基于ARM的嵌入式数控系统方案研究与应用

引言

    在本方案中，硬件平台以ARM架构的处理器为核心，操作系统采用Windows CE．NET(WinCE)。ARM架构处理器是RISC型处理器，具有开发移植容易，体积小，功耗低，运算速度快，实时性能好等优点。WinCE操作系统具有友好的操作界面、良好的配套开发环境及其实时性能。这样就使数控系统具有更高集成度、更高可靠性、更低成本、更友好的控制操作界面、更多系统资源和更大内存成为可能。本文主要分析了其软硬件平台的搭建，而重点又放在了软件平台的构建上。

1系统的硬件平台开发

    硬件平台采用Intel XScale PXA255处理器，该处理器采用的是ARM的V5版架构。其特点在于超级流水线设计、DSP处理和指令设计中的改进。本平台以此处理器为核心，添加诸多外围模块，搭建成集中式数控系统的硬件体系结构，其框图如图1所示。

    进给控制接口是数控系统和进给伺服系统的桥梁，可连接多种电机伺服单元，其形式一般有串行式接口、脉冲式接口、模拟式接口等。本方案采用脉冲式接口。它使用脉冲信号传递位置指令，可控制各种步进电机驱动装置、脉冲接口交直流伺服驱动装置。其特点是通用性强，信号传递抗干扰能力强，不会发生漂移，构成全闭环需要在驱动装置中完成。主轴接口连接数控系统与主轴驱动单元，再配合PLC输入／输出接口，即可连接各种主轴驱动单元。它包含两个部分：主轴速度控制输出和主轴编码器输入。本方案其亦采用脉冲式接口。

图1 数控系统的硬件体系结构

    PLC采用内置式，它的功能由单片机(C8051F123)和门阵列来实现，其硬件结构如图2所示。单片机是PLC的主要部分，是进行运算和控制的中心；门阵列中主要包括输入输出点寄存器、SPI接口和双口RAM。另外，处理器和单片机通过挂接在总线上的双口RAM进行数据通信。单片机的在线系统编程通过UART实现。PLC控制程序完全由单片机来执行，数控系统处理器几乎完全不参与，因此PLC控制程序不再需要作为数控系统软件的一个任务参与内核调度。

2 系统的软件平台开发

    该平台采用的是WinCE嵌入式实时操作系统。它较之以前的版本，大大增强了实时性、快速系统启动、中断处理等方面的性能，正适应了自动控制的最重要需求——“时间掌控，实时反应”。但该实时操作系统的实时性属于软实时，而我们数控系统需要的是硬实时，因此，为实现数控系统的实时性，我们更需要对硬件进行合理的配置，而不能单纯由操作系统来保证。

图2 内置式PLC结构

    在实时操作系统上进行数控系统软件开发具有许多优点：①弱化功能模块间的耦合关系；②系统的开放性和可维护性好；③可减少系统开发的工作量。数控系统软件是一个典型的实时系统。任务是可并行执行的程序在一个数据集合上的运行过程。数控系统的任务一般可以分为管理任务和控制任务。管理任务主要承担系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、显示、诊断等子任务；控制任务主要完成数控系统的基本功能：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。这些任务按照实时性要求可分为强实时任务(包括实时突发任务和实时周期任务)和弱实时任务。实时突发任务具有随机性和突发性，一般实时性要求很强；实时周期性任务精确地按一定的时间间隔发生；弱实时任务的实时性要求较弱，只需保证在某段时间内得以运行即可。

图3 数控系统软件结构

    如图3所示，数控系统软件主要模块有：伺服驱动及控制模块、轴控制模块、轴联动控制模块、细插补器、粗插补器、G代码解释器、PLC驱动模块、操作界面及其文件系统。按任务的重要性和实时性，将这些任务由高到低分配优先级。实际上，数控软件的各个任务基本都是一个中断处理的过程。