朱道明，雷 攀

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

近年來，嵌入式技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，成為了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。本文基于嵌入式ARM9微處理器S3C2440和DSP專用的運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As，并結(jié)合源代碼開放的實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，通過軟硬件的自主開發(fā)，設(shè)計(jì)了一種嵌入式經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用了ARM9高性能開發(fā)板TQS3C2440做主控板，用于人機(jī)交互界面、加工程序編輯、數(shù)控譯碼、外部通訊等工作；設(shè)計(jì)了由專用DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314As及其外圍電路組成的運(yùn)動(dòng)控制板，以運(yùn)動(dòng)控制板為下位機(jī)，根據(jù)主控板傳輸來的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果輸出控制脈沖，從而控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 運(yùn)動(dòng)控制芯片的性能

ARM9的S3C2440芯片，具有集成度高、運(yùn)算速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，主頻高達(dá)400 MHz[1]。這樣高的主頻，使處理器能夠輕松地運(yùn)行數(shù)控軟件，以及進(jìn)行復(fù)雜的信息處理，從而使數(shù)控系統(tǒng)能夠保持較高的工作效率。

MCX314As是專為精密控制伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計(jì)的DSP運(yùn)動(dòng)控制芯片。其有8/16位數(shù)據(jù)總線接口，4位地址總線接口，通過總線對(duì)MCX314As的命令、數(shù)據(jù)及狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、位元三種模式的插補(bǔ)方式，輸出脈沖頻率達(dá)4 MHz，精度低于±0.1%PPS[2]。

采用這種的專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，能夠很大程度上減輕研發(fā)數(shù)控插補(bǔ)算法的工作量，縮短開發(fā)周期。實(shí)際工作中，MCX314As芯片主要用來處理極其復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制工作，而這些工作僅需主控板通過總線向MCX314As芯片發(fā)出一些簡(jiǎn)單的控制信息便能實(shí)現(xiàn)。

1.2 S3C2440與MCX314As的接口設(shè)計(jì)

在主控板上預(yù)留了總線接口電路，該電路將S3C2440芯片上的一些數(shù)據(jù)線、地址線、片選信號(hào)和讀寫控制信號(hào)線等引出，方便用戶擴(kuò)展應(yīng)用電路[3]。運(yùn)動(dòng)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(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線、片選信號(hào)和中斷等信號(hào)連接起來（如圖2所示）。

圖2 芯片連接圖

MCX314As運(yùn)動(dòng)控制器的性能，直接影響系統(tǒng)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(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)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(chǎn)生MCX314As內(nèi)部寄存器的地址。當(dāng)MCX314As控制器從主控板得到加工信息的基本數(shù)據(jù)后（如直線的起始點(diǎn)、進(jìn)給速度、刀具參數(shù)等），在理論輪廓的起終點(diǎn)之間自動(dòng)計(jì)算出若干中間點(diǎn)，將工件輪廓描述出來，并為系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)功能。

為了使數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，從圖2中可以看出，在MCX314As芯片向外界輸出的脈沖信號(hào)或者外界伺服系統(tǒng)給MCX314As反饋的信號(hào)之間，都用光耦進(jìn)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(jìn)行電路信號(hào)的濾波。總之，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的硬件在接地電路、數(shù)字電路和模擬電路的設(shè)計(jì)上，都力求達(dá)到工業(yè)控制上所要求的高穩(wěn)定和高可靠性要求。

2 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)的軟件，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，在數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)中，主要任務(wù)是操作系統(tǒng)、MCX314As驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

2.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本數(shù)控系統(tǒng)選用Linux作為其操作系統(tǒng)，因?yàn)長(zhǎng)inux具有運(yùn)行可靠、源代碼開放、支持多任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，而且Linux具有模塊化的結(jié)構(gòu)，這樣可以根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，對(duì)其進(jìn)行裁剪和定制。然而，Linux是一種分時(shí)操作系統(tǒng)，可以滿足數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)的要求，但其實(shí)時(shí)性不能滿足數(shù)控系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)性的要求。為此，對(duì)Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)化改造。

通過Linux的實(shí)時(shí)內(nèi)核補(bǔ)丁Xenomai，在硬件平臺(tái)上增加一個(gè)硬實(shí)時(shí)內(nèi)核，將Linux內(nèi)核當(dāng)作Xenomai的優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)執(zhí)行，這樣Linux內(nèi)核的任務(wù)，可以被其他的高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占CPU，從而保證運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性。該搶占機(jī)制使得其響應(yīng)速度特別快。在ARM平臺(tái)上Xenomai的中斷響應(yīng)時(shí)間，在內(nèi)核態(tài)不會(huì)超過45μs，在用戶態(tài)中斷響應(yīng)時(shí)間也在70μs以下[4]，因此能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)性的要求。

這樣，操作系統(tǒng)被分成了2個(gè)區(qū)域：非實(shí)時(shí)域和實(shí)時(shí)域，非實(shí)時(shí)域建立在普通Linux內(nèi)核基礎(chǔ)上，而實(shí)時(shí)域建立在實(shí)時(shí)內(nèi)核基礎(chǔ)之上。操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)分為兩類：一類為實(shí)時(shí)任務(wù)，例如設(shè)備急停、故障檢測(cè)等，它們由實(shí)時(shí)內(nèi)核負(fù)責(zé)完成；另一類為非實(shí)時(shí)任務(wù)，如加工信息顯示、加工信息譯碼等，它們由普通Linux內(nèi)核來處理。兩個(gè)內(nèi)核之間，可以通過管道、共享內(nèi)存等方式相互通信，共同完成數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)和多任務(wù)的要求。

2.2 MCX314As驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序是上層應(yīng)用程序操作外部設(shè)備的一個(gè)橋梁，MCX314As驅(qū)動(dòng)程序主要是由驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)、出口函數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)體以及file-operations結(jié)構(gòu)體這4部分組成。其中，入口函數(shù)完成設(shè)備的注冊(cè)、中斷資源的申請(qǐng)和初始化工作；出口函數(shù)完成設(shè)備的注銷和中斷資源的釋放；file-operations結(jié)構(gòu)體完成設(shè)備打開、讀、寫、I/O控制、釋放等函數(shù)等初始化。MCX314As驅(qū)動(dòng)程序可以編譯成模塊，動(dòng)態(tài)加載到Linux系統(tǒng)中。應(yīng)用程序?qū)CX314As設(shè)備文件的讀寫操作，實(shí)際上就是對(duì)MCX314As芯片相應(yīng)寄存器的讀寫操作，進(jìn)而完成一系列數(shù)控操作。

2.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序主要包括人機(jī)交互界面、數(shù)控加工代碼譯碼、刀具補(bǔ)償、加工控制和刀具信息數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊。通過人機(jī)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(bǔ)模塊將加工程序轉(zhuǎn)化為對(duì)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(qiáng)大的應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt4/Embedded用于數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)，Qt4/Embedded完全面向?qū)ο螅cC++語言具有良好的兼容性，因此可以將應(yīng)用程序中的每一功能模塊封裝為一個(gè)類，便于開發(fā)。圖4為開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)物圖。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)物圖

3 結(jié)束語

基于嵌入式S3C2440微處理器和MCX314As專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的研制，提供了一個(gè)可選的較為合理的硬件基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)Linux為操作系統(tǒng)，同時(shí)滿足了數(shù)控系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)性和多任務(wù)的要求，這種方案能夠大量地減輕研發(fā)任務(wù)量，提高研發(fā)速度。這種新型的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向之一，對(duì)企業(yè)開發(fā)高性能、低成本的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具有一定的借鑒參考價(jià)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(yùn)動(dòng)控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3]馮習(xí)賓.一種新型嵌入式局域網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)的研究[D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2010.

[4]韓首謙，裴海龍，王清陽.基于Xenomai的實(shí)時(shí)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，(1)：96-98.