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2 0 1 2年 4月 第 4 0卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 7 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 7 ． 0 3 2 基于 A R M和 R T L i n u x 的嵌入式机床数控系统设计 冷春艳 ，徐鸣鹤 ，田丰 1 ．电子科技大学光 电信息学院，四川成都 6 1 0 0 5 4 ；2 ．湖北省水利水电勘 测设计院，湖北武汉 4 3 0 0 6 4 ； 3 ．沈阳理工大学机械工程 学院，辽宁沈阳 1 1 0 1 6 8 摘要分析常见机床数控系统的不足后提出一种基于A R MD S P双核和 R T L i n u x 操作系统的嵌入式机床数控系统设计 方案，详细介绍该系统硬件结构和软件设计，为现有的机床数控系统的升级和改造提供了很好的借鉴。 关键词A R M；D S P ；数控系统；R T L i n u x操作系统 中图分类号 T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 71 0 4 4 De s i g n o f Embe dd e d CNC La t he Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n ARM a n d RT- Li n ux L ENG Ch u n y a n ，XU Mi n g h e ， T I AN Fe ng 1 ． S c h o o l o f O p t o e l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ，U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 5 4，C h i n a ； 2 ． Hu b e i I n s t i t u t e o f S u r v e y De s i g n f o r W a t e r Re s o u r c e s＆ W a t e r Po we r En g i n e e r i n g， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 6 4，Ch i n a； 3 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h e n y a n g L i g o n g U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 6 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h a n a l y z i n g t h e i n s u ffic i e n c y o f e x i s t i n g c o mmo n NC s y s t e ms ， a d e s i g n o f a e mb e d d e d NC s y s t e m b a s e d o n ARM DS P d u al c o r e a n d R T L i n u x o p e r a t i n g s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ． T h e h a r d w a r e s t r u c t u r e a n d s o f t w a r e d e s i g n w e r e i l l u s t r a t e d ． I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r i mp r o v i n g t h e e x i s t i n g NC s y s t e ms ． Ke y wo r dsARM ； DS P； CNC s y s t e m； RT Li nu x o p e r a t i n g s y s t e m 数控技术是一项始于 2 0世纪4 0年代前后 ，综合 应用了微电子、计算机、自动控制、电气传动、测量 技术、制造技术等多学科的最新研究成果的新技术。 数控技术先进 与否 ，能在很 大程度上决定一个 国家的 工业化 水平。 目前国内常用的数控系统多为基于单片机和基于 P C这两种 。对于 以 8 ／ 1 6位 的单 片机作为控制 核心 的 数控系统，由于单片机系统的内部资源有限，一般需 要扩展外部资 源 ，且 较多地 采用 汇编语 言进行 编程 ， 给程序的移植带来了困难，并且因为无法支持操作系 统 ，所 以程序 的实时性无法 得到保证 。基 于 P C的数 控系统虽然利用了通用 P c丰富的软硬件资源，能够 很快开发 出独具特色 的软件 系统 ，但是依然存在资 源 浪费 比较 严重 、稳定性 差 的不 足 ，采用 通 用 的 Wi n d o w s 操作 系统 ，由于 微 软 的技术 封 锁 ，造 成 了用 户 无法对底层硬件及操作 系统进行最优配置 、实 时性难 以保证 以及二 次开发 困难 等问题 。 随着 A R M 及 D S P等嵌入式微处理器的快速发 展，目前数控技术遇到的问题便可以得到很好的解 决。嵌入式是以应用为中心、以计算机技术为基础 、 软硬件可剪裁 、适用于应用系统，对功能 、可靠性 、 成本 、体积 、功耗严格要求的专用计算机系统。它的 主要特点是嵌入、专用。鉴于嵌入式系统的专用性和 软硬件可剪裁，能使各种资源得到最合理的配置和应 用 。作者 以 A R M 9芯片 3 C 2 4 4 0 A为整个 控制 系统 的 核心 ，操作 系 统 采用 免 费开 源 的 实 时操 作 系 统 R T L i n u x ，D S P芯片 T MS 3 2 0 F 2 4 0在 3 C 2 4 4 0 A的 控制 下 作 为运 动控制 卡的核 心 ，两 芯片间采用 S P I 接 口进行 连接 ，以 L C D液 晶显示屏 作 为人 机界 面。该数 控 系 统无论在速度 、精度还是成本 、易操作等方面，都很 适合于一般的数控机床 。 1 数控系统硬件平台构架 系统设计 首先要 考 虑 的是 硬件 选 择 ，从 硬 件 速 度、硬件功能、内存管理、I ／ 0口、可扩展性 、可维 护性 等方面进行 考虑 。A R M 控制 能力 强 ，内部 资源 丰富 ，可以用 来运行 交互界 面和各种 应用程 序 ；D S P 则是具有很强的数据处理能力 ，能将 A R M对外部输 入信息进行处理后产生的数据作出相应的处理来控制 机床的运行，同时将机床反馈的信息再返 回给 A R M 来处理 。这样 ，A R M 和 D S P就 构成 了一个 双 C P U的 主从式结构，其中A R M为内核的主控板称为上位机 ， D S P为 内核 的从 C P U称为 下位 机 ，上 位机 与 下位 机 之间通过 S P I 接 口进行连 接。系统的硬件设计 框 图如 收稿 日期 2 0 1 1 0 33 1 作者简介冷春艳 1 9 8 7 一 ，硕士，研究方向为嵌入式系统的开发与应用。Em a i l l e n g c y 0 2 0 2 s i n a ． C O ln 。 第 7期 冷春艳 等基于 A R M和 R T L i n u x的嵌入式机床数控系统设计 1 0 5 I LC D 3 C 2 4 4 0 片 A T M S 3 2 0 F 2 4 0 E羹 PM 7160S l讯 接 口 卜．_ f 卜 _ 叫 卜．_ ． 。 I ． 烹 I ． ．I主 。广 工 上 - _ ] l编 码 及 馈 l f l N A N D F l a s h l I S D R A M l J 伺服『 ] 广l 图 1 系统整体硬件框图 1 ． 1 基 于 A R M 的主 控板 如 图 1所示 ，主控板包 括 A R M 微处 理器 、同步 动态内存 S D R A M和 F l a s h闪存芯片、L C D显示屏及 其接口以及 U S B接口、串口和以太网接口等。 A R M微处理 器采用 S U M S U N G的 s 3 C 2 4 4 0 A微处 理器芯 片 。 3 C 2 4 4 0 A是 一 款 基 于 A R M 9 2 0 T内核 的 1 6 ／ 3 2位 R I S C处理器 ，它的工作 电压极低，可分别 在 1 ． 2和 1 ． 3 V的电压下正常工作 ，而此时的主频却 分别可 以达到 3 0 0和 4 0 0 M H z 。该 内核采用 内存管理 单元 MM U 、高级微控制器总线结构和哈佛缓存结 构 ，有独 立 的 1 6 k B的指令 缓存 和 1 6 k B数 据缓存 ， 性能高 、功耗小 、体积小 、支持 L C D液晶屏。 3 C 2 4 4 0 A仅有 4 k B的内部 R A M，一般操作系 统的启动和 引导程 序都 是在 外部 N A N D F l a s h上 进行 的 ，而操作 系统 和 主程 序在 运行 时 一般 会 被 引导 到 S D R A M上 进 行 。从 N A N D F l a s h启 动 C P U时 ，C P U 会通过内部的硬件将 N A N D F l a s h开始的4 k B数据复 制到称 为 “ S t e p p i n g s t o n e ” 的 4 k B 的 内 部 R A M 中 起始地址为 0 ，然后系统 自动执行这些载入的引导 代码。一 般情 况 下，这 4 k B的 引导代 码 需要 将 N A N D F l a s h中程序 内容拷贝到 S D R A M 中，在引导码 执行完毕后跳转到 S D R A M执行。因此 3 C 2 4 4 0 A周 围需要扩展出同步动态 内存 S D R A M和 F l a s h闪存芯 片来存放各种程序与数据。 S P I 接口用于 A R M和 D S P之间的命令传输，串 口可以用来调试系统程序 ，以太网接 口可以将该控制 模块与外部网络连接起来 ，构成一个控制网络，这样 就可以实现一人多机的管理模式。U S B接口的设计 ， 就可以使用 u盘进行数控文件的存储传输和系统的 升级 ，减少了以后系统改造时的困难。L C D液晶屏 接 口用于连接 T F I 型的 L C D，显示用户界面。 1 ． 2基于 D S P的下位机 在高速、高精度的数控机床中，由于要做大量的 复杂运算，因此传统的单片机已经不能满足系统的要 求了，而 D S P数字信号处理器时钟频率高，处理速 度快 ，所以是单片机的理想替代品。C P L D器件的逻 辑单元大，单元功能强大，单元内互联关系简单，电 路延时小，所以适合控制器这类逻辑型系统。作者就 采用 D S P芯片和复杂可 编程逻辑器 件 C P L D构成 多轴运 动控制卡。 T I 公司D S P数字信号处理器 T MS 3 2 0 F 2 4 0内部的 模数转换模块包括两个独立的采样 、保持电路和两个 1 0位双积分型的转换器 ，1 6路模拟输入通道，可同 时转换 2路信号。D S P还增加了串、并口的数量和速 度 ，其处理一条指令的时间提高到几十纳秒，数据吞 吐能力 达到 8 0 M I ／ s 以上 ，非常适用 于大数据量 的高 速数据采集系 统和实 时控 制 系统 ，并能 对 A ／ D转换 的 结 果 进 行 F F T 分 析 、小 波 分 析 等 。 因 此 ， T M S 3 2 0 F 2 4 0 对精密数控系统来说是一种极佳 的选 择 。 C P L D器件选用 A l t e r a 公司的 MA X 7 0 0 0 S系列 的 E P M 7 1 6 0 S 。它以第二代 多 阵列矩 阵结 构为基 础 ，是 一 种高性能 C M O S E E P R O M逻辑 密度为 3 2 0 0个可 用编程 门电路 ，1 6 0个宏 单 元 ，1 0 4个 I ／ O管 脚 ，另 外还有系统可编程功能、J T A G便捷测试电路等。 插补是数控 系统 的核心 ，数控系统正是通 过插补 计算 ，才能加工出各种复杂轮廓的零件，并且各种复 杂轮廓的精度也是由插补任务保证的。在该设计 中， T MS 3 2 0 F 2 4 0通过一定的插补算法将当前的反馈位置 信号与插补计算的理论位置相 比较，通过环行分配 ， 确定 、 轴 的进 给 脉 冲 ；进 给脉 冲 通过 光 电隔离 、 信号放大驱动 、。 轴步进电机完成相应的加工运动； 软件同时完成升降速控制、刀架转位控制以及螺纹加 工程序。C P L D则主要实现地址译码、开关量输入输 出、编码器反馈信号和手轮脉冲输入处理以及与 D S P 的并行通讯的逻辑处理等功能 。 1 ． 3 S P I 接 口 S P I S e r i a l P e r i p h e r a l I n t e r f a c e 是 一种 高 速 的、 全双工、同步串行外设接 口，它可以使 M C U与各种 外围设备以串行方式进行通信以交换信息。S P I 总线 系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接 接 口，该接 口一般使用 4条线串行时钟线 S P I S - C K 、主机输A ． ／ 从机输出数据线 S P I MI S O 、主机 输出／ 从机输入数据线 S P I MO S I 和从机传输时能 S P I S T E 。在点对点的通信中，S P I 接口不需要进行 寻址操作，显得简单高效。因此作者选择 S P I 接 口作 为上位机与下位机之间的接口，A R M处理器与 D S P 芯片依然遵循 A R M为主、D S P为从的主从工作方式， 它们之间的硬件连接图如图 2所示。 3 C 2 4 4 0 A有两 个 S P I 接 口 S P 1 0和 S P I 1 ，分别由 G P E 1 1 - 1 3 、G P G 2 1 0 6 机床与液压 第 4 0卷 和 G P G 5 7 、G P G 3这 两组 管脚 引 出 ，这 里选 择 它 的 S P 1 0接 口 ，S P I M I S O 0 、S P I M O S 1 0 、S P I C L K 0 、n S S 0管脚分别与 D S P芯片对应 的 S P I 接 口管脚 S P I S O MI 、 S P I S I MO、S P I C L K、S P I S T E相连 。 S 3 C2 4 4 0 A TM 3 20 F2 4 0 Ma s t e r ， S I a v e 0 M a s t e r ／ S l a v e l S P I MI SO 0 S P I S0M I S PI M oS 1 0 S P I S I M o S PI CLK 0 S PI CLK nSS 0 SPI STE 图 2 A R M与 D S P之间的硬件连接 图 2 R T ． L i n u x实时操作 系统 操作系统是整个数控系统软件编写与运行的基 础 ，选择一个好的操作系统对一个数控系统尤为重 要 。L i n u x 作为嵌入式操作 系统 的后 起之 秀 ，以其 源 代码 开放 、免费 、可定制 、稳定性强 、对 网络支持好 等优点，逐渐成为最受开发者欢迎的操作系统，但在 实时性方面还存在着不足 。针对实时性要求较严格 的 数控 系统 ，作者选择 了 L i n u x 操作 系统 的实 时化 版本 R T L i n u x 。R T L i n u x 是一个硬 实时操作 系统 ，它将 L i n u x 作为最低优先级 的执行线程运行 。L i n u x 线程被 做成完全可抢先的，使实时线程和中断处理子程序永 远不会被非实时操作延迟。R T ． L i n u x中的实时线程可 以通过共享内存或一个类似于文件的接 口 F I F O管 道与 L i n u x 中的进程通信，这样实时应用程序就能 够利用 L i n u x 所有强大 的、非实 时的服务 。这些服务 包括网络功能、图形功能、窗口系统、数据分析程 序包 、L i n u x 设备 驱动程序 以及标 准 的 P O S I x A P I 。由 于 R T - L i n u x 采用 的是双 内核结构 L i n u x内核及实 时 内核 ，所 以从 R T L i n u x 应用来 看 ，存在两个域 ，一 个是实时域 ，一个是非实时域 。 要在 A R M处理器上移植 R T ． L i n u x 操 作系统 ，首 先要在 P c机上对标准的 L i n u x内核源代码打实时补 丁 R T L i n u x ，然后重新 编译 ，就 能得 到实 时 的 L i n u x 内核 r t z I m a g e 了。另外，由于嵌入式系统对软件的体 积有着严格的要求，因此还要对这个实时的操作系统 进行内核、库、文件系统、启动脚本等方面的适当裁 减，使它适合数控系统的需要。 3系统软件结构 数控系统要在软件层实现的基本功能有数控程 序的译码、插补运算、速度预处理、刀具补偿、位置 控制、操作界面显示等。这些功能可以划分为 3 个模 块界面层、实时任务层、非实时任务层。具体结构 见 ． 图 3 一 甲 早 早甲 非 妄 障审审 嘲 申审 时 实 时 管 道 与 共 享 内 存 J 实 时 熏 ⋯ 层 1 l l 图3 系统软件结构图 3 ． 1 界 面层 主界面负责显示数控机床当前的运行状态，同时 响应用户的操作指令实现对系统的控制。主界面通过 Q T E m b e d d e d 派生 的一个窗 口类 ，当捕获 到操作指 令 时系统会根据判断切换到相应的子窗 口，如图 3所 示，有文件管理窗口、工作方式设置窗口、参数设定 窗 口等 。这 些子 界 面也 是 通过 Q T ． E m b e d d e d派 生 的 窗口类，通过 Q T - E m b e d d e d的控件来接受用户输入 的设定值 ，如对主轴速率、进给倍率等的控制、对刀 具补偿以及系统参数的修改等，完成对系统的控制。 3 ． 2非 实时层 非实时层的任务是与运动控制间接相关或无关的 功能 ，如图 3 所示 的数控程序 文件解 释模块 、刀具补 偿 、速度预处理 以及各种参数 的设置 。数控程序 的译 码是 实现加工速度控制 和轨迹插补 的前 提和基 础 ，它 通过对 N C代码的解释以获取刀工位置和运动趋势的 信息，从而生成刀具运动轨迹数据，这样机床加工所 需 的基本功能才能实现 。经过译码后 的数据段 主要 分 为三部分 ，分别是 F指令 供速度控制任务使用 ， G指令 供插补任务使用 和 T 、s 、M指令 供逻 辑控制使用 。速度预处理主要完成刀具补偿和前加 减速处理 ，经过译码后的数据段坐标参数必须放到刀 补缓冲区进行刀补处理后才能存入到插补缓冲区供插 补任务处理。这些任务就算偶尔延迟，也不会造成很 大的影响，所以可以归类为非实时任务。 3 ． 3 实时层 实 时层 的任务模块 与运动控制 功能 密切 相关 ，它 包含具有强实时性的任务模块。比如插补任务、与下 位机的通讯、位置控制指令、手动模块以及途中未标 第 7期 冷春艳 等基于 A R M和 R T ． L i n u x的嵌入式机床数控系统设计 1 0 7 明的 C P L D执行模块 等。插补任务是根 据进给 速度的 要求，在刀具运行轨迹的起点与终点之间计算出若干 个 中间点 的坐标值 。这些坐标值的精度会影 响到整个 数控系统的控制精度，因此作者采用两次插补来提高 系统精度。A R M负责的粗插补将 G代码转换为比较 详细的轨迹点信息 ，D S P负责的精插补则将这些信息 完全转换为能直接输 向伺 服驱动器的脉冲信号 。位置 控制需要 比较插补计 算得到 的值与传感器检测到 的实 际值 ，确定位置偏差，然后根据控制算法把计算值发 送到脉冲发送器，通过脉冲信号发送给伺服驱动器 ， 以便各轴的移动量能在系统的控制下完成。这些任务 能否及时完成直接影 p i l a u 系统 的安 全 ，所 以需要绝对 保证它 的实时性 ，因此把它 归类 为实时任务 。对于实 时任务 ，要放在实时域，由R T ． L i n u x下面的实时模 块来 完成 。 实时模 块是 通过 R T L i n u x的实 时时 钟 中断来 保 障的。R T L i n u x 周期性地唤醒处理程序。该程序的处 理 流程如下 1 和下位机通 过 S P I 接 口通讯 ，获得伺服驱动 器 的状 态反 馈 ； 2 通过界面层获取用户的操作指令； 3 根据 当时的机器动作指令 、机器状态和机 器状态反馈计算下一步的动作和机器状态 ； 4 向下位 机发送 控 制指令 ，执行 上位 机 的控 制指令 。 4 结束语 基 于 A R M 和 R T - L i n u x的嵌 入式机床数控 系统具 有 良好的稳定性、可靠性和可维护性。所设计的软硬 件经实际运行 ，具有 良好 的性能 ，能较好地完成数控 系统所要求的各项工作 。所 以 ，A R M 9的强大功 能加 上实 时的 R T ． L i n u x所搭建 的系统是 完全 可 以满足 有 较高精度和速度要求的数控系统的，为现有的数控系 统的升级和改造提供 了很好的借鉴，具有广泛的发展 前景。 参考文献 【 1 】刘学鹏 ， 赵冬梅． 基于 D S P开放数控系统的嵌入式运动 控制器设计及实现[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 8 1 720． 【 2 】姜酷． 基 于 R T L i n u x的嵌入式实时系统设计 [ D ] ． 杭 州 浙江大学， 2 0 0 3 ． 【 3 】杨军． 基于 A R M的嵌入式机床数控系统的研究与开发 [ D] ． 南京 南京航空航天大学， 2 0 0 8 ． 【 4 】韦东山． 嵌入式 L i n u x 应用开发完全手册[ M] ． 北京 人 民邮电出版社， 2 0 0 8 ． 【 5 】王孙安， 张进华 ， 吴明军． 基于 A R M的开放式数控系统 的研究[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 7 9 5 4 5 8 ． 上接 第 1 0 3页 3 仿真分析与试验验证 比较 根 据 系 统 仿 真 模 型 ， 在没有加 入伺 服 放大 板 与 1 2 比例放大板的死 区、颤 皇 l 8V 震， 阀控马达摩擦，负载 干扰等非线性因素，同时 其他 3个输 入 量被 调 为恒 值 不 采用 控制器 对 比例 阀进行 主 动控 制 时 ，通 过图7的油源压力仿 真结 。 。 。。 。 。 。 。。 。 。 。 。 图 7 恒压油源压 力仿真结果 果 转 台单框 在 1 。 ／ s 速 度 下开 环 运行 可 以看 出 油源系统能够将压力稳 定在 1 5 ． 2 MP a ，误差 1 ． 5 ％的 范 围内。 实际系统 比例减压阀出 口压力在 1 6 s内升至 1 5 ． 2 M P a ，仿真 系统为 1 3 S ，实际系统减压 阀入 口压 力 从 1 6 ． 0 MP a到 2 5 ． 0 MP a 时 间为 1 8 7 9 s ，压力超 过 2 5 ． 0 M P a 溢流阀完全打开 ，在 1 s 内跌至 1 6 ． 0 M P a 。 图8是与仿真曲线相对应的实际测量的压力波动曲线 及局部放大效果 以测量开始时间定为0时刻 。 l l 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 t ／ s a 实测 结果 3． 8 4 4 ． 2 4． 4 4 ． 6 4． 8 5 5． 5 t ／ s b 局部 放 大图 图 8 恒压油源实测结果及局部放大效果 通过仿真与实际试验验证 ，转 台油源达到 了设计 要求 。 参考文献 【 1 】 王旭永． 三轴转台外框电液位置伺服系统低速运动的研 究[ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学机 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】李洪仁． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 0 1 1 11 1 3 ． 【 3 】 T O M I Z U K A M， H U J ， C H I U T ， S y n c h r o n i z a t i o n o f T w o M o ． t i o n C o n t r o l A x e s u n d e r A d a p t i v e F e e d f o r w a r d C o n t r o l 『 J ] ． T r a n s o f t h e A S M E， 2 0 0 2 ， 1 1 4 3 2 7 ． 【 4 】 王占林， 李培滋． 飞机液压传动与伺服控制 下册 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 8 0 1 0 21 0 5 ． 一 一 一 ～ 一 一 一 一 一 L
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