器是基于ARM920T内核的32位RISC架构的处理器，其支持支持Thumb（16位）和ARM（32位）双指令集，可以有效兼容8位和16位的器件。该CPU处理器运算速度相当快，主频最高可达533MHz，能够充分适应多任务操作下的数控计算。该嵌入式数控系统采用的运动控制专用芯片MCX314As具有极高的控制性能，能够对四轴进行控制，可以实现对任意两轴的圆弧和直线插补。在运转过程中，主机处理器仅用向该芯片下达各种复杂的指令，MCX314As芯片按照指令完成一系列的操作和处理。在该嵌入式数控系统中，其硬件中包含了主CPU和从CPU，使用的是主从CPU硬件结构模式。其中，主CPU是对各项任务进行管理和调整的ARM处理器，从CPU是控制数控系统运动方式的MCX314As专用运动控制芯片。该系统的硬件平台如图1所示。

1.3 ARM处理器与运动控制芯片的连接

运动控制专用芯片MCX314As的时钟频率为16Hz，由外部直接提供。S3C2440的数据线以及读、写信号直接控制相应的数据线以及读、写信号。因为在该系统中选用16位数据线进行传输，故而必须在运动控制专用芯片MCX314As的H16L8引脚上接入高电平。图2为S3C2440与MCX314As的接口电路图，由图可以看出，为了保障安全，增强信号传输可靠性，实现电平转换，驱动信号，在信号连接两者间加有写着“SN74ALVC164245”的芯片。

1.4 数控系统的软件结构

为了确保该系统的实时性，同时也为了使数控系统的硬件设施得到充分利用，该嵌入式数控系统运用了Linux操作系统。该操作系统按照相关要求做了适当裁剪，能够对数控系统进行实时多任务控制，其时效性相当高。

2.嵌入式数控系统的可重构功能

通常情况下，对于中央处理单元，嵌入式系统多采用精简指令集计算技术。然而，在使用专用芯片以及运用微处理机方法时，人们渴望能够拥有性能良好、运算迅速、可靠性强，并且具备高度柔性和强大编程功能的新技术、新方法，这也就是嵌入式系统的可重构功能。

所谓可重构，即是利用可重构的相关资源对计算平台进行重构或重组，包括了各类硬件、软件的可重构。拥有可重构的有关资源是进行重构的基础，而满足人类不同的应用需求是进行重构的目的。在没有FPGA的时候，通常是对功能部件进行重用，以实现计算系统的重组。而在FPGA出现以后，通常是将基本的门、线资源进行重用，通过有关配置文件，对门的性质进行设定，对线的连接方式进行定义，从而实现了硬件功能的变化。

因为嵌入式数控系统所具备的重构功能和硬件、软件能够裁剪的特征，因此极其有助于实现网络数字控制技术，并且为网络数字系统的设计和应用奠定了基础与捷径。

3.嵌入式数控系统实现方案与测试

3.1 实现方案设计

中央数控单元控制运行ARM，在ARM上对主要数控技术进行运作，但是刀补、插补以及间隙补偿应当除外。注意将ARM与显示以及有关键入装置相连接，以实现人与机的交互。插补代码经编译之后应当通过串口发至DSP，ARM需要执行M、S、T指令，逻辑控制指令需要经过异步串行总线MOD BUS发至PLC，系统的监控由总线负责，与外部网络的连接由ARM负责，进而完成对整个数控系统的网络化开发、运行、管理、调试、诊断以及监控，等等。

3.2 系统测试

在完成MCX314As运动控制板的设计和在Linux操作系统下编写好调试、驱动程序以后需要对该嵌入式数控系统进行一系列的仿真调试。因为MCX314As属于寄存器控制型芯片，其是通过读或写内部寄存器来实现控制的。MCX314As写入的数据来自S3C2440通过总线输入，由此可以读出寄存器的值，再通过比较可以对MCX314As的工作状态进行判别。为了验证该嵌入式数控系统是否正确，需要编写相应的X、Y2轴直线插补程序，最终经过示波器反应实际的脉冲波形图，可以确定该嵌入式数控系统是正确的，能够正常运行。

结论与思考

本文介绍了一种基于ARM的嵌入式数控系统结构模型，研究分析了嵌入式数控系统的实现方案与测试方法。在今后的研究工作中可以借鉴本文思想，从资源共享角度考虑，大力增强数控系统的开放性。

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