摘 要: 本文分析了當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并針對(duì)中小型數(shù)控系統(tǒng)，提出了一個(gè)基于雙ARM 控制器的數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，給出了其技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方法。該平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，具有很高的性價(jià)比，可以應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)中，縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，有利于較復(fù)雜的中小型數(shù)控系統(tǒng)微型化和產(chǎn)業(yè)化。 關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng)；ARM；Modbus [b] 1 引言 [/b] 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)[1-2]。 隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案也越來(lái)越多，目前的數(shù)控系統(tǒng)，比較常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方案有以下幾種：基于PLC 控制器﹑基于運(yùn)動(dòng)控制卡﹑基于運(yùn)動(dòng)控制芯片﹑基于單片機(jī)。對(duì)于復(fù)雜的，大中型的數(shù)控系統(tǒng)而言，基于PLC 的運(yùn)動(dòng)控制方案，基于運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案或者基于運(yùn)動(dòng)控制芯片的控制方案是比較適合的解決方案，總能在性能和價(jià)格上找到一個(gè)平衡點(diǎn)；而對(duì)于中小型的系統(tǒng)，比如雙軸控制系統(tǒng)，方案的選擇比較困難，基于控制卡這樣的解決方案顯得造價(jià)偏高，基于單片機(jī)控制這樣的解決方案，性能又很難得到保證。 本文正是基于這樣一個(gè)現(xiàn)狀而進(jìn)行的研究，其主要目的就是設(shè)計(jì)出一個(gè)用于中小型數(shù)控系統(tǒng)的高性價(jià)比，高靈活性，并具有較強(qiáng)擴(kuò)展性的數(shù)控平臺(tái)。為中小型數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供切實(shí)可行的解決方案。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)框圖 就一般數(shù)控系統(tǒng)而言，其應(yīng)用需求主要包括人機(jī)交互和控制兩個(gè)大的部分，本系統(tǒng)在此之上又增加了系統(tǒng)擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。 圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 2.2 選型分析 主要對(duì)“嵌入式處理器選型”，“雙ARM 控制器架構(gòu)”和“脈沖發(fā)送方案”進(jìn)行分析。 （1） 嵌入式處理器選型 嵌入式系統(tǒng)硬件的核心部分是各種類型的嵌入式處理器，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000 多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30 多個(gè)系列。尋址空間一般從64KB 到64MB，處理器速度從0.1MIPS 到200MIPS，字長(zhǎng)從8 位、16 位、到32 位。 目前比較流行的嵌入式處理器主要是8 位的C51 核的單片機(jī)和32 位的高性能處理器，通常情況下51 核的單片機(jī)可尋址空間為64kB，機(jī)器周期為晶振的12 分頻，其應(yīng)用范圍主要是速度要求不嚴(yán)格，代碼容量要求低的簡(jiǎn)單嵌入式控制系統(tǒng)。32 位的高性能處理器目前主要有PowerPC、68K、MIPS、ARM 等系列，而這其中ARM 控制器則是憑借其功耗低、性價(jià)比高、代碼密度高三大特色成為行業(yè)公認(rèn)的嵌入式RISC 處理器標(biāo)準(zhǔn)。鑒于上述比較，最終選擇了ARM 系列的控制器。 （2） 雙ARM 控制器選型依據(jù) 在本系統(tǒng)中使用了兩片ARM 控制器，一片專門負(fù)責(zé)人機(jī)交互和參數(shù)存儲(chǔ)以及系統(tǒng)擴(kuò)展等操作，另一片則專注于控制。這樣選取主要有兩個(gè)原因：第一，目前最常用的單色LCD 控制器SED1335 的數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)于ARM 芯片來(lái)講顯得十分緩慢，經(jīng)過(guò)初期的計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，刷新一屏320＊240 點(diǎn)的圖片最快需要130ms 左右，所以在顯示任務(wù)繁重的時(shí)候其它任務(wù)的實(shí)時(shí)性很難保證，LCD 屏顯示的速度成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方案：選擇一款片內(nèi)集成LCD 控制器的微控制器或者使用兩片微控制器分別負(fù)責(zé)人機(jī)交互和控制。一般情況下，集成LCD 控制器的微控制器價(jià)格普遍偏高，因此采取了第二種解決方法，并且通過(guò)職責(zé)分開(kāi)，另一片CPU 專門負(fù)責(zé)控制，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可以滿足更為苛刻的系統(tǒng)需求。第二個(gè)原因：通過(guò)職責(zé)分開(kāi)，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的并行性和修改的靈活性。在設(shè)計(jì)控制程序的同時(shí)其它模塊的設(shè)計(jì)工作可以同時(shí)進(jìn)行，并且兩個(gè)部分可以單獨(dú)調(diào)試，互不影響。同時(shí)，當(dāng)需要修改系統(tǒng)功能時(shí)，可以只對(duì)相關(guān)的控制器一側(cè)進(jìn)行改動(dòng)，不會(huì)影響另一側(cè)的控制器功能，從而使功能修改變得簡(jiǎn)單易行。 （3） 脈沖發(fā)送模塊硬件選型 本系統(tǒng)中的脈沖發(fā)送模塊并沒(méi)有使用專用的電機(jī)控制芯片，比如MCX314。其主要原因是這類芯片價(jià)格高昂。因?yàn)橄到y(tǒng)控制部分由專職處理器負(fù)責(zé)，因此系統(tǒng)的性能并不會(huì)因此而降低。 [b] 3 系統(tǒng)組件設(shè)計(jì) [/b] 3.1 雙CPU 通訊模塊設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn) 在雙CPU 或多CPU 設(shè)計(jì)中，CPU 之間的協(xié)同工作是必須解決的問(wèn)題。根據(jù)不同的系統(tǒng)的具體情況，有不同的解決方案，就一般方法而言主要有以下幾種方案。 （1） 雙CPU 數(shù)據(jù)線通過(guò)雙向緩沖器對(duì)接，另外設(shè)計(jì)幾根I/O 線作為握手信號(hào) 這種方案硬件上比較簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，但是容易影響其它硬件模塊尤其是外存的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)不同的CPU 進(jìn)行仔細(xì)考慮，避免出現(xiàn)沖突，并且這種設(shè)計(jì)方案使得軟件設(shè)計(jì)變得頗為復(fù)雜，并且極容易出錯(cuò)，出現(xiàn)沖突情況，所以這種方案很少使用。 （ 2） 雙端口RAM 方案 這種方案的方法是在CPU 之間加上一片雙端口RAM，CPU 之間可以同時(shí)訪問(wèn)雙端口RAM，通過(guò)雙端口RAM 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。這種方案的硬件連接示意圖如圖2 所示。 雙端口RAM 一般在CPU 之間通訊數(shù)據(jù)量較大的時(shí)候效率很高，數(shù)據(jù)吞吐量很大，在一些高端產(chǎn)品中經(jīng)常被使用。但雙端口RAM 的價(jià)格比較昂貴，也在一定程度上限制了它的應(yīng)用。 （3） 通訊接口互連方案 通訊接口互連方案就是將兩片CPU 通過(guò)芯片內(nèi)集成的或外擴(kuò)的通訊接口進(jìn)行互連，通過(guò)通訊接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這種方案特別適合于CPU 間以數(shù)據(jù)包的形式交換數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，這種方案方便﹑簡(jiǎn)捷，每個(gè)CPU 可以單獨(dú)進(jìn)行通訊功能和其它功能的調(diào)試，互不影響，彼此之間耦合性很小。但是需要額外增加的工作就是需要編寫相關(guān)通訊接口的驅(qū)動(dòng)程序，并且制定CPU 間的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。這種方案相對(duì)雙端口RAM 方案價(jià)格便宜，但是速度相對(duì)于雙端口RAM 方案要低。通訊接口互連方案如圖3 所示。 下面分別對(duì)通訊介質(zhì)進(jìn)行介紹：第一，Ethernet 網(wǎng)口。這種通訊方式速度高，可以達(dá)到100Mbps，但是硬件成本較高，軟件開(kāi)發(fā)工作量大，所以在雙CPU 協(xié)同工作設(shè)計(jì)中很少使用這種方式實(shí)現(xiàn)CPU 間的數(shù)據(jù)交換。第二，I2C 接口和SPI 接口，這兩種接口在一般的控制器中都能集成通訊控制器。這種方案一般不會(huì)增加硬件成本，只需編寫驅(qū)動(dòng)程序，但是通訊速度偏低，適合于數(shù)據(jù)交互量低，對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中這種方式經(jīng)常被使用。第三，UART 串口。在一般的嵌入式控制器中都能集成串口控制器，在用于雙CPU 數(shù)據(jù)交互的情況下，不需要外接電平轉(zhuǎn)換芯片，因此這種方案也不會(huì)增加硬件成本，只需編寫驅(qū)動(dòng)程序即可。類似于I2C 通訊和SPI 通訊，這種方案的數(shù)據(jù)吞吐量偏低，不適合需要大量數(shù)據(jù)交互的場(chǎng)合，但是因?yàn)榇谕ㄓ嵉膽?yīng)用普遍性和操作簡(jiǎn)易性，這種方案在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還是被廣泛采用的。 通過(guò)上述比較，最終本文選用UART 接口通訊作為雙CPU 之間的數(shù)據(jù)交互方案，這種方案的連線示意圖如圖4 所示。 3.2 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn) 人機(jī)交互部分采用液晶顯示模塊LCM 作為界面平臺(tái)。LCM 與控制器的連接如圖5 所示。 界面設(shè)計(jì)上基于ZLG/GUI 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ZLG/GUI 是專為嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)易的圖形用戶界面設(shè)計(jì)的軟件，占用資源小，使用方便。提供了最基本的畫點(diǎn)、線、圓形、圓弧、橢圓形、矩形、正方形和填充等功能，較高級(jí)的接口功能有ASCII 顯示，漢字顯示，圖標(biāo)顯示、窗口和菜單等，支持單色、灰度、偽彩和真彩等圖形顯示設(shè)備。 3.3 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 控制模塊操作的硬件包括：數(shù)字量輸入DI，數(shù)字量輸出DO，0-5V DA 輸出，步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出等等。數(shù)字量輸入輸出和DA 輸出控制比較常規(guī)，這里僅對(duì)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出進(jìn)行分析。 為了保證在進(jìn)給時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩等現(xiàn)象，能夠按照預(yù)定的速度和位置實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)，加給電機(jī)的輸入脈沖要按照一定的規(guī)律給出，這就是加減速控制。常見(jiàn)的加減速曲線有以下幾種：階梯加減速曲線，直線加減速曲線，指數(shù)加減速曲線，S 形加減速曲線[3-4]。 每種曲線都有不同的適用場(chǎng)合，具體選擇那一種方式還應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。 圖7 是本文選用“直線加減速曲線”方案發(fā)送的一組脈沖在邏輯分析儀下的截圖。 3.4 通訊接口設(shè)計(jì)方案 增設(shè)“系統(tǒng)擴(kuò)展通訊接口”主要是為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，便于連接其它設(shè)備。本通訊接口的通訊協(xié)議選擇了工業(yè)上廣泛使用的Modbus 協(xié)議，通訊介質(zhì)選擇了RS485 接口。 Modbus 協(xié)議中規(guī)定了1-255 個(gè)功能碼（部分功能碼保留），但最為常用的是因此本系統(tǒng)中只對(duì)功能碼1-6 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 [b] 4 小結(jié) [/b] 本文在充分研究了國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀之后，針對(duì)中小型數(shù)控系統(tǒng)選型困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)高效，廉價(jià)，又具有較強(qiáng)可擴(kuò)展性的數(shù)控開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而為中小型數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了參考和平臺(tái)。基于該平臺(tái)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出一款應(yīng)用于制袋機(jī)行業(yè)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并且運(yùn)行效果良好，控制精度較高，人機(jī)界面友好。相信隨著此開(kāi)發(fā)平臺(tái)的不斷成熟和完善，一定能在中小型數(shù)控系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 韓權(quán)利,馬宏偉,張斌等.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2001,30（1）:4-5. 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