李芳

摘 要：本文詳細闡述了基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，分析了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的可重構(gòu)功能，探討了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案與測試方法。本文為研究數(shù)控技術(shù)新的發(fā)展方向和技術(shù)改進奠定了基礎(chǔ)，具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：嵌入式數(shù)控系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)設(shè)計；可重構(gòu)功能；實現(xiàn)方案；測試方法

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1.基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

該設(shè)計方案利用S3C2440作為主CPU對數(shù)控系統(tǒng)中的各項任務(wù)進行管理及調(diào)度。因為采用專業(yè)級別的運動控制芯片有利于減短控制系統(tǒng)的研發(fā)時間，改善控制系統(tǒng)的性能，減輕繁重的工作量、降低研發(fā)所需要的成本。因此，該設(shè)計方案選用日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片MCX314As作為控制芯片，對復(fù)雜的數(shù)控是加工運動進行控制。

該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)主要由硬件層、操作系統(tǒng)層、運動控制軟件層三大部分組成，其中，底層硬件層以三星公司的S3C2440作為CPU處理器；中間層是代碼開放的Linux操作系統(tǒng)，屬于嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)層，為了提高該數(shù)控系統(tǒng)的實時性，改善操作性能，其內(nèi)核按照數(shù)控系統(tǒng)的要求做了一定裁剪；至于頂層是包含運動控制芯片的控制庫函數(shù)等各個控制函數(shù)的控制系統(tǒng)所需的匹配軟件。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用的三星公司的S3C2440處理器具有體積偏小、功耗較少、成本偏低、性能較好等優(yōu)點，該處理器是基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC架構(gòu)的處理器，其支持支持Thumb（16位）和ARM（32位）雙指令集，可以有效兼容8位和16位的器件。該CPU處理器運算速度相當快，主頻最高可達533MHz，能夠充分適應(yīng)多任務(wù)操作下的數(shù)控計算。該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)采用的運動控制專用芯片MCX314As具有極高的控制性能，能夠?qū)λ妮S進行控制，可以實現(xiàn)對任意兩軸的圓弧和直線插補。在運轉(zhuǎn)過程中，主機處理器僅用向該芯片下達各種復(fù)雜的指令，MCX314As芯片按照指令完成一系列的操作和處理。在該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中，其硬件中包含了主CPU和從CPU，使用的是主從CPU硬件結(jié)構(gòu)模式。其中，主CPU是對各項任務(wù)進行管理和調(diào)整的ARM處理器，從CPU是控制數(shù)控系統(tǒng)運動方式的MCX314As專用運動控制芯片。該系統(tǒng)的硬件平臺如圖1所示。

1.3 ARM處理器與運動控制芯片的連接

運動控制專用芯片MCX314As的時鐘頻率為16Hz，由外部直接提供。S3C2440的數(shù)據(jù)線以及讀、寫信號直接控制相應(yīng)的數(shù)據(jù)線以及讀、寫信號。因為在該系統(tǒng)中選用16位數(shù)據(jù)線進行傳輸，故而必須在運動控制專用芯片MCX314As的H16L8引腳上接入高電平。圖2為S3C2440與MCX314As的接口電路圖，由圖可以看出，為了保障安全，增強信號傳輸可靠性，實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動信號，在信號連接兩者間加有寫著“SN74ALVC164245”的芯片。

1.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

為了確保該系統(tǒng)的實時性，同時也為了使數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)施得到充分利用，該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)運用了Linux操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)按照相關(guān)要求做了適當裁剪，能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)進行實時多任務(wù)控制，其時效性相當高。

2.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的可重構(gòu)功能

通常情況下，對于中央處理單元，嵌入式系統(tǒng)多采用精簡指令集計算技術(shù)。然而，在使用專用芯片以及運用微處理機方法時，人們渴望能夠擁有性能良好、運算迅速、可靠性強，并且具備高度柔性和強大編程功能的新技術(shù)、新方法，這也就是嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能。

所謂可重構(gòu)，即是利用可重構(gòu)的相關(guān)資源對計算平臺進行重構(gòu)或重組，包括了各類硬件、軟件的可重構(gòu)。擁有可重構(gòu)的有關(guān)資源是進行重構(gòu)的基礎(chǔ)，而滿足人類不同的應(yīng)用需求是進行重構(gòu)的目的。在沒有FPGA的時候，通常是對功能部件進行重用，以實現(xiàn)計算系統(tǒng)的重組。而在FPGA出現(xiàn)以后，通常是將基本的門、線資源進行重用，通過有關(guān)配置文件，對門的性質(zhì)進行設(shè)定，對線的連接方式進行定義，從而實現(xiàn)了硬件功能的變化。

因為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)所具備的重構(gòu)功能和硬件、軟件能夠裁剪的特征，因此極其有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制技術(shù)，并且為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)與捷徑。

3.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案與測試

3.1 實現(xiàn)方案設(shè)計

中央數(shù)控單元控制運行ARM，在ARM上對主要數(shù)控技術(shù)進行運作，但是刀補、插補以及間隙補償應(yīng)當除外。注意將ARM與顯示以及有關(guān)鍵入裝置相連接，以實現(xiàn)人與機的交互。插補代碼經(jīng)編譯之后應(yīng)當通過串口發(fā)至DSP，ARM需要執(zhí)行M、S、T指令，邏輯控制指令需要經(jīng)過異步串行總線MOD BUS發(fā)至PLC，系統(tǒng)的監(jiān)控由總線負責，與外部網(wǎng)絡(luò)的連接由ARM負責，進而完成對整個數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)、運行、管理、調(diào)試、診斷以及監(jiān)控，等等。

3.2 系統(tǒng)測試

在完成MCX314As運動控制板的設(shè)計和在Linux操作系統(tǒng)下編寫好調(diào)試、驅(qū)動程序以后需要對該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進行一系列的仿真調(diào)試。因為MCX314As屬于寄存器控制型芯片，其是通過讀或?qū)憙?nèi)部寄存器來實現(xiàn)控制的。MCX314As寫入的數(shù)據(jù)來自S3C2440通過總線輸入，由此可以讀出寄存器的值，再通過比較可以對MCX314As的工作狀態(tài)進行判別。為了驗證該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是否正確，需要編寫相應(yīng)的X、Y2軸直線插補程序，最終經(jīng)過示波器反應(yīng)實際的脈沖波形圖，可以確定該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是正確的，能夠正常運行。

結(jié)論與思考

本文介紹了一種基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，研究分析了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案與測試方法。在今后的研究工作中可以借鑒本文思想，從資源共享角度考慮，大力增強數(shù)控系統(tǒng)的開放性。

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