基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究

舒希勇+王慶福

摘 要：ARM在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的應用，把計算機技術和嵌入式數(shù)控技術結合在一起，是一種技術含量非常高的數(shù)控技術，在數(shù)控系統(tǒng)的研究中是一種新的嘗試。.本文對數(shù)控系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)進行了分析和研究，在ARM技術的技術上，提出了基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的總體結構設計方案，并根據需求分析對基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計進行了研究。

關鍵詞：ARM；嵌入式數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術；計算機技術

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

1 數(shù)控系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)分析

1.1 數(shù)控系統(tǒng)分析

隨著現(xiàn)代機械制造技術的發(fā)展，數(shù)控技術在機械制造中的應用越來越普及。數(shù)控技術是電子技術和自控技術的綜合應用，通過數(shù)字信號來控制機械加工過程的一種技術。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經歷了六個階段，第一階段的數(shù)控系統(tǒng)是在美國進行研發(fā)和應用的，并應用于航空航天領域，數(shù)控系統(tǒng)的裝置都是采用電子管元器件，這個階段的數(shù)控技術不是很成熟，應用領域比較小。第二階段數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展是在20世紀，隨著晶體管的研發(fā)和應用，逐漸取代了電子管，數(shù)控系統(tǒng)中晶體管的應用，提高了數(shù)控系統(tǒng)的安全性，數(shù)控系統(tǒng)被應用于民用工業(yè)中。在第三階段的數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展階段，小規(guī)模集成電路的研發(fā)并應用，進一步的提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，應用領域逐漸擴大。以上三個階段的數(shù)控系統(tǒng)都是計算機的硬件數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)工作之前必須要對邏輯功能先進行設計，只能完成一些固定的控制功能，數(shù)控系統(tǒng)的通用性還是比較低的。20世界60年代之后進入到第四階段，美國把數(shù)控系統(tǒng)和小型計算機相結合，實現(xiàn)了控制軟件的功能，第四代數(shù)控系統(tǒng)也叫做CNC系統(tǒng)，在計算機中存儲編制程序，機床數(shù)控設備完全有計算機取代了，計算機作為控制器，執(zhí)行機械生產的控制功能，CNC系統(tǒng)通用性好，并且應用靈活。第五階段的數(shù)控系統(tǒng)是采用微型計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心處理器，提高了機械加工的質量和效率。第六階段的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展以個人計算機的應用為代表，基于個人計算機的數(shù)控系統(tǒng)，這幾段是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新階段，主要特點是成本低，數(shù)控系統(tǒng)的核心是個人計算機，硬件成本大大降低了；具有開方放性和模塊化的特點，用戶可以根據自己的需要來選擇功能模塊，方便系統(tǒng)功能的個性化管理；系統(tǒng)的軟件開發(fā)資源豐富；通信功能完善，計算機之間可數(shù)控系統(tǒng)以進行很好的通信，網絡技術比較成熟。在現(xiàn)代的機械制造領域中，數(shù)控系統(tǒng)是一種核心技術，一個國家的制造業(yè)水平的重要的標準就是數(shù)據系統(tǒng)，所以數(shù)據系統(tǒng)的研發(fā)和應用受到世界各國的高度重視。

1.2 嵌入式系統(tǒng)分析

嵌入式技術是現(xiàn)代工業(yè)領域的一次新的革命，嵌入式技術是計算機技術和電子技術的結合，嵌入式系統(tǒng)全稱是嵌入式計算機系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)進行使用，嵌入式系統(tǒng)計算機硬件和軟件進行整合實現(xiàn)系統(tǒng)的應用，嵌入式系統(tǒng)以應用為核心，主要特點包括嵌入式系統(tǒng)是面向用戶的應用系統(tǒng)，系統(tǒng)功率損耗低，工作的實時性好，嵌入式系統(tǒng)的硬件兼容性好，并且配置了多種通訊接口，嵌入式系統(tǒng)的軟件使用周期長，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。嵌入式系統(tǒng)可以在各種微型計算機中進行應用，嵌入式系統(tǒng)的使用率高，已經應用與很多領域，包括POS機設備、電子商務和家電信息等領域。

2 基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的總體結構設計

2.1 系統(tǒng)設計需求分析

我們要根據數(shù)控系統(tǒng)的功能來對系統(tǒng)進行設計，嵌入式系統(tǒng)的總體結構設計需求及特點包括，系統(tǒng)設計要具有強大的微處理器功能，可以進行高速的計算機控制運算，系統(tǒng)直接面向于用戶，為用戶提供了個性化的人機交互界面；系統(tǒng)可以實現(xiàn)簡單的代碼編程，支持網絡和通信接口，可以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)和上位機進行很好的通訊；嵌入式系統(tǒng)的運動控制設計要完善，復合運行穩(wěn)定和強大的功能的要求，要有高速的控制精度；嵌入式系統(tǒng)的運動控制要實現(xiàn)機械信號和異常情況的處理，并且實現(xiàn)實時性的控制。嵌入式系統(tǒng)的關鍵性部分是運動控制，運動控制芯片的研發(fā)周期要短，可以提高整體的運動控制能力，提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性，使軟件的研發(fā)成本大大降低。嵌入式系統(tǒng)通過運動控制芯片實現(xiàn)對運動控制的完成，可以加大研發(fā)進度，我們要實現(xiàn)高速的運動控制就需要高性能的微處理器。

2.2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結構設計

基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結構設計圖如圖1所示。

基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控層、OS層和硬件層三本部分組成。從基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結構圖中，我們可以看出嵌入式系統(tǒng)的硬件層包括ARM處理器硬件和運動控制芯片，ARM處理器硬件我們選擇ARM S2C44BOX。OS層也叫操作系統(tǒng)層，嵌入式操作系統(tǒng)采用的是源代碼公開的UC/OS設備，使系統(tǒng)的軟件控制更簡單，可以進行多任務的處理。數(shù)控層軟件主要是數(shù)控系統(tǒng)的軟件匹配，包括運動控制芯片相應的各種控制函數(shù)。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)具有一定的開放性，這也是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一個方向，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)總體結構在設計的時候要遵守可操作性、可互換性和可移植性的特點，通過對模塊的增加和減少來增減系統(tǒng)的功能。

3 基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件采用雙CPU的主從結構，其中ARM處理器作為主CPU，主要用于計算機顯示器的輸出顯示，計算機鍵盤鼠標的輸入和網絡通信等工作，主CPU對從CPU的控制主要是使用讀寫總線來完成的。PLC6044的運動控制芯片作為從CPU，從CPU負責運動控制。主CPU的ARM處理器和從CPU的PLC6044控制芯片之間的通訊是通過對總線上的幾個地址指令的讀取來實現(xiàn)的，總線還可以控制鍵盤和網絡等。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件結構設計中，ARM 控制器S2C44BOX 采用32位處理器，通過雙向信號線完成S2C44BOX和PLC6044之間的通信。伺服驅動器電機控制的脈沖最高頻率6MHZ，這樣可以增加抗干擾的能力，通過差分方式對信號的輸入和輸出進行計算處理。編碼器實現(xiàn)的功能包括濾波和整形處理。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)可以包含多個CPU處理器部件，處理器是嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，負責整個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的運算處理任務。顯示器是系統(tǒng)顯示功能必須具備的，是用戶和計算機之間進行交互的主要設備，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)對LCD控制器進行了集成，并且提供了顯示器的接口，對顯示器的控制可以直接通過系統(tǒng)中的顯示器的接口就可以。上位機和下位機之間進行通訊主要是通過串口，在伺服驅動器中也提供了這樣的串口，所以與驅動之間的連接我們可以通過串口來實現(xiàn)。外部存儲器總線支持SDRAM閃存，閃存的存儲數(shù)據安全性好，電源在關閉之后，信息仍舊可以保存在片內，主要用于存放數(shù)控系統(tǒng)的程序和數(shù)據的。

4 基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計

嵌入式系統(tǒng)把功能軟件和操作系統(tǒng)集成在計算機硬件系統(tǒng)中，實現(xiàn)軟件和硬件的一體化管理，這樣響應速度快，自動化效率高，并且編程的代碼小。在實時任務的體系中非常需要嵌入式系統(tǒng)進行實現(xiàn)，在實際的應用中，嵌入式系統(tǒng)只是控制循環(huán)的，使用簡單的嵌入式應用就可以了，但是嵌入式系統(tǒng)技術的提高，對操作系統(tǒng)的的需要變得非常重要了，所以嵌入式系統(tǒng)軟件控制的效果要取決于操作系統(tǒng)。機床的數(shù)控系統(tǒng)就是工業(yè)機械生產領域的典型嵌入式系統(tǒng)的應用，對實時性的要求很強。傳統(tǒng)上的實時性比較高的控制系統(tǒng)一般不采用操作系統(tǒng)，而是使用循環(huán)控制。操作系統(tǒng)使用最大的問題就是內核系統(tǒng)資源的嚴重損耗，目前許多實時性的操作系統(tǒng)對系統(tǒng)資源的占有率比較少，實時性的嵌入式系統(tǒng)被廣泛的開發(fā)。在嵌入式系統(tǒng)軟件的應用中，實時性的操作系統(tǒng)成為應用的焦點。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件總體結構如圖3所示。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構分為系統(tǒng)軟件和應用軟件，應用軟件包括操作界面和數(shù)控接口。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中UC/OS實時操作系統(tǒng)是一種多任務型的操作系統(tǒng)，具有任務管理和任務通信同步管理等功能，主要是采用C語言進行編寫的，并且開放源代碼是公開的。UC/OS內核可以管理實時任務，為系統(tǒng)的應用服務提供快速響應和實時的實現(xiàn)方面起到了很大的作用。用戶操作界面采用個性化的人機交互設計，采用的多任務模式。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件工作流程，首先要對處理器CPU進行初始化處理，然后在對操作系統(tǒng)進行處理化，在開始建立進行的任務，最后通過調用相應的函數(shù)來實現(xiàn)具體的功能。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)復位后，程序代碼的首地址作為系統(tǒng)開始執(zhí)行的界點，程序首先對ARM系統(tǒng)硬件和軟件進行初始化操作，包括操作系統(tǒng)初始化和網絡初始化等。我們采用函數(shù)庫的方式，簡化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的軟件總體結構，對PLC6044芯片的操作進行統(tǒng)一的管理，函數(shù)庫包括設置速度和距離的參數(shù)設置函數(shù)，讀取當前位置的狀態(tài)讀取函數(shù)，點位運動的運動函數(shù)，對停止和中斷進行管理的管理函數(shù)。

5 總結

基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研究是現(xiàn)代化工業(yè)機械自動化生產發(fā)展的必然趨勢，基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)把計算機技術和嵌入式技術等技術進行了有效的集合，并應用于現(xiàn)代化的工作生產中。本文的研究對我國嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究具有一定的借鑒作用，基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研究具有一定的研究意義和應用價值。

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作者簡介：舒希勇（1977-），男，山東聊城人，碩士，講師，研究方向：機械設計制造。