基于嵌入式硬软件技术的数控系统开发设计

　　目前，基于PC 的开放式数控系统是数控技术开放式架构的主要实现方式，这种实现方式主要是考虑利用工业PC 丰富的系统资源和业已标准化的接口来简化数控系统的设计，降低数控系统开发的技术难度,并使设计出的数控系统具有一定的开放性，但这种体系结构也存在很大的局限性，主要体现为: ①系统实时性和稳定性较差; ②系统的开放性有限; ③工控机模式数控系统的成本太高。笔者提出在数控系统的设计中采用嵌入式技术,即基于微控制器的嵌入式数控系统，这种设计方案的优势在于: ①市场上可供选择的嵌入式微控制器种类繁多，片上资源丰富，针对不同的应用，其片上集成资源有很大不同，完全可以选择一种片上资源和运算速度都相对非常适合数控系统设计的MCU 和DSP来构建数控系统的硬件平台，这种硬件平台的设计可以使系统集成度更高，体积更小，运行更稳定; ②数控系统的运行是一个多任务的调度过程，特点是运行任务相对较少，但实时性要求很强，不存在冗余的任务，而采用RTOS作为嵌入式数控系统的操作系统，将使数控系统拥有更好的多任务调度能力和更强的实时性;③嵌入式数控系统的开发是一个从底层硬件到上层软件的独立开发过程，可以针对当今数控系统特点和开放性的特征要求，根据嵌入式系统的特点，来构建适合于嵌入式应用的数控系统开放式架构，与基于PC 的数控系统相比，它将有更好的稳定性和开放性。

1 基于MCU + DSP双CPU 架构的硬件平台搭建

　根据数控系统多任务的运行特征，针对系统任务运行实时性的特殊要求，以及嵌入式系统的特点，文中采用MCU + DSP的双CPU 架构来构建嵌入式数控系统的硬件平台。 MCU 的主要功能是负责运行系统中与管理相关的任务，是系统的主控制CPU; 而DSP 主要负责运行插补运算等运算量较大、对任务的实时性要求较高的任务，专用于繁重的插补运算，减轻主控制CPU 的负担。 本数控系统的设计，MCU 选用MOTOROLA公司生产的MC68K 系列的MC68F375微控制器，DSP则选用NOVA 生产的DSP运动控制专用芯片MCX314。

　　1.1 嵌入式微控制器MC68F375简介

　　MC68F375是由MOTOROLA 公司推出的高速32位微控制器，它具有速度快、并行处理能力强和片上资源丰富等特点，适用于各种控制场合。 芯片支持BDM(background debug mode)模式，通过简易的专用电缆接口，可以直接对微控制器系统进行仿真开发; 也可采用全功能的在线仿真器进行实时开发。 同时,MC68F375非常适合运行多用户、多任务操作系统，使其更容易做到不死机。

　　MC68F375的片上资源主要包括: 系统集成模块(SIM ) ; 8 KB 掉电保护SRAM; 8 KB 掩模ROM; 10位队列式的模数转换器(QADC64) ，16路A /D 转换模块具有强大的数模转换控制功能; 队列式串行通信模块(QSMCM) ，可以方便地实现同步、异步通信功能; 可构造时钟模块(CTM4) ，具有多种强大的定时、计数和脉冲调制功能; 时间处理单元(TPU ) ，分辨率高达250ns，可对各种事件进行快速的智能处理，同时集成PWM 算法及各种输入捕捉算法; CAN 控制模块( TouCAN ) ，能方便地实现工业自动化等场合的现场总线控制。

　　1.2 DSP专用运动控制芯片MCX314简介

　　MCX314是NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片，性能优良，接口简单，编程方便，工作可靠，可广泛用于数控机床及机器人等领域的运动控制。芯片能与8位或16位数据总线接口，通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控，实现直线、圆弧和位元3种模式的轨迹插补，输出脉冲频率最高达4MH z。 每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独立设置为恒速、线性或S曲线加/减速控制方式，并有2个32位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器,实现位置的闭环控制。

　　与通用DSP相比，MCX314更适合数控系统的设计，是一种专用的运动控制芯片，主要表现在3方面:① 插补算法(三轴直线、平面圆弧和位模式插补)、运动控制和位置控制主要由硬件来实现，主控制CPU 通过接口对MCX314进行相应的工作方式、速度和加速度的设置，然后将运动的起点和终点传送给MCX314,之后不再需要主控制CPU 的干预就能自动完成从起点到终点的插补运动控制，减少了运行过程中与主控制CPU 频繁的数据交换，也减少了相应软件的设计,缩短数控系统的开发研制周期，且能提高系统的运行速度; ②片上集成有专用于运动控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可简化数控系统的硬件设计，提高系统运行的稳定性; ③与主控制CPU 之间的通讯简单,易于协调，对主控制CPU 来说，MCX314更像是一个外围功能芯片，通过设置一定的地址和读写控制字就能实现对MCX314的控制。

　　1.3 嵌入式数控系统硬件平台的搭建

　　图1为本文研究的嵌入式数控系统硬件平台模块图，以MC68F375和MCX314为硬件平台的核心，根据数控系统的功能特点和工作特性要求，分别扩展了如下多种功能模块。

图1 嵌入式数控系统硬件平台模块

　　(1) 扩展FLASH 模块，MC68F375片上集成有8K字节的掩模ROM，但这对于数控系统的运行是远远不够的，必须进行片外扩展。 在系统设计中，主要是在片外扩展了2片512K字节的FLASH，主要用于存储系统运行所需的程序代码，语言字库，需要断电和长期保存的系统参数、刀具参数、补偿参数、机床参数以及数控加工程序等。

　　(2) 扩展RAM模块，虽然MC68F375片上集成有8K字节的SRAM，但由于数控系统不同于小型的嵌入式系统，在运行过程中需要有充足的RAM 空间，特别是由于运算和RTOS的多任务调度以及文件系统的运行都将产生大量的堆栈、全局变量和局部变量，而且由于系统内置软PLC( PLC的内部继电器R、定时器T 和计数器C)的运行也将占用一部分RAM 空间，因此在数控系统设计时，在片外扩展了2片512K字节的静态高速RAM，用于扩展RAM空间，增强系统的运行效率和实时性。

　　(3) 时钟控制模块，也就是日历系统，需要在系统断电时能够长时间的保持日历的工作状态。 当系统工作时，进行到文件相关操作时，如在数据传输或用户在对系统进行编程、二次开发时，都需要数据以文件的形式进行存储或传输，需要记录下文件编写的日期，以便文件系统的管理。

　　(4) LCD控制模块，主要用于完成液晶显示的控制刷新和与CPU32的数据交换，将机床的当前状态、系统信息、坐标信息、参数信息和图形仿真信息等通过LCD向用户显示出来，属人机交互的一部分。

　　(5) 键盘控制模块，它是数控系统交互的重要环节，键盘扩展电路有多种实现方式，设计采用CPLD 来实现专用键盘接口芯片的设计方案，这种设计方案，既保证了设计的通用性和灵活性，同时所有的键值判断等可通过CPLD 编程来实现，最大限度节省了MC68F375的资源。

　　(6) 数据采集模块，当今的数控系统越来越重视对现场加工条件和机床工作状态的实时监控和诊断，本系统数据采集模块设计主要是基于MC68F375片上集成的16 路QADC，外加抗混滤波单元和信号调理单元。

　　(7) 主轴控制模块，由D /A控制芯片和编码器反馈高速输入口组成，能够完成对单极性和双极性模拟变频主轴的控制。

　　(8) 网络通讯模块，为了适应数控系统网络化的发展趋势和数控机床远程控制和远程诊断的发展需要，设计采用Realtek公司的10Mbps网络通讯芯片RTL8019进行系统网络接口模块的设计，为机床的网络化提供了硬件基础。

　　(9) CAN 总线接口，主要由CAN 总线收发器和光藕元件组成，与MC68F375 片上集成的TouCAN 模块一起构成数控系统CAN 总线通讯功能的硬件基础。

　　(10) BDM 调试接口，用于数控系统的开发调试阶段，在上位计算机上，开发人员通过BDM 可方便地对数控系统进行开发调试。

　　(11) COM 串行接口，主要利用MC68F375 片上集成的QSM 的SC I子模块，外加芯片驱动电路(如MAX238等) ，构成数控系统与个人计算机之间串行通讯的硬件基础。

　　(12) I/O接口，主要完成内置PLC对外部机床电气的控制，电机控制输出和其他功能模块的对外输出,由驱动元件、继电器元件和光耦隔离元件等组成。通过上面对嵌入式数控系统硬件框架的搭建和各个硬件功能模块的分析可知，本文设计的嵌入式数控系统除保留了传统数控系统的功能外，特别加入了数据采集模块、网络通讯模块和CAN 总线通讯模块，通过这3个模块，设计出的数控系统能很方便地实现与现场其他设备的总线连接和网络通讯，更易于实现数控设备的远程诊断、监控以及网络化和数字化制造。