基于ARM的光固化快速成形嵌入式网络控制系统研究

黄 明，史玉升

（华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

基于ARM的光固化快速成形嵌入式网络控制系统研究

黄 明，史玉升

（华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

随着数字微镜光固化快速成形技术的发展应用，快速成形设备向桌面化、办公化方向发展已成为必然趋势。以S3C6410为基础开发的嵌入式光固化快速成形网络控制系统，通过建立嵌入式软硬件平台，分析嵌入式网络控制系统结构和方法，设计出网络控制应用软件，实现了远程监控的功能。其低成本、控制精度高、易移植等优点将促使快速成形控制系统新的发展。

机械制造；光固化快速成形；嵌入式；网络控制；boa服务器

近年来，快速成形制造技术得到了高速发展，特别是光固化快速成形系统由于利用数字微镜技术，使光固化成形由点线扫描固化成层进化到整面曝光固化成层，过程变得更加直观和快捷。控制系统作为快速成形设备的核心部分需要新的发展，保证系统稳定性、降低设备成本是光固化快速成形设备提高市场竞争力的重要途径，因此利用廉价的嵌入式系统代替传统PC机具有良好的前景，如具有高性价比的嵌入式ARM系列开发板，具有开放性免费易获取的Linux系统。同时嵌入式系统易实现网络通信和网络控制功能，能替代传统的总线技术，解决大数据量、高传输速率（如图像传输）的问题，是工业设备具备远程控制的重要发展方向。件。其DMD成形机如图1、系统结构如图2、图3所示，控制系统应包括Z轴远动、紫外光源、数字微镜（图形数据）等。

1 数字微镜光固化快速成形技术

1.1 光固化快速成形原理简介

光固化快速成形技术（简称SLA）是利用光能的化学和热作用使液态树脂材料产生变化的原理，对液态树脂进行有选择性固化，实现不接触液态树脂材料的情况下进行三维实体的逐层成形。数字微镜（DMD）光固化快速成形技术属于投影式光固化快速成形技术，可以形象比喻为三维打印技术。利用数字微镜将零件二维轮廓图形投射到光敏树脂上，利用光能的热作用使树脂分层固化，成形三维实体零

2 数字微镜光固化快速成形技术的嵌入式控制方法研究

2.1 嵌入式控制系统软硬件平台的选择

嵌入式系统是目前非常流行的微计算机系统，在工业控制中，它能够满足实际工业控制领域对实时性、可靠性、低成本的要求，相对于传统的PC系统具有更多优点，并逐渐代替着传统的PC系统，成为工业控制设备中的主导系统。结合光固化快速成形控制系统，用嵌入式ARM系列开发板代替传统PC机具有价格低、体积小、接口丰富易扩展、操作简单等硬件优势，而且操作系统采用Linux，其代码开放、资源免费，极利于用户二次开发。

本系统采用基于ARM11处理器的S3C6410开发板平台，而操作系统采用高实时性的嵌入式Linux系统。这样的搭建可以解决数字微镜光固化成形对系统稳定性要求高，对于远程网络控制实时性强，而且准确传输图形等大体积数据的各方面需求。两者结合起来可以充分发挥嵌入式控制系统的优势，真正实现数字微镜光固化成形设备办公桌面化的目标。控制系统硬件平台框架如图4所示。

图4 嵌入式系统硬件平台框架

2.2 控制系统软件开发平台的构建

Linux系统软件结构体系如图5所示。由于开发板资源有限，采用主从机平台联合开发的模式，其嵌入式Linux系统一般开发流程包括如图6中的几个步骤。

图5 嵌入式Linux系统软件平台框架

图6 嵌入式Linux系统开发流程

2.2.1 建立交叉开发平台

在PC机上安装Linux操作系统（如Ubuntu），建立交叉开发环境。本文具体方法是启动Linux终端进行安装交叉编译器，操作如下：

2.2.2 引导程序Uboot和内核的制作

（1）引导程序Bootloader是嵌入式系统上电后运行的第一段代码，其工作包括初始化硬件设备，准备好软件环境，最后调用操作系统内核。Bootloader种类繁多，S3C6410选择通用性好的U-Boot作为系统的引导程序，并进行系统硬件相关的一些配置才可以makefile实现交叉编译：

其中需修改Makefile文件，包括指定目标为ARM体系，设置宿主机交叉编译器的路径为2.2.1中所得编译器的路径。编译完成后对应目录下生成u-boot.Bin二进制文件，为之后移植做好准备。

（2）内核是所有嵌入式系统的核心部分。内核移植是一个比较复杂的任务，也是嵌入式系统开发中的关键步骤之一，分内核配置、内核编译，内核烧结等过程。本系统采用Linux2.6.28版本内核，为方便配置编译选项，需要安装‘libncurses5’，采用命令：

即可自动从网络下载和安装该模块到宿主机Linux系统中。

配置内核需要结合嵌入式系统具体应用进行，主要选择是内核功能模块和设定参数。

2.2.3 根文件系统制作

目前S3C6410 Linux支持yaffs2文件系统和cramfs文件系统。cramfs文件系统是专门针对闪存（如Nor Flash)设计的只读压缩的文件系统，采用实时解压缩方式，小巧且速度快。根文件系统必须包含这些目录：/dev、/bin、/sbin、/lib、/etc、/proc、/sys。其中/bin和/sbin可以通过Busybox进行制作。网络上Busybox资源丰富，具体用法都有介绍。通过make menuconfig对Busybox配置即可获得自己的文件系统：cramfs。

2.2.4 一键烧写Linux

烧写前，首先开发板通过串口线连接PC机，通过DNW软件实现主从机间数据的传递和控制。一键烧写Linux要使用到SD卡，利用SD_writer.exe软件，把内核烧写工具mmc.bin固化到SD卡中，然后依次将u-boot.Bin、zImage、cramfs拷贝到SD卡中。SD卡转插到开发板上，开发板设置到SD卡启动模式后上电，开发板自动开始烧写上述3个文件，当DNW软件窗口显示出“SMDK6410#”，说明完成了烧写。

开发板设置为Flash启动模式后，重启电源，Linux系统即可正常工作，显示开发板系统进入触摸屏校准界面。

3 嵌入式网络控制系统的实现

3.1 嵌入式网络控制系统原理

嵌入式网络控制系统以先进计算机技术为核心，融合网络通信、自动化控制技术，实现远程监视和控制的目的，是一种新型的远程监控解决方法。随着因特网技术迅速发展，以太网高速、开放和低价等特点使以太网和TCP协议已经成为世界范围内的事实标准。将以太网用于工业控制领域，作为现场设备对外通信的平台，使用户通过浏览器就可以查看设备状态、设置设备参数、发送控制命令和传输加工数据，从而达到远程监控现场设备的目的。

针对本文，基于ARM&Linux的嵌入式网络控制系统采用嵌入式技术和工业以太网控制技术，能够实现远程监控光固化快速成形设备的目标。

3.2 Linux网络编程和Boa服务器

（1）网络程序的特点在于它由两部分组成：客户端和服务器端。在Linux中，网络编程是通过Socket接口进行的，基于TCP协议的Socket编程提供可靠的、面向连接的通信流，使用TCP协议可以保证数据传输的正确性和顺序性。TCP协议的Socket流程图如下：

图7 TCP协议的Socket流程图

（2）直接采用Internent网络连接嵌入式设备进行远程控制，必须在嵌入式设备上安装Web服务器，使其支持远程PC通过浏览器来访问该设备。S3C6410选择适合于嵌入式应用的Boa服务器。Boa是一个非常小巧的单线程的嵌入式WEB服务器，可执行代码只有60kB左右，且源码开放，它的最初设计目标即是速度和安全，性能优秀，支持认证和CGI。由于Boa只为CGI程序创建新的进程，在最大程度上节约了系统资源，特别适合嵌入式系统。Boa服务器可以从其官网上下载，通过交叉编译生成ARM上运行的Boa，进一步配置boa服务器即可得到优化版的Boa。

CGI是通用网关的简称，是一种通用的接口标准，其主要功能是在WWW环境下，从客户端传递一些信息给Web服务器，再由Web服务器去启动所指向的程序完成特定的工作。CGI程序由浏览器的输入触发，可以用来在Web内加入动态内容，本文采用C语言作为CGI的开发方式。

4 网络控制软件程序开发研究

4.1 嵌入式网络控制系统的程序研究

嵌入式网络控制系统服务器端，即S3C6410开发板，将光固化快速成形机的加工数据如电机、光源开关、DMD图形等直接传送到S3C6410微处理器的Web服务器上，用户通过浏览器可以方便地监测控制。系统工作流程如图8。

图9 光固化快速成形制件

图8 嵌入式网络控制系统工作流程图

4.2 网络控制系统软件测试结果

本文对数字微镜光固化控制系统在网络环境下进行了实验，获得较好的结果，如图9显示了成形加工的制件。比起传统的光固化快速成形系统，嵌入式DMD光固化成形系统下制件的表面更加光洁，加工时间短、效率高，而且实现远程控制，工作人员可以做到桌面办公。

5 结束语

以S3C6410为基础开发的嵌入式光固化快速成形网络控制系统，通过建立嵌入式软硬件平台，分析嵌入式网络控制系统结构和方法，设计出网络控制应用软件，实现了远程监控的功能。其低成本、控制精度高、易移植等优点将促使快速成形控制系统新的发展。

[1] 莫健华，著.快速成形及快速制模[M].北京：电子工业出版社，2006：64-65.

[2] 王 成，韩 明，等.基于Windows2000快速成型SLA控制系统的研究[J].锻压装备与制造技术，2003，1：77-79.

[3] 汪成义，钟小磊，陈 赜.ARM嵌入式技术原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[4] 高永强，莫健华，等.高精度光固化快速成形机控制系统的设计及实现[J].锻压装备与制造技术，2005，1：48-51.

[5] Samsung Electronics Co.S3C6410X RISC Microprocessor User’s Manual.Feb13,2009.

Research of stereo lithography embedded network control system based on ARM

HUANG Ming,SHI Yusheng
（College of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei China）

Along with the development and application of the digital micro mirror device stereo lithography,quick forming equipment has been trended into office,and desktop direction.The embedded software and hardware platforms have been established.The structure and method of embedded network control system have been analyzed.The network control application software has been designed,which realizes the remote monitoring function.The equipment in low cost with high accuracy is easy to transplant,which improves the development of the quick forming control system.

Stereo lithography；Embedded；Network Control；Boa server

TG665

A

1672－0121（2012）02－0079－04

2011-12-08

黄 明（1985-），男，硕士在读，主攻光固化快速成形设备和系统技术研究