基于ARM與Linux的開放式數(shù)控系統(tǒng)具體實現(xiàn)

張占昭

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)的深入發(fā)展，在工業(yè)控制的每個系統(tǒng)應用越來越廣泛，數(shù)控系統(tǒng)也不列外。本文從數(shù)控系統(tǒng)的軟件和硬件兩個方面入手，分析對比了ARM系列產(chǎn)品的優(yōu)缺點，并選型了ARM9，分上下兩層進行了設計；進而實現(xiàn)了基于Linux數(shù)控系統(tǒng)軟件，分別描述了數(shù)控系統(tǒng)軟件總體的架構、開發(fā)方式的設想以及軟件開發(fā)的具體步驟，通過硬件和軟件的具體實現(xiàn)，旨在提升數(shù)控系統(tǒng)的效率。

關鍵詞：Linux；數(shù)控系統(tǒng)；ARM

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0062-01

數(shù)控技術從產(chǎn)生到發(fā)展壯大已經(jīng)有60多年的歷史，同時隨著計算機技術的快速發(fā)展，基于PC計算機的數(shù)控系統(tǒng)得到了前所未有的發(fā)展壯大，但同時帶來了一系列問題，其中最大的問題是智能化、智慧化程度不夠，換句話說就是基于PC計算機的數(shù)控系統(tǒng)無論從硬件設計還是軟件開發(fā)環(huán)境都不能滿足智慧數(shù)控系統(tǒng)的要求，本文旨在利用計算機方面的ARM和Linux技術來解決上述問題，同時提升數(shù)控系統(tǒng)的性能以滿足市場需求。

1 基于ARM的數(shù)控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

通過對ARM系列產(chǎn)品對比分析，在本系統(tǒng)中我們選擇了ARM9，它可以完全滿足硬件系統(tǒng)設計的需要，并且具備高性價比和低功耗等特點，技術上采用哈佛架構，存儲器和寄存器統(tǒng)一編址，指令更加節(jié)省；高速Cache容量更大，流水線級數(shù)更多，指令由原先的16位升級為32位，處理能力更強； ARM9支持流行的實時操作系統(tǒng)諸如：Linux各種版本。

系統(tǒng)硬件設計采用上下兩層設計方式，底層采用ARM的最小工作模式，盡量減少底層硬件設計，這樣做的好處是如果以后系統(tǒng)升級將十分方便，也就是說，系統(tǒng)升級時盡量不動底層硬件設計，用戶只需調(diào)整自己產(chǎn)品部分即可，方式是將ARM9核心部分用外部總線和用戶產(chǎn)品連接在一起，用戶產(chǎn)品通過各種接口與產(chǎn)品的功能模塊（如觸摸屏、鍵盤、液晶顯示、USB等）進行對接。

數(shù)控系統(tǒng)通過接口將現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息輸入輸出，與ARM9通訊，這是整個系統(tǒng)設計的關鍵，其次是沖頭、電機位置、速度、計算插補、數(shù)據(jù)輸入/輸出整個數(shù)控系統(tǒng)流程。數(shù)據(jù)輸入/輸出的方式采用將ARM9的三總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線）、讀寫控制邏輯、中斷控制系統(tǒng)、定時計數(shù)器系統(tǒng)等封裝起來作為一個總接口與外界聯(lián)系，數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口采用工業(yè)總線的方式傳送。數(shù)據(jù)信息的采集用的是各種傳感器如位置、速度等。

2 基于Linux的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)需要有良好的交互性和友善的圖形界面，所以這里選擇MiniGui這個能給Linux系統(tǒng)提供良好圖形界面的軟件，MiniGui軟件由著名開發(fā)商開發(fā)，支持圖形界面的所有GUI ，且得到了大量Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的認可，技術上給予了支持，MiniGui和C++的函數(shù)庫能夠無縫的對接，函數(shù)庫可以很好支持圖形界面設計，對幾乎所有的智能設備，特別是一些手持設備以及智能路由網(wǎng)絡設備。MiniGui軟件在占用數(shù)控系統(tǒng)硬件資源中是最小的一個，使用內(nèi)存空間可控制在1M左右，這對于圖形界面系統(tǒng)十分理想，也是其他軟件無法達到的；MiniGui軟件接口設計可以和數(shù)控硬件系統(tǒng)接口無縫連接，圖形化接口更簡單、快捷，處理圖形操作效率更高，非常適合工業(yè)自動化控制；MiniGui軟件通過配置可以實現(xiàn)跨操作系統(tǒng)操作，簡單來說就是移植性極強，方式是兼容性極強的API接口。

在這里要提出一個Linux嵌入式系統(tǒng)新開發(fā)方案，為了提升開發(fā)效率，最好的解決方法是使用C/S模式，傳統(tǒng)開發(fā)Linux嵌入式系統(tǒng)是每個程序員需要在PC機上要么裝Linux操作系統(tǒng)，要么在虛擬機下裝Linux操作系統(tǒng)，然后開發(fā)出的程序分別調(diào)試運行，在放在一起調(diào)試運行，這樣既浪費人力物力，效率還低，如果采用C/S模式即服務器/客戶機，方法是架設一臺Linux服務器，程序員通過局域網(wǎng)連接在一起，程序可以及時互通，協(xié)議可使用FTP，然后服務器通過串口、模擬串口、USB接口亦或者點對點網(wǎng)絡將已經(jīng)通過GCC或者Make編譯的文件下載到宿主機，這樣一來，所有程序員開發(fā)的程序出口就統(tǒng)一了，大大提升了程序開發(fā)效率。

Linux嵌入式數(shù)控系統(tǒng)第一步從Linux官方網(wǎng)站下載一個符合要求的（網(wǎng)站上有具體說明），然后初始化裁剪、配置、編譯運行；第二步將Linux嵌入式系統(tǒng)移植到之前設計好的ARM硬件上；第三步數(shù)控系統(tǒng)硬件驅動程序開發(fā)，包括字符型硬件、網(wǎng)絡型硬件、塊型硬件（之前已經(jīng)被描述為文件）；第四步開發(fā)Linux數(shù)控系統(tǒng)軟件中的API，就是一些模塊功能函數(shù)；第五步人機圖形界面的開發(fā)，利用MiniGui軟件；第六步每個功能模塊具體算法攻堅，如插補算法、 3D圖形描繪算法等。

3 結語

本文實現(xiàn)了基于ARM與Linux的開放式數(shù)控系統(tǒng)，結合ARM與Linux在嵌入式系統(tǒng)中的具體優(yōu)勢，在普通PC計算機的平臺下，給出了具體實施開放式數(shù)控系統(tǒng)的解決方案和策略，目的是提升現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)性能的同時，給數(shù)控系統(tǒng)的技術研究加入新的計算機技術（ARM與Linux），使其更加智能化智慧化。

參考文獻

[1]張愛玲.現(xiàn)代數(shù)控原理與控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]馬廣云.ARM嵌入式處理器結構與應用基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]張春曉.基于實時Linux平臺的CNC系統(tǒng)研究與實現(xiàn).南京航空航天大學[D].2003.

[4]蔡光起，史家順.開放式數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機械制造，2005，43（6）：18—21.

Abstract：With the development of embedded system， more and more widely used in industrial control system， CNC system is not out of the list. This paper from two aspects of hardware and software of CNC system， advantages and disadvantages of the ARM series of products， and the selection of ARM9， divided into two layers of the design； so as to realize the NC system software based on Linux， describes the specific steps of CNC system software architecture， development ideas and software the development， through the realization of hardware and software， to enhance the efficiency of CNC system.

Key Words：Linux；Numerical control system；ARMendprint