基于ARM的嵌入式数控系统的研究

舒希勇+王庆福

摘 要：ARM在嵌入式数控系统中的应用，把计算机技术和嵌入式数控技术结合在一起，是一种技术含量非常高的数控技术，在数控系统的研究中是一种新的尝试。.本文对数控系统以及嵌入式系统进行了分析和研究，在ARM技术的技术上，提出了基于ARM的嵌入式数控系统的总体结构设计方案，并根据需求分析对基于ARM的嵌入式数控系统的硬件设计和软件设计进行了研究。

关键词：ARM；嵌入式数控系统；数控技术；计算机技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.143

1 数控系统及嵌入式系统分析

1.1 数控系统分析

随着现代机械制造技术的发展，数控技术在机械制造中的应用越来越普及。数控技术是电子技术和自控技术的综合应用，通过数字信号来控制机械加工过程的一种技术。数控系统的发展经历了六个阶段，第一阶段的数控系统是在美国进行研发和应用的，并应用于航空航天领域，数控系统的装置都是采用电子管元器件，这个阶段的数控技术不是很成熟，应用领域比较小。第二阶段数控系统的发展是在20世纪，随着晶体管的研发和应用，逐渐取代了电子管，数控系统中晶体管的应用，提高了数控系统的安全性，数控系统被应用于民用工业中。在第三阶段的数控系统的发展阶段，小规模集成电路的研发并应用，进一步的提高了数控系统的可靠性，应用领域逐渐扩大。以上三个阶段的数控系统都是计算机的硬件数控系统，在数控系统工作之前必须要对逻辑功能先进行设计，只能完成一些固定的控制功能，数控系统的通用性还是比较低的。20世界60年代之后进入到第四阶段，美国把数控系统和小型计算机相结合，实现了控制软件的功能，第四代数控系统也叫做CNC系统，在计算机中存储编制程序，机床数控设备完全有计算机取代了，计算机作为控制器，执行机械生产的控制功能，CNC系统通用性好，并且应用灵活。第五阶段的数控系统是采用微型计算机作为数控系统的核心处理器，提高了机械加工的质量和效率。第六阶段的数控系统发展以个人计算机的应用为代表，基于个人计算机的数控系统，这几段是数控系统发展的新阶段，主要特点是成本低，数控系统的核心是个人计算机，硬件成本大大降低了；具有开方放性和模块化的特点，用户可以根据自己的需要来选择功能模块，方便系统功能的个性化管理；系统的软件开发资源丰富；通信功能完善，计算机之间可数控系统以进行很好的通信，网络技术比较成熟。在现代的机械制造领域中，数控系统是一种核心技术，一个国家的制造业水平的重要的标准就是数据系统，所以数据系统的研发和应用受到世界各国的高度重视。

1.2 嵌入式系统分析

嵌入式技术是现代工业领域的一次新的革命，嵌入式技术是计算机技术和电子技术的结合，嵌入式系统全称是嵌入式计算机系统，嵌入式系统作为系统进行使用，嵌入式系统计算机硬件和软件进行整合实现系统的应用，嵌入式系统以应用为核心，主要特点包括嵌入式系统是面向用户的应用系统，系统功率损耗低，工作的实时性好，嵌入式系统的硬件兼容性好，并且配置了多种通讯接口，嵌入式系统的软件使用周期长，系统稳定性高。嵌入式系统可以在各种微型计算机中进行应用，嵌入式系统的使用率高，已经应用与很多领域，包括POS机设备、电子商务和家电信息等领域。

2 基于ARM的嵌入式数控系统的总体结构设计

2.1 系统设计需求分析

我们要根据数控系统的功能来对系统进行设计，嵌入式系统的总体结构设计需求及特点包括，系统设计要具有强大的微处理器功能，可以进行高速的计算机控制运算，系统直接面向于用户，为用户提供了个性化的人机交互界面；系统可以实现简单的代码编程，支持网络和通信接口，可以实现嵌入式系统和上位机进行很好的通讯；嵌入式系统的运动控制设计要完善，复合运行稳定和强大的功能的要求，要有高速的控制精度；嵌入式系统的运动控制要实现机械信号和异常情况的处理，并且实现实时性的控制。嵌入式系统的关键性部分是运动控制，运动控制芯片的研发周期要短，可以提高整体的运动控制能力，提高嵌入式系统的可靠性，使软件的研发成本大大降低。嵌入式系统通过运动控制芯片实现对运动控制的完成，可以加大研发进度，我们要实现高速的运动控制就需要高性能的微处理器。

2.2 嵌入式数控系统总体结构设计

基于ARM的嵌入式数控系统总体结构设计图如图1所示。

基于ARM的嵌入式数控系统包括数控层、OS层和硬件层三本部分组成。从基于ARM的嵌入式数控系统结构图中，我们可以看出嵌入式系统的硬件层包括ARM处理器硬件和运动控制芯片，ARM處理器硬件我们选择ARM S2C44BOX。OS层也叫操作系统层，嵌入式操作系统采用的是源代码公开的UC/OS设备，使系统的软件控制更简单，可以进行多任务的处理。数控层软件主要是数控系统的软件匹配，包括运动控制芯片相应的各种控制函数。嵌入式数控系统具有一定的开放性，这也是数控系统发展的一个方向，嵌入式数控系统总体结构在设计的时候要遵守可操作性、可互换性和可移植性的特点，通过对模块的增加和减少来增减系统的功能。

3 基于ARM的嵌入式数控系统的硬件设计

嵌入式数控系统硬件采用双CPU的主从结构，其中ARM处理器作为主CPU，主要用于计算机显示器的输出显示，计算机键盘鼠标的输入和网络通信等工作，主CPU对从CPU的控制主要是使用读写总线来完成的。PLC6044的运动控制芯片作为从CPU，从CPU负责运动控制。主CPU的ARM处理器和从CPU的PLC6044控制芯片之间的通讯是通过对总线上的几个地址指令的读取来实现的，总线还可以控制键盘和网络等。嵌入式数控系统硬件结构如图2所示。

在嵌入式数控系统硬件结构设计中，ARM 控制器S2C44BOX 采用32位处理器，通过双向信号线完成S2C44BOX和PLC6044之间的通信。伺服驱动器电机控制的脉冲最高频率6MHZ，这样可以增加抗干扰的能力，通过差分方式对信号的输入和输出进行计算处理。编码器实现的功能包括滤波和整形处理。嵌入式数控系统可以包含多个CPU处理器部件，处理器是嵌入式数控系统的核心部分，负责整个嵌入式数控系统的运算处理任务。显示器是系统显示功能必须具备的，是用户和计算机之间进行交互的主要设备，嵌入式数控系统对LCD控制器进行了集成，并且提供了显示器的接口，对显示器的控制可以直接通过系统中的显示器的接口就可以。上位机和下位机之间进行通讯主要是通过串口，在伺服驱动器中也提供了这样的串口，所以与驱动之间的连接我们可以通过串口来实现。外部存储器总线支持SDRAM闪存，闪存的存储数据安全性好，电源在关闭之后，信息仍旧可以保存在片内，主要用于存放数控系统的程序和数据的。

4 基于ARM的嵌入式数控系统的软件设计

嵌入式系统把功能软件和操作系统集成在计算机硬件系统中，实现软件和硬件的一体化管理，这样响应速度快，自动化效率高，并且编程的代码小。在实时任务的体系中非常需要嵌入式系统进行实现，在实际的应用中，嵌入式系统只是控制循环的，使用简单的嵌入式应用就可以了，但是嵌入式系统技术的提高，对操作系统的的需要变得非常重要了，所以嵌入式系统软件控制的效果要取决于操作系统。机床的数控系统就是工业机械生产领域的典型嵌入式系统的应用，对实时性的要求很强。传统上的实时性比较高的控制系统一般不采用操作系统，而是使用循环控制。操作系统使用最大的问题就是内核系统资源的严重损耗，目前许多实时性的操作系统对系统资源的占有率比较少，实时性的嵌入式系统被广泛的开发。在嵌入式系统软件的应用中，实时性的操作系统成为应用的焦点。嵌入式数控系统的软件总体结构如图3所示。

嵌入式数控系统的软件结构分为系统软件和应用软件，应用软件包括操作界面和数控接口。嵌入式数控系统中UC/OS实时操作系统是一种多任务型的操作系统，具有任务管理和任务通信同步管理等功能，主要是采用C语言进行编写的，并且开放源代码是公开的。UC/OS内核可以管理实时任务，为系统的应用服务提供快速响应和实时的实现方面起到了很大的作用。用户操作界面采用个性化的人机交互设计，采用的多任务模式。嵌入式数控系统软件工作流程，首先要对处理器CPU进行初始化处理，然后在对操作系统进行处理化，在开始建立进行的任务，最后通过调用相应的函数来实现具体的功能。嵌入式数控系统复位后，程序代码的首地址作为系统开始执行的界点，程序首先对ARM系统硬件和软件进行初始化操作，包括操作系统初始化和网络初始化等。我们采用函数库的方式，简化嵌入式数控系统的軟件总体结构，对PLC6044芯片的操作进行统一的管理，函数库包括设置速度和距离的参数设置函数，读取当前位置的状态读取函数，点位运动的运动函数，对停止和中断进行管理的管理函数。

5 总结

基于ARM的嵌入式数控系统研究是现代化工业机械自动化生产发展的必然趋势，基于ARM的嵌入式数控系统把计算机技术和嵌入式技术等技术进行了有效的集合，并应用于现代化的工作生产中。本文的研究对我国嵌入式数控系统的研究具有一定的借鉴作用，基于ARM的嵌入式数控系统研究具有一定的研究意义和应用价值。

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作者简介：舒希勇（1977-），男，山东聊城人，硕士，讲师，研究方向：机械设计制造。