基于ARM和CPLD的开放式数控系统设计

　　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，采用中断方式保证通信的实时性。中断信号由CPLD每隔8 ms定时产生。当接收到CPLD的中断信号时，ARM把粗插补计算结果写入CPLD的固定地址。CPLD从固定地址读取数据计算脉冲数，输出脉冲信号，完成运动控制。本系统的中断控制分成3部分：Windows CE中断服务、应用程序中断响应程序和CPLD程序。

　　2.1 Windows CE中断服务

　　Windows CE是实时操作系统，其实时性体现在6个方面：(1)具有256个线程优先级;(2)应用程序可以控制提供给每个线程的时间片，计时器精确到1 ms;(3)优先级倒置处理机制;(4)支持嵌套中断;(5)中断延迟时间短;(6)更细粒度的内存管理控制[4-5]。Windows CE以上机制特别是中断体系保证了数控系统的实时性。

　　Windows CE的中断体系包括核心态的中断例程ISR和用户态的中断线程IST两部分。ISR主要响应中断请求，识别中断源，给操作系统内核返回相应的中断标识。 ISR具有最高的优先级。本系统采用ISR完成中断服务。进入ISR以后，系统中所有的同级或下级中断均被屏蔽。为了不降低系统执行多任务的性能，ISR 应非常短小精干，以使其他中断也能够获得及时的服务。

　　定制Windows CE中断服务程序步骤如下：

　　(1)在操作系统内核中注册事件hMotor，用于操作系统和应用程序中断响应的同步。

　　(2)在操作系统内核中注册插补中断标识号SYSINTR_PWM_READY。

　　(3)调用函数InterruptINItialize，使中断请求和hMotor事件挂钩，当接收到中断请求时操作系统自动将事件置为有信号，退出ISR时将事件置为无信号。

　　(4)编写ISR程序。ISR程序框架如下：

　　if(IntPendVal==INTSRC_EINT1)//判断中断是否来自CPLD

　　{

　　s2410INT|=BIT_EINT1;//清除中断请求

　　if(PWM_FINISH==TRUE)

　　return(SYSINTR_PWM_READY);

　　//向内核返回中断标识号

　　rADDR=*pulse_buf;//向CPLD写数据

　　}

　　当 ARM接收到由CPLD发出的中断请求，操作系统将调用ISR，并将hMotor事件置为有信号。在ISR中将粗插补计算结果写入CPLD，并向操作系统内核返回中断标识号。退出ISR时，操作系统将hMotor事件置为无信号。整个ISR程序非常精短，保证了系统其他程序的正常运行。

　　2.2 应用程序中断响应程序

　　应用程序无法直接获知是否有中断请求。利用hMotor事件使操作系统中断服务与应用程序中断响应程序达到同步。通过调用WaitForSingleObject函数查询该事件状态，应用程序可获知是否有中断请求并及时响应中断。中断响应程序框架结构如下：

　　while(!IsEnd)//判断插补是否结束

　　{

　　……//粗插补计算

　　WaitForSingleObject(hMotor，INFINITE);//无限期等待

　　//hMotor事件状态变为有信号

　　DeviceIoControl();//向操作系统传递

　　//粗插补计算结果，即位置增量

　　}

　　插补线程启动后进行插补计算，调用WaitForSingleObject函数阻塞插补线程，等待hMotor事件状态变为有信号。当操作系统接收到中断请求后调度ISR，将事件置为有信号。此时WaitForSingleObject函数被返回，插补线程阻塞状态解除。通过调用 DeviceIoControl函数将插补结果传递到驱动层，再由操作系统将数据发送到CPLD。插补运算时间远小于插补周期，因此插补线程经常处于阻塞状态。WaitForSingleObject函数虽然会阻塞当前线程，但是不会占用任何CPU资源，因此即使插补线程优先级较高，当其被阻塞时也不会影响其他线程的正常运行。

　　2.3 CPLD程序

　　CPLD程序的逻辑如图4所示。

　　通过40 MHz时钟分频，CPLD内部产生125 Hz(周期8 ms)的脉冲序列。当接收到启动指令时，CPLD将该脉冲序列发送到ARM作为中断信号。ARM的中断触发模式为沿触发，上升沿为有效中断请求。ARM接收到中断请求后，向CPLD传送数据。CPLD内部建立2个数据缓冲区，设置标志FLAG。当FLAG为0时，CPLD将ARM传送的数据写入缓冲区1，读取缓冲区2的数据进行计算输出;当FLAG为1时则反之。设定2个数据缓冲区可以保证数据读写的准确性和运动控制的连续性。CPLD接收到结束指令后，不再向ARM发送中断信号，整个系统的中断控制停止。

3 实验

　　本系统已经运用于激光沉积焊接机，并成功进行了实物加工。图5是该系统的激光焊接图。该焊接轨迹由正方形和圆形组成。在操作系统ISR中写入检测程序，记录中断情况。在实验中，所有中断信号均被正确处理，hMotor事件状态切换正常，没有丢失中断和事件的情况，即应用程序与操作系统、ARM与CPLD的通信状态良好。该系统的中断控制能保证系统实时性，直线加工和圆弧加工均能很好地满足加工精度。

　　本系统充分利用了Windows CE的良好实时性、ARM的管理能力和CPLD的逻辑计算能力，硬件组成简单，软件开发方便，具有开放性强、实时性好、稳定性高、人机交互友好和性价比高等优点，可满足高速度和高精度的加工要求。本系统设计方案已实际运用于激光沉积焊接数控系统中，运行状态良好，加工精度较高。本系统可运用于各种机床数控系统，具有广泛使用价值。