基于嵌入式技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

卜伶俐

目前由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使制造業(yè)及機(jī)械加工業(yè)中各類設(shè)備機(jī)械也得到了快速的發(fā)展，目前在機(jī)床應(yīng)用中其數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)都得到了極大的進(jìn)步。在機(jī)械加工制造業(yè)中進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)主要是為了提高機(jī)械自動(dòng)化水平，通過(guò)控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化作業(yè)。雖然數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了不錯(cuò)的發(fā)展，但是在實(shí)際應(yīng)用中其仍然存有一定的局限，為此以下則對(duì)嵌入式技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，探討其在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】嵌入式技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng) 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

在機(jī)械加工制造業(yè)中，一些復(fù)雜的、精度要求高、質(zhì)量要求高的產(chǎn)品零件必須要由高精機(jī)械設(shè)備來(lái)進(jìn)行加工，為了保證這些產(chǎn)品的質(zhì)量用來(lái)加工的設(shè)備必須要由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行加工控制。但是在數(shù)控系統(tǒng)（CNC）應(yīng)用中存在的一個(gè)問(wèn)題就是不同生產(chǎn)廠家所開(kāi)發(fā)出的CNC之間無(wú)法兼容，雖然此問(wèn)題并不影響產(chǎn)品的生產(chǎn)及設(shè)備的單獨(dú)使用，但是在通訊傳輸上存在的缺陷限制了數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的性能，并不利于加工生產(chǎn)的多種需求。

1 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

數(shù)字控制（Numericcontrol，簡(jiǎn)稱NC）是隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)變革，以微處理器發(fā)展為核心，形成的基于微型或小型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)，又稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（Computernumericcontrol，簡(jiǎn)稱CNC）。數(shù)控系統(tǒng)的一般工作原理是，將錄入的零件加工信息進(jìn)行數(shù)字化指令的轉(zhuǎn)換，根據(jù)保存的數(shù)字化指令對(duì)加機(jī)床下達(dá)工作的命令，車床完成對(duì)零件的加工。上世紀(jì)80年代起，由于數(shù)位微處理器的發(fā)展迅速，也大大提高了PC端在人機(jī)交互、數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理方面的速度。而我國(guó)在目前的情況來(lái)看，基于PC的開(kāi)放式數(shù)控技術(shù)，不僅在技術(shù)層面得到了發(fā)展，在多樣化領(lǐng)域中（如PC+NC二者相互嵌入的模式，NC中繼承PC全軟件的結(jié)構(gòu)等）發(fā)展都十分迅速。

盡管在現(xiàn)代社會(huì)中不論P(yáng)C還是NC都得到了迅速的發(fā)展，但是不能否認(rèn)，在進(jìn)行制造方面，兩者的結(jié)構(gòu)還都比較復(fù)雜，制造成本也較為昂貴，因此并不能滿足大規(guī)模控制的應(yīng)用需求。而在其他方面如NC中硬件系統(tǒng)功能的操作性等方面也有待加強(qiáng)。目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)也在逐漸成為未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

2 嵌入式技術(shù)

將控制程序存儲(chǔ)在只讀內(nèi)存（Read-OnlyMemory，簡(jiǎn)稱ROM）中，用來(lái)作為相關(guān)設(shè)備中控制系統(tǒng)的一部分，這種技術(shù)就被稱之為嵌入式技術(shù)。雖然看起來(lái)嵌入式技術(shù)十分復(fù)雜，但是事實(shí)上，我們身邊很多設(shè)備例如手機(jī)、電子手表、攝影機(jī)等設(shè)備都應(yīng)用了一定程度的嵌入式技術(shù)。有些嵌入式技術(shù)構(gòu)成的系統(tǒng)中不僅包含了控制指令，甚至本身這些嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）之中就帶有不同程度的操作系統(tǒng)。盡管嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)具備整體攜帶操作系統(tǒng)的功能，但是操作中處于某些限制和不同方面的考慮，主要還是應(yīng)用單個(gè)程序來(lái)完成控制。作為目前在控制、操作系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，嵌入式技術(shù)可以通過(guò)嵌入式微型或小型處理器、嵌入式的控制指令或者系統(tǒng)、相應(yīng)的硬件以及使用指令或系統(tǒng)的應(yīng)用程序這幾部分組成。將嵌入式技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)中，不僅能夠更大程度地發(fā)揮出嵌入式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，解決數(shù)控技術(shù)中存在的問(wèn)題，同時(shí)也能夠使嵌入式技術(shù)和數(shù)控技術(shù)都能得到更大程度的開(kāi)發(fā)，得到性價(jià)比更高的嵌入式技術(shù)和擴(kuò)大應(yīng)用嵌入式技術(shù)的數(shù)控技術(shù)的開(kāi)放性。

3 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一個(gè)專用系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)時(shí)其過(guò)程主要是以下幾個(gè)步驟：

（1）要先對(duì)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，找出需要解決問(wèn)題的用戶；

（2）對(duì)原理圖和PCB等數(shù)控硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定硬件能否正常工作；

（3）調(diào)試軟件，其中包括處理器的初始化、中斷、外設(shè)等這些都需要自己進(jìn)行編程序控制。

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與傳統(tǒng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程相比有很大的優(yōu)勢(shì)。如果我們有了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，它基本的處理器和核心電路是固定的，操作系統(tǒng)是移植好的。做產(chǎn)品，所需要做的工作就是根據(jù)用戶需求，看看是否需要添加外設(shè)，然后編寫所添加外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序，最后就是編寫應(yīng)用程序。流程圖如圖1所示。可以看出，如果使用一個(gè)成熟的嵌入式系統(tǒng)，則會(huì)避免重復(fù)勞動(dòng)，縮短開(kāi)發(fā)周期。這就是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的價(jià)值所在。

4 數(shù)控系統(tǒng)中嵌入式技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

通常情況下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式可以作為嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的參照而進(jìn)行。第一是分析用戶的需求，以用戶的使用方式和設(shè)計(jì)內(nèi)容的應(yīng)用范圍為基礎(chǔ)，進(jìn)行用戶需求的分析；第二是根據(jù)分析出的用戶應(yīng)用方式進(jìn)行一定的硬件設(shè)備選擇和處理器的選型；第三是對(duì)硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試以及原理圖的改動(dòng)與應(yīng)用，了解硬件進(jìn)行工作的情況；最后是對(duì)整套軟件控制系統(tǒng)的調(diào)試，在將軟件接入控制設(shè)備中，確定軟件是否能對(duì)設(shè)備進(jìn)行正?？刂?，是否能進(jìn)行符合工作的指令下達(dá)，在進(jìn)行控制的過(guò)程中是否存在，處理相關(guān)問(wèn)題后再次運(yùn)行系統(tǒng)確定整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足正常生產(chǎn)工作的使用。而嵌入式技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)與一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有一定區(qū)別，嵌入式系統(tǒng)可以是應(yīng)用于已經(jīng)成型的處理器和相關(guān)設(shè)備中，只需要添加相應(yīng)的程序在其中，省去了關(guān)于處理器方面的工作時(shí)間和工作任務(wù)量，還能給用戶提供更穩(wěn)定的處理功能，同時(shí)處理器的不斷發(fā)展也能夠帶動(dòng)嵌入式數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展。

5 嵌入式技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)中的嵌入式技術(shù)通常使用的硬件結(jié)構(gòu)為ARM+DSP雙CPU結(jié)構(gòu)，ARM通常使用32位RISC芯片，S3C2410，DPS通常使用32位高性能的MCX314As運(yùn)動(dòng)控制類的專用芯片。為了方便開(kāi)發(fā)，可采用相關(guān)的S3C2410微處理器的SBC-2410X開(kāi)發(fā)板為主要的控制板，在精簡(jiǎn)的版面中（大約為120mmx×90mm）集成了64MSDRAM，64MNandFlash、IMBootFlashe、RJ-45網(wǎng)卡、輸入以及輸出、音頻、用戶按鍵和指示燈、SD卡插座、USBHost等設(shè)備接口。可使用2.0mm插針槽將CPU的信息導(dǎo)出，使其與PC及以及相關(guān)的外圍系統(tǒng)進(jìn)行通訊，能夠適應(yīng)產(chǎn)品以及項(xiàng)目的原型。設(shè)計(jì)運(yùn)用了MCX314As運(yùn)用控制芯片的運(yùn)動(dòng)控制板，這種控制板能夠相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150025