李麗穎　汪木蘭　張華　金應威

關鍵詞：微處理器；數(shù)控系統(tǒng)；磨床

中圖分類號：TG596；TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

數(shù)控機床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、切削驅動裝置和機床本體等組成，如圖1 所示。其中，作為核心單元的數(shù)控系統(tǒng)主要由AM623 多核處理器、存儲器、輸入、輸出和復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device，CPLD）等組成。對于經(jīng)濟型和普及型數(shù)控機床，數(shù)控系統(tǒng)通常采用單微處理器和脈沖式伺服接口形式，而對于高端數(shù)控機床一般采用高性能多微處理器和高速現(xiàn)場總線的硬件架構。

為了滿足對磨床的高精度、高速度和實時性等要求，本文基于“AM623+CPLD”的硬件架構，移植RT-Linux 實時操作系統(tǒng)，開發(fā)數(shù)控磨床加工的功能模塊，設計了一款開放程度高、性能優(yōu)越、可移植性好的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，并應用于實際磨床產(chǎn)品。

1 數(shù)控系統(tǒng)硬件設計

ARM 微處理器不僅中斷資源豐富，而且多任務調度能力強。目前采用嵌入式數(shù)控系統(tǒng)方案，主要以ARM 架構微處理器AM623 為控制核心，輔以CPLD 的邏輯處理能力，從而滿足數(shù)控系統(tǒng)的高速實時數(shù)據(jù)處理及接口數(shù)據(jù)交換的需求。如圖2 所示，“AM623+CPLD”雙核心架構的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)主要由AM623 和CPLD 核心電路模塊、存儲模塊、供電電源模塊、網(wǎng)絡通信模塊、編碼輸入/ 輸出（input/output，I/O）模塊、按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊等組成。AM623 作為主處理器， 主要運行數(shù)控系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)通信、系統(tǒng)診斷、加工程序解釋等功能。而CPLD 主要負責邏輯處理和運動控制等輔助功能，AM623 和CPLD 之間采用通用存儲控制器（general purpose memory controller，GPMC）32位高速并行總線連接，二者共同負責人機交互接口功能[1]。顯示器電路將測試圖片導入系統(tǒng)，驗證圖片是否在顯示器中正常顯示；電源與復位電路負責測試各個點電壓值，分別用萬用表、示波器測試電壓的穩(wěn)態(tài)值和動態(tài)值，驗證上下電和正常工作過程中的電壓是否與預期一致；電子盤電路負責將測試文件導入系統(tǒng)，重新上電，然后再從系統(tǒng)導出文件，驗證導出的文件是否和導入文件一致；內存電路負責向內存映射對應的地址并寫入測試數(shù)據(jù)，然后再從該地址讀出數(shù)據(jù)，驗證讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)是否一致；實時工業(yè)以太網(wǎng)通信電路負責連接上位機系統(tǒng)，驗證連接是否正常、發(fā)送數(shù)據(jù)是否成功、接收數(shù)據(jù)是否成功等；以太網(wǎng)通信協(xié)議電路負責連接傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）網(wǎng)絡調試助手系統(tǒng)，驗證連接是否正常、發(fā)送數(shù)據(jù)是否成功、接收數(shù)據(jù)是否成功等；無線網(wǎng)電路負責連接Wi-Fi 調試助手系統(tǒng)，驗證連接是否正常、發(fā)送數(shù)據(jù)是否成功、接收數(shù)據(jù)是否成功等；接口電路負責連接串口調試助手系統(tǒng)，驗證連接是否正常、發(fā)送數(shù)據(jù)是否成功、接收數(shù)據(jù)是否成功等；手握脈沖發(fā)生器電路負責將外掛手輪接入系統(tǒng)，手搖手輪旋轉一定角度，驗證系統(tǒng)接收到的角度值是否和實際值一致；編碼器輸入電路負責將外掛編碼器接入系統(tǒng)，旋轉一定角度，驗證系統(tǒng)接收到的角度值是否和實際值一致；屏背光調節(jié)電路負責調節(jié)顯示屏的亮度，驗證實際的亮度是否和預期一致；鍵盤操作控制電路負責驗證系統(tǒng)接收到的鍵值是否和按下的鍵值一致，是否存在某個鍵沒反應、鍵值錯誤等問題。

磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件設計過程中，基于AM623四核A53 處理器和CPLD 的功耗， 合理選擇外圍器件，有效控制了整個系統(tǒng)的功耗，并且不需要額外添加散熱器（如風扇等），系統(tǒng)具有良好的散熱穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的維護成本。該數(shù)控磨床開發(fā)平臺包含的硬件資源如下：AM623，1.4 GHz 高速核心處理器； 電子盤（NANDFLASH），512 MB 存儲磨床數(shù)控系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)以及用戶參數(shù)；RS422，主軸增量式編碼器，輸入口光耦隔離，輸出口只用ULN2803A 達林頓管驅動；RS485、RS232， 連接計算機或其他外設部件，擴展輸入/ 輸出口，監(jiān)控數(shù)控磨床加工過程；以太網(wǎng)控制自動化技術（ether control automationtechnology，EtherCAT），即高性能的實時以太網(wǎng)通信協(xié)議，提供穩(wěn)定可靠的實時通信；TPS65219，自帶3 個BUCK 轉換器和4 個VLDO 線性調壓器的電源管理芯片；2 路USB 2.0，數(shù)據(jù)傳輸接口。

1.1 AM623 核心電路設計

數(shù)控系統(tǒng)的主處理器采用德州儀器公司（TI）提供的 AM623 作為處理器核心，AM623 是由四核ARM Cortex-A53+ 單核ARM Cortex-M4F 組成的高性能低功耗異構多核處理器。處理器ARMCortex-A53（64-bit）主處理單元主頻為1.4 GHz，ARM Cortex-M4F 實時處理單元主頻為400 MHz，具有可與CPLD 高速通信的GPMC 并行接口，同時支持雙屏異顯。接口資源豐富，主要包括3x 控制器局域網(wǎng)靈活數(shù)據(jù)速率（controller area networkflexible data-rate，CAN-FD）、9x 通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、多路通用輸入/ 輸出口（general purposeinput/output，GPIO）、通用串行總線（universalserial bus，USB）、低電壓差分信號（low voltagedifferential signaling，LVDS）、液晶顯示屏（liquidcrystal display，LCD）、集成電路總線（interintegratedcircuit，I2C）、串行外設接口（serialperipheral interface，SPI）等。

1.2 系統(tǒng)電源模塊設計

安全可靠的電源是保證系統(tǒng)正常工作的前提，磨床系統(tǒng)中的微控制單元（microcontroller unit，MCU） 四核AM62X 所需電源有3.3 V 的I/O 電源、1.8 V 的晶振、0.75 V 和0.85 V 的核電源以及1.2 V 的雙倍數(shù)據(jù)速率（double data rate，DDR）電源等，通過查找大量電源芯片資料并基于整個系統(tǒng)考慮，本文選擇TPS65219 為AM62X 單獨供電。TPS65219 是一種電源管理芯片，其內部設有3 個直流轉直流（DC-DC）轉換器和4 個低壓差線性調壓器（low dropout regulator，LDO）。Buck1 DC-DC轉換器可提供3.5 A 的電流，Buck2 和Buck3 可分別獨立提供2 A 的電流。每個轉換器的默認輸出電壓都可以通過I2C 接口進行單獨設置，LDO1和LDO2 在0.6 ～ 3.4 V 的輸出電壓范圍內支持400 mA 的輸出電流，LDO3 和LDO4 在輸出電壓范圍為1.2 ～ 3.3 V 時，支持300 mA 的輸出電流，這些設計可以滿足AM623 所需多種電壓電源的需求。

除TPS65219 為AM623 專門供電以外，主板電路還需提供5 V 和3.3 V 電源，繼電器、開關等還需要24 V 電源供電。因此，在主板上還設計了兩個電源電路，分別提供5 V 和24 V 電源。此外，3.3 V 電源使用調壓芯片來實現(xiàn)，AMS1117 是一款800 mA 低電壓調壓器，可以采用降壓方式實現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定輸出。

1.3 CPLD 邏輯控制電路

數(shù)控磨床控制系統(tǒng)使用的另一個核心功能器件是 CPLD，本文選擇的是深圳市紫光同創(chuàng)電子有限公司的PGC1KG_LPG144 [2]。本文的磨床數(shù)控系統(tǒng)中，CPLD 主要實現(xiàn)的功能包括插補算法的硬化運算實現(xiàn)、對交流伺服系統(tǒng)的控制（使能、方向和進給速率）、轉速反饋編碼脈沖倍頻計數(shù)、手輪脈沖計數(shù)、手輪驅動伺服進給控制、刀具選擇、卡盤卡緊和潤滑油開關控制，以及通過直接數(shù)字合成（direct digital synthesis，DDS）生成指定頻率的脈沖和對磨床數(shù)控系統(tǒng)加工過程的實時監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)字差分分析（digital differentialanalyzer，DDA）直線插補運算，確保零件加工過程中精確的路徑規(guī)劃和運動控制，使整個系統(tǒng)處于安全可靠的運行狀態(tài)[3]。

1.4 電子盤和DDR4 內存模塊設計

電子盤（NAND FLASH）的CE# 信號可以啟用或禁用目標中的一個或多個模具。對于16 Gb 的設備，CE1# 控制前8 Gb 的內存；CE2# 控制第2個8 Gb 的內存。傳輸數(shù)據(jù)使用的是16 位數(shù)據(jù)總線，通過16 位數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，每次可以同時傳輸16 位的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣龋瑵M足大數(shù)據(jù)吞吐的需求。因此，存儲磨床系統(tǒng)運行程序以及設置用戶參數(shù)的內存模塊采用NAND FLASH。

目前市面上采用的內存條主要有LPDDR4 和DDR4 兩種[4]。LPDDR4 屬于低壓版本，主要有1.1 V和1.8 V 兩種類型。而AM623 嵌入式系統(tǒng)中的電壓分別為3.3 V、1.8 V、1.2 V 和0.85 V 等。如果使用LPDDR4 還需做調壓處理，考慮到設計的數(shù)控系統(tǒng)主要用于工業(yè)領域，對系統(tǒng)功耗要求不是特別高，因此選用DDR4 作為內存條，且DDR4 內存電路在工作頻率、容量、能耗、帶寬和擴展性等方面都具有優(yōu)勢，可以提供更高的性能和更好的用戶體驗。

DDR4 有x4、x8 和x16 共3 種版本同步動態(tài)隨機存取內存（synchronous dynamic random accessmemory，SDRAM），分別代表了其數(shù)據(jù)隊列（data?queue，DQ）輸入/ 輸出總線寬度。AM623 的DDRDQ 總線有16 根，如果用x4 或x8 版本的DDR4芯片就需要多個芯片，所以最終選用了x16 版本的DDR4 芯片。

1.5 其他外設接口設計

其他功能模塊主要包括伺服驅動模塊、輸入/輸出模塊、編碼器計數(shù)反饋、RS485 通信以及網(wǎng)絡通信模塊等。

伺服軸控制也是數(shù)控裝置最基本的功能，通常采用脈沖式伺服軸接口，其可以通過方向脈沖信號指示轉動方向，通過反饋計數(shù)信號獲取位置信息，實現(xiàn)對伺服軸的精確控制和定位。伺服軸控制框圖如圖3 所示。

RS485 通信電路是一種差分傳輸串口，抗干擾性強，傳輸速度最高可達10 Mb/s，且可連接多個從站，方便建立網(wǎng)絡設備。設置RS485 通信接口主要是方便數(shù)控系統(tǒng)連接上位機，滿足高檔數(shù)控系統(tǒng)需要，并可擴展I/O 端口，控制更多的伺服軸，甚至還可以連接其他RS485 通信設備[5]。

主軸采用增量式光電編碼器，將主軸編碼輸入信號設計成差分信號，通過AM26L32 芯片接收和抑制同步噪聲，處理后的信號發(fā)送到CPLD 進行計數(shù)，完成編碼器計數(shù)反饋的過程。

磨床數(shù)控系統(tǒng)設計了兩路網(wǎng)口電路：一路采用TCP/IP 協(xié)議；另一路采用EtherCAT 協(xié)議。當其中一路網(wǎng)絡通信出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)可以自動切換到另一路網(wǎng)絡通信，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[6]。

2 磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件移植和設計

多核微處理器可以為數(shù)控系統(tǒng)提供強大的計算能力和計算資源，基于多核微處理器的數(shù)控系統(tǒng)需要實時操作系統(tǒng)支持，從而實現(xiàn)各種應用模塊與應用程序。本文選擇了RT-Linux 操作系統(tǒng)作為數(shù)控磨床系統(tǒng)的運行環(huán)境，RT-Linux 移植流程如圖4所示。

RT-Linux 操作系統(tǒng)是一種實時操作系統(tǒng)，具有支持多線程多任務、內核組成模塊化、源碼代碼開放、良好的移植性以及實時性等優(yōu)點[7]。由于RTLinux采用雙內核結構（Linux 內核和實時內核），因此在RT-Linux 應用中存在兩個域，即實時域和非實時域。為了在AM623 處理器中移植RT-Linux操作系統(tǒng)，首先需要在計算機上對標準的Linux 內核源代碼進行實時補丁，然后重新編譯，進而生成實時的Linux 內核RT-Linux。此外，由于嵌入式系統(tǒng)對軟件規(guī)模有嚴格要求，因此還需要對實時操作系統(tǒng)進行適當?shù)牟脺p，包括內核、庫、文件系統(tǒng)和啟動腳本等方面，以更好地滿足磨床數(shù)控系統(tǒng)的需求。移植后進行數(shù)控系統(tǒng)功能軟件設計，包括代碼解釋以及DDA 直線插補模塊。設計完成的磨床數(shù)控系統(tǒng)既能滿足磨床數(shù)控加工過程中的實時性要求，也為用戶對RT-Linux 系統(tǒng)進行二次開發(fā)以及系統(tǒng)功能裁剪提供便捷的途徑[8]。

3 應用與評估

通過對控制系統(tǒng)硬件和軟件的深度開發(fā)，將基于“AM623+CPLD”開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)應用于磨床設備中，并對磨削加工功能和實際效果進行了試加工和綜合評估，數(shù)控磨削加工調試現(xiàn)場圖如圖5 所示。結果表明，使用AM623 構建數(shù)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)用戶的高質量磨削要求，提高了生產(chǎn)效率，具有節(jié)能優(yōu)勢，并且已經(jīng)交付使用，效果較好，達到了合同指標。

4 結語與展望

本文設計了以AM623 作為主處理器、RTLinux實時操縱系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境的磨床數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺，構建了一個具有高實時性、開放性、多功能、低成本等特點的數(shù)控系統(tǒng)。

未來計劃進行系統(tǒng)模塊化、標準化的二次設計，優(yōu)化模塊功能，進一步提高系統(tǒng)可靠性，盡快形成高性能磨床數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品，實現(xiàn)推廣應用，并逐步拓展到其他機床裝備行業(yè)。