嵌入式数控系统的体系结构与系统设计（下）

    3．3 现场总线CAN通信模块

    上下位机之间的通信通过CAN总线进行，这是一种多主方式的串行通信总线，使用独特的位仲裁技术，通过报文滤波即可实现点对点、点对多点以及全局广播等方式收发数据，信号使用差分方式传送，具有高抗干扰能力，通信速率可达1MB／s，报文信息带有优先级和节点标志，可满足不同的实时要求。

    使用ARMl0微控制器芯片上的SPI总线，可以连接CAN总线控制器MCP2515，产生收发信号，通过CAN总线收发器MCP2551，即可将成帧的报文信号传送的CAN总线上，实现实时通信。

    以上的各个模块电路，需要设计相应的驱动程序，加入到嵌入式操作系统的硬件驱动中，然后在应用程序中，通过硬件驱动来调用。

    3．4 软件架构设计

    基于嵌入式Linux操作系统，在上述硬件设计及其驱动开发基础上，采用MiniGUI图形用户界面开发软件，将操作系统及底层的硬件驱动通过可移植层给以抽象，上层的数控应用编程接口就可以通过MiniGUI提供的API以及ANSI C库实现数控软件的程序设计。

    采用基于进程机制的MiniGUI运行模式，可以实现数控系统的多任务控制。同时运行数控加工代码的编辑、编译，伺服进给，I／O信号的PLC逻辑控制，加工状态的实时显示以及故障的监控与诊断等。

    3．5 样机与调试

    将上述设计研制的嵌入式数控系统，连接4台伺服电动机的驱动电路，再与作者自主研制的4轴数控工具磨床的机械结构连接，构成4轴嵌入式数控工具磨床原型机如图5所示。

图5 四轴嵌入式数控工具磨床原型机

    在研发的嵌入式数控工具磨床上，进行性能测试和试磨运行，实验证明系统运行平稳，主频高，脉冲响应快，结合FPGA硬件插补技术可使信号实时响应能力达2ms水平，可适应速度达30～40m／min的多轴联动伺服进给控制要求，适应较高功能水平要求的数控应用要求。

4 结论

    本文将数控技术与嵌入式系统相结合，提出了嵌入式数控系统的体系结构，采用ARMl0嵌入式微控制器设计了基于CAN现场总线的多轴联动嵌入式数控系统，并应用于4轴工具磨床的伺服控制，设计和测试结果表明：

    嵌入式数控系统具有优越的系统资源可配置性能，通过软硬件裁剪，可获得无冗余结构的高集成度数控系统。

    嵌入式微控制器，主频高，基于精简指令集工作，功耗低，片上资源丰富，支持多数的嵌入式操作系统，控制功能强，结合FPGA硬件插补技术，能达到2ms的响应能力，确保嵌入式数控系统中实时而又可靠的功能控制。

    基于工控应用场合的ARMl0微控制器PXA．275，目前市场推广价格，已与单片机相当，组成的嵌入式数控系统性能价格比高，有推广价值。基于源码开放的Linux系统，采用通用的C／C++结合ARM汇编语言，结合嵌入式系统的驱动开发，能够充分利用联网资源，具有开放性，设计出的多轴联动的数控系统，拥有自主知识产权。

    在基于工控应用的ARMl0内核的PXA275芯片上，通过接口开发，结合相应的接口芯片，研制出一套基于CAN总线结构的多轴联动的数控工具磨床，控制性能好，工作稳定可靠，可实现复杂刀具的磨削加工。目前该系统的控制功能结合着课题研究还在继续开发和完善中。