基于ARM及嵌入式Linux的线切割数控系统开发

引言

    目前国内线切割加工数控系统通常是在通用PC平台上使用Dos或Windows操作系统进行开发和运行。由于PC硬件结构复杂、可靠性差、体积大、功耗大等原因，不但严重影响了机床的运行稳定性，而且其硬件资源浪费严重。DOS操作系统功能也过于单一，已经远不能满足当前数控系统的要求，一些企业曾经尝试采用Windows为操作系统平台来开发用户友好、易操作性强的电加工数控系统，但是由于安全性、开放性、可靠性等原因，使得开发者难以在这一封闭的操作系统平台上获得低成本的有效解决方案。

    ARM是32位高性能的微处理器，相比于传统PC处理器具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高等特点，同时又兼有后者开发资源丰富、界面友好等优点，极其适合嵌入式系统开发。

    Linux是著名的自由开源操作系统，以其可裁减性、易移植性而被广泛应用于各种嵌入式控制设备中，大大节约了开发成本。目前，在国内外已有基于Linux平台开发数控系统成功案例，如德国PA公司的PA 8000 LX数控系统、美国的开源项目EMC-2系统，国内的有清华大学开发的VACS- BI系统。

    因此，采用ARM9处理器和单片控制器为硬件平台，基于开源的Linux操作系统平台进行嵌入式线切割数控系统开发，不但硬件上结构简单，易于实现，而且软件开发上资源丰富、开源。系统总体上性能稳定、健壮，开发成本低，符合开放式数控系统的要求，扩充功能模块方便，极具市场竟争力，是一种应用前景广阔的有效技术方案。

1 线切割加工数控系统硬件结构体系

    采用ARM9微处理器作为主控板，配合外围接口电路扩展板，形成线切割加工数控系统的硬件开发平台。主控板主要实现数控系统人机界面、插补控制、代码解释及外部通信等模块，同时兼有步进电机运动控制、脉冲电源控制、机床逻辑控制等功能;其中人机界面模块包括了文件操作、图形显示、参数设置以及系统管理和维护等功能。

    控制脉冲电源、步进电机、顺序控制等硬件接口采用单片控制器来实现，单片机与上述数控系统采用串行通信连接。数控系统结构，如图1所示。

2 基于ARM的嵌入式Linux系统的构建

    从软件系统的结构层次上，嵌入式Linux系统基本上分为引导加载程序，Linux内核，文件系统和用户应用程序4个主要部分，其中Bootloader是系统的运行起点，作用相当于PC机启动中的BIOS引导程序;Linux内核是整个Linux系统的灵魂，负责整个系统的内存管理、进程调度和文件管理;根文件系统也是不可缺少的一部分，它完全独立于内核，基本上由目录、Shell、库、脚本4个部分组成;用户应用程序就是由用户自己开发，交叉编译后能够在ARM板运行的程序。

    作为嵌入式Linux应用软件的开发和运行平台，嵌入式Linux操作系统需要根据硬件设备进行裁剪和定制，以达到既满足开发系统功能的需要又没有过多冗余资源的目的。

图1 数控系统结构

3 交叉编译环境的建立

    ARM开发板由于本身硬件资源所限，必须借助于PC机进行应用程序的开发，但ARM系统体系结构完全不同于x86系统，所有的程序必须在PC主机上经过交叉编译后，再下载至开发板上运行。嵌入式应用软件交叉编译开发过程，如图2所示。

图2 软件交叉编译过程