嵌入式經濟型數控系統的設計

朱道明，雷 攀

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004）

近年來，嵌入式技術和數控技術相結合，成為了現代數控系統的研究熱點。本文基于嵌入式ARM9微處理器S3C2440和DSP專用的運動控制芯片MCX314As，并結合源代碼開放的實時Linux操作系統，通過軟硬件的自主開發，設計了一種嵌入式經濟型數控系統。

1 系統的硬件設計

本系統選用了ARM9高性能開發板TQS3C2440做主控板，用于人機交互界面、加工程序編輯、數控譯碼、外部通訊等工作；設計了由專用DSP運動控制芯片MCX314As及其外圍電路組成的運動控制板，以運動控制板為下位機，根據主控板傳輸來的命令和數據進行處理，并根據處理結果輸出控制脈沖，從而控制伺服電機的運轉。該系統的硬件結構圖如圖1所示。

圖1 數控系統硬件結構圖

1.1 運動控制芯片的性能

ARM9的S3C2440芯片，具有集成度高、運算速度快、功耗低等優點，主頻高達400 MHz[1]。這樣高的主頻，使處理器能夠輕松地運行數控軟件，以及進行復雜的信息處理，從而使數控系統能夠保持較高的工作效率。

MCX314As是專為精密控制伺服電機或步進電機而設計的DSP運動控制芯片。其有8/16位數據總線接口，4位地址總線接口，通過總線對MCX314As的命令、數據及狀態寄存器進行讀寫，實現四軸三聯動的運動控制和實時監控，實現直線、圓弧、位元三種模式的插補方式，輸出脈沖頻率達4 MHz，精度低于±0.1%PPS[2]。

采用這種的專用運動控制芯片，能夠很大程度上減輕研發數控插補算法的工作量，縮短開發周期。實際工作中，MCX314As芯片主要用來處理極其復雜的實時運動控制工作，而這些工作僅需主控板通過總線向MCX314As芯片發出一些簡單的控制信息便能實現。

1.2 S3C2440與MCX314As的接口設計

在主控板上預留了總線接口電路，該電路將S3C2440芯片上的一些數據線、地址線、片選信號和讀寫控制信號線等引出，方便用戶擴展應用電路[3]。運動控制芯片MCX314As與S3C2440處理器的連接，就是通過該總線接口電路，將兩者的數據線、地址線、讀寫控制線、片選信號和中斷等信號連接起來（如圖2所示）。

圖2 芯片連接圖

MCX314As運動控制器的性能，直接影響系統的整體性能。其所有功能都是通過特定的寄存器控制的，如命令寄存器、數據寄存器、狀態寄存器和配置寄存器。圖中S3C2440的A1-A3與MCX314As的地址線A0-A2相連接，用于產生MCX314As內部寄存器的地址。當MCX314As控制器從主控板得到加工信息的基本數據后（如直線的起始點、進給速度、刀具參數等），在理論輪廓的起終點之間自動計算出若干中間點，將工件輪廓描述出來，并為系統提供運動控制的驅動速度及運動軌跡，從而實現其運動插補功能。

為了使數控系統運行穩定，從圖2中可以看出，在MCX314As芯片向外界輸出的脈沖信號或者外界伺服系統給MCX314As反饋的信號之間，都用光耦進行了光電的隔離，并使用了一些電阻和電容組成RC電路，來進行電路信號的濾波?？傊?，整個數控系統的硬件在接地電路、數字電路和模擬電路的設計上，都力求達到工業控制上所要求的高穩定和高可靠性要求。

2 數控系統軟件設計

數控系統的軟件，是數控系統的重要組成部分，在數控系統的軟件開發中，主要任務是操作系統、MCX314As驅動程序及應用軟件的設計與開發。

2.1 實時操作系統的設計

本數控系統選用Linux作為其操作系統，因為Linux具有運行可靠、源代碼開放、支持多任務等優點，而且Linux具有模塊化的結構，這樣可以根據不同的使用場合，對其進行裁剪和定制。然而，Linux是一種分時操作系統，可以滿足數控系統多任務的要求，但其實時性不能滿足數控系統硬實時性的要求。為此，對Linux操作系統進行了實時化改造。

通過Linux的實時內核補丁Xenomai，在硬件平臺上增加一個硬實時內核，將Linux內核當作Xenomai的優先級最低的任務執行，這樣Linux內核的任務，可以被其他的高優先級的任務搶占CPU，從而保證運動控制的實時性。該搶占機制使得其響應速度特別快。在ARM平臺上Xenomai的中斷響應時間，在內核態不會超過45μs，在用戶態中斷響應時間也在70μs以下[4]，因此能夠滿足數控系統硬實時性的要求。

這樣，操作系統被分成了2個區域：非實時域和實時域，非實時域建立在普通Linux內核基礎上，而實時域建立在實時內核基礎之上。操作系統結構圖如圖3所示。

圖3 操作系統結構圖

數控系統的任務分為兩類：一類為實時任務，例如設備急停、故障檢測等，它們由實時內核負責完成；另一類為非實時任務，如加工信息顯示、加工信息譯碼等，它們由普通Linux內核來處理。兩個內核之間，可以通過管道、共享內存等方式相互通信，共同完成數控系統實時和多任務的要求。

2.2 MCX314As驅動程序設計

驅動程序是上層應用程序操作外部設備的一個橋梁，MCX314As驅動程序主要是由驅動程序的入口函數、出口函數、設備結構體以及file-operations結構體這4部分組成。其中，入口函數完成設備的注冊、中斷資源的申請和初始化工作；出口函數完成設備的注銷和中斷資源的釋放；file-operations結構體完成設備打開、讀、寫、I/O控制、釋放等函數等初始化。MCX314As驅動程序可以編譯成模塊，動態加載到Linux系統中。應用程序對MCX314As設備文件的讀寫操作，實際上就是對MCX314As芯片相應寄存器的讀寫操作，進而完成一系列數控操作。

2.3 應用軟件設計

應用程序主要包括人機交互界面、數控加工代碼譯碼、刀具補償、加工控制和刀具信息數據庫等模塊。通過人機交互模塊，可以新建加工文件，編輯加工程序，然后通過譯碼和刀補模塊將加工程序轉化為對MCX314As的操作信息，最后通過加工控制模塊來控制MCX314As的工作。

將功能強大的應用程序開發框架Qt4/Embedded用于數控系統應用軟件開發，Qt4/Embedded完全面向對象，與C++語言具有良好的兼容性，因此可以將應用程序中的每一功能模塊封裝為一個類，便于開發。圖4為開發的數控系統的實物圖。

圖4 數控系統實物圖

3 結束語

基于嵌入式S3C2440微處理器和MCX314As專用運動控制芯片的數控系統硬件設計方案，為經濟型數控系統的研制，提供了一個可選的較為合理的硬件基礎，以實時Linux為操作系統，同時滿足了數控系統硬實時性和多任務的要求，這種方案能夠大量地減輕研發任務量，提高研發速度。這種新型的嵌入式數控系統，是數控技術的發展方向之一，對企業開發高性能、低成本的經濟型數控系統具有一定的借鑒參考價值。

[1]Samsung Electronics.32-Bit CMOS Microcotroller User’s Manual Revision 1[DB/OL].http://www.samsung.com.

[2]葉佩青，汪勁松.MCX314運動控制芯片與數控系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]馮習賓.一種新型嵌入式局域網數控系統的研究[D].桂林：桂林電子科技大學，2010.

[4]韓首謙，裴海龍，王清陽.基于Xenomai的實時嵌入式Linux操作系統的構建[J].計算機工程與設計，2011，(1)：96-98.