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基于ARM和CPLD的开放式数控系统设计

发布时间:2014-11-04 作者:佚名  来源:测控网
关键字:ARM CPLD 开放式 数控系统 
随着工业自动化技术和数控技术的飞速发展,数控系统的功能得到了极大的扩展。用户对数控系统提出可联网、开放性等更高的要求。开放性是数控系统未来的发展趋势。开放式数控系统的核心是建立一种对数控系统的软硬件开发商、机床制造商和最终用户都开放的体系结构和标准,使数控系统不依赖于特定的厂家,达到可互联、可互操作、可重组和可互换的目的。

  随着工业自动化技术和数控技术的飞速发展,数控系统的功能得到了极大的扩展。用户对数控系统提出可联网、开放性等更高的要求。开放性是数控系统未来的发展趋势。开放式数控系统的核心是建立一种对数控系统的软硬件开发商、机床制造商和最终用户都开放的体系结构和标准,使数控系统不依赖于特定的厂家,达到可互联、可互操作、可重组和可互换的目的[1]。基于工业PC的开放式数控系统已得到广泛运用,它能够快速开发出独具特色的软件系统,具有良好的人机界面,但资源利用率不高、体积较大、携带不方便。ARM、CPLD和DSP等微处理器的快速发展,为开放式数控系统的发展提供了新的实现方法[2]。

  ARM 具有较强的事务管理功能,可以运行具有良好人机界面的多线程应用程序,其优势主要体现在程序控制上。CPLD具有较强的逻辑运算能力,可用于进行插补运算及运动控制等。Windows CE是嵌入式实时操作系统,其独特体系结构和运行机制使其能够快速响应外部中断,并调度相关程序进行处理[3],可以满足数控系统的实时性要求。本文提出一种基于ARM9和CPLD的开放式数控系统。该系统中ARM9移植了Windows CE嵌入式操作系统,通过开发应用程序实现信息输入、运动显示和粗插补等功能; CPLD实现精插补和运动控制。整个系统具有结构紧凑、集成度高、可靠性强和友好人机交互等特点。

1 系统设计

  1.1 系统硬件设计

  本系统ARM采用SAMSUNG公司的S3C2410,CPLD采用ALTERA公司FLEX6000系列的EPF6016。系统硬件结构如图1所示。

系统硬件结构

  S3C2410 内部资源丰富,可嵌入Windows CE操作系统,并进行复杂的信息处理。系统以LCD和触摸屏为人机交互装置,采用10 MB的以太网接口芯片CS8900A,可连接到Internet或局域网。在PC机上生成的CAD文件通过以太网或SD卡输入到处理器中。系统采用 NANDFLASH存储数据和程序。

  EPF6016是ALTERA公司为大容量设计提供的一种低成本可编程交织式门阵列,共有16 000个可用门、1 320个逻辑单元、117个I/O引脚,每个I/O引脚都有独立的三态输出使能控制。EPF6016接收ARM的插补指令进行精插补,输出控制信号,并采集编码器的反馈信号和限位开关零点开关的状态信号。

  本系统将EPF6016直接连接到S3C2410的存储总线上。S3C2410与EPF6016之间依靠24位数据总线和8位地址总线进行指令和数据的传输,提高了通信效率。S3C2410与EPF6016之间的总线还包括了片选信号线、读写控制信号线和中断信号线。

  1.2 系统软件开发

  本系统软件开发包括Windows CE应用程序开发和CPLD程序开发。采用C#语言开发Windows CE应用程序,采用VHDL语言开发CPLD程序。系统软件结构如图2所示。

系统软件结构

  Windows CE应用程序是基于多线程的。应用程序包括信息输入、译码、运动显示、故障管理、电机启动停止和插补等功能模块,每个功能模块都是一个独立的线程。信息输入、译码是非实时任务,线程优先级设为默认值251;故障管理、电机启动停止是实时非周期性任务,属于弱实时任务,线程优先级设为247,即用户态实时级别;插补、运动显示是实时周期性任务,属于强实时任务,线程优先级设为3,即核心态实时级别。

  CPLD外接40 MHz时钟,程序中使用的所有时序均由该时钟分频而得。本系统采用基于数据采样法的粗精两级插补结构,插补周期为8 ms,采样周期为4 ms。因此中断程序和精插补程序基于125 Hz时序运行;数据采样、故障监测和速度位置控制基于250 Hz时序运行。

  系统数据传递如图3所示。插补是本系统的一个重要环节,因为插补直接影响系统的实时性、运动控制和加工精度。从图3可见粗插补计算结果从应用程序传递到操作系统内核,再由内核发送到CPLD进行精插补运算。由于插补是一项硬实时任务,因此数据传递必须实时准确。ARM与CPLD之间以中断方式保证通信的实时性。而应用程序和操作系统内核通信的实时性则由操作系统的实时性保证。

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