黃 明，史玉升

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于ARM的光固化快速成形嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

黃 明，史玉升

（華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著數(shù)字微鏡光固化快速成形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，快速成形設(shè)備向桌面化、辦公化方向發(fā)展已成為必然趨勢。以S3C6410為基礎(chǔ)開發(fā)的嵌入式光固化快速成形網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過建立嵌入式軟硬件平臺，分析嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法，設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。其低成本、控制精度高、易移植等優(yōu)點將促使快速成形控制系統(tǒng)新的發(fā)展。

機械制造；光固化快速成形；嵌入式；網(wǎng)絡(luò)控制；boa服務(wù)器

近年來，快速成形制造技術(shù)得到了高速發(fā)展，特別是光固化快速成形系統(tǒng)由于利用數(shù)字微鏡技術(shù)，使光固化成形由點線掃描固化成層進化到整面曝光固化成層，過程變得更加直觀和快捷?？刂葡到y(tǒng)作為快速成形設(shè)備的核心部分需要新的發(fā)展，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低設(shè)備成本是光固化快速成形設(shè)備提高市場競爭力的重要途徑，因此利用廉價的嵌入式系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC機具有良好的前景，如具有高性價比的嵌入式ARM系列開發(fā)板，具有開放性免費易獲取的Linux系統(tǒng)。同時嵌入式系統(tǒng)易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制功能，能替代傳統(tǒng)的總線技術(shù)，解決大數(shù)據(jù)量、高傳輸速率（如圖像傳輸）的問題，是工業(yè)設(shè)備具備遠(yuǎn)程控制的重要發(fā)展方向。件。其DMD成形機如圖1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，控制系統(tǒng)應(yīng)包括Z軸遠(yuǎn)動、紫外光源、數(shù)字微鏡（圖形數(shù)據(jù)）等。

1 數(shù)字微鏡光固化快速成形技術(shù)

1.1 光固化快速成形原理簡介

光固化快速成形技術(shù)（簡稱SLA）是利用光能的化學(xué)和熱作用使液態(tài)樹脂材料產(chǎn)生變化的原理，對液態(tài)樹脂進行有選擇性固化，實現(xiàn)不接觸液態(tài)樹脂材料的情況下進行三維實體的逐層成形。數(shù)字微鏡（DMD）光固化快速成形技術(shù)屬于投影式光固化快速成形技術(shù)，可以形象比喻為三維打印技術(shù)。利用數(shù)字微鏡將零件二維輪廓圖形投射到光敏樹脂上，利用光能的熱作用使樹脂分層固化，成形三維實體零

2 數(shù)字微鏡光固化快速成形技術(shù)的嵌入式控制方法研究

2.1 嵌入式控制系統(tǒng)軟硬件平臺的選擇

嵌入式系統(tǒng)是目前非常流行的微計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制中，它能夠滿足實際工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崟r性、可靠性、低成本的要求，相對于傳統(tǒng)的PC系統(tǒng)具有更多優(yōu)點，并逐漸代替著傳統(tǒng)的PC系統(tǒng)，成為工業(yè)控制設(shè)備中的主導(dǎo)系統(tǒng)。結(jié)合光固化快速成形控制系統(tǒng)，用嵌入式ARM系列開發(fā)板代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC機具有價格低、體積小、接口豐富易擴展、操作簡單等硬件優(yōu)勢，而且操作系統(tǒng)采用Linux，其代碼開放、資源免費，極利于用戶二次開發(fā)。

本系統(tǒng)采用基于ARM11處理器的S3C6410開發(fā)板平臺，而操作系統(tǒng)采用高實時性的嵌入式Linux系統(tǒng)。這樣的搭建可以解決數(shù)字微鏡光固化成形對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，對于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制實時性強，而且準(zhǔn)確傳輸圖形等大體積數(shù)據(jù)的各方面需求。兩者結(jié)合起來可以充分發(fā)揮嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，真正實現(xiàn)數(shù)字微鏡光固化成形設(shè)備辦公桌面化的目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)硬件平臺框架如圖4所示。

圖4 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺框架

2.2 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的構(gòu)建

Linux系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)體系如圖5所示。由于開發(fā)板資源有限，采用主從機平臺聯(lián)合開發(fā)的模式，其嵌入式Linux系統(tǒng)一般開發(fā)流程包括如圖6中的幾個步驟。

圖5 嵌入式Linux系統(tǒng)軟件平臺框架

圖6 嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)流程

2.2.1 建立交叉開發(fā)平臺

在PC機上安裝Linux操作系統(tǒng)（如Ubuntu），建立交叉開發(fā)環(huán)境。本文具體方法是啟動Linux終端進行安裝交叉編譯器，操作如下：

2.2.2 引導(dǎo)程序Uboot和內(nèi)核的制作

（1）引導(dǎo)程序Bootloader是嵌入式系統(tǒng)上電后運行的第一段代碼，其工作包括初始化硬件設(shè)備，準(zhǔn)備好軟件環(huán)境，最后調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。Bootloader種類繁多，S3C6410選擇通用性好的U-Boot作為系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，并進行系統(tǒng)硬件相關(guān)的一些配置才可以makefile實現(xiàn)交叉編譯：

其中需修改Makefile文件，包括指定目標(biāo)為ARM體系，設(shè)置宿主機交叉編譯器的路徑為2.2.1中所得編譯器的路徑。編譯完成后對應(yīng)目錄下生成u-boot.Bin二進制文件，為之后移植做好準(zhǔn)備。

（2）內(nèi)核是所有嵌入式系統(tǒng)的核心部分。內(nèi)核移植是一個比較復(fù)雜的任務(wù)，也是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵步驟之一，分內(nèi)核配置、內(nèi)核編譯，內(nèi)核燒結(jié)等過程。本系統(tǒng)采用Linux2.6.28版本內(nèi)核，為方便配置編譯選項，需要安裝‘libncurses5’，采用命令：

即可自動從網(wǎng)絡(luò)下載和安裝該模塊到宿主機Linux系統(tǒng)中。

配置內(nèi)核需要結(jié)合嵌入式系統(tǒng)具體應(yīng)用進行，主要選擇是內(nèi)核功能模塊和設(shè)定參數(shù)。

2.2.3 根文件系統(tǒng)制作

目前S3C6410 Linux支持yaffs2文件系統(tǒng)和cramfs文件系統(tǒng)。cramfs文件系統(tǒng)是專門針對閃存（如Nor Flash)設(shè)計的只讀壓縮的文件系統(tǒng)，采用實時解壓縮方式，小巧且速度快。根文件系統(tǒng)必須包含這些目錄：/dev、/bin、/sbin、/lib、/etc、/proc、/sys。其中/bin和/sbin可以通過Busybox進行制作。網(wǎng)絡(luò)上Busybox資源豐富，具體用法都有介紹。通過make menuconfig對Busybox配置即可獲得自己的文件系統(tǒng)：cramfs。

2.2.4 一鍵燒寫Linux

燒寫前，首先開發(fā)板通過串口線連接PC機，通過DNW軟件實現(xiàn)主從機間數(shù)據(jù)的傳遞和控制。一鍵燒寫Linux要使用到SD卡，利用SD_writer.exe軟件，把內(nèi)核燒寫工具mmc.bin固化到SD卡中，然后依次將u-boot.Bin、zImage、cramfs拷貝到SD卡中。SD卡轉(zhuǎn)插到開發(fā)板上，開發(fā)板設(shè)置到SD卡啟動模式后上電，開發(fā)板自動開始燒寫上述3個文件，當(dāng)DNW軟件窗口顯示出“SMDK6410#”，說明完成了燒寫。

開發(fā)板設(shè)置為Flash啟動模式后，重啟電源，Linux系統(tǒng)即可正常工作，顯示開發(fā)板系統(tǒng)進入觸摸屏校準(zhǔn)界面。

3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原理

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以先進計算機技術(shù)為核心，融合網(wǎng)絡(luò)通信、自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的目的，是一種新型的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方法。隨著因特網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，以太網(wǎng)高速、開放和低價等特點使以太網(wǎng)和TCP協(xié)議已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的事實標(biāo)準(zhǔn)。將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，作為現(xiàn)場設(shè)備對外通信的平臺，使用戶通過瀏覽器就可以查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、發(fā)送控制命令和傳輸加工數(shù)據(jù)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的目的。

針對本文，基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控光固化快速成形設(shè)備的目標(biāo)。

3.2 Linux網(wǎng)絡(luò)編程和Boa服務(wù)器

（1）網(wǎng)絡(luò)程序的特點在于它由兩部分組成：客戶端和服務(wù)器端。在Linux中，網(wǎng)絡(luò)編程是通過Socket接口進行的，基于TCP協(xié)議的Socket編程提供可靠的、面向連接的通信流，使用TCP協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序性。TCP協(xié)議的Socket流程圖如下：

圖7 TCP協(xié)議的Socket流程圖

（2）直接采用Internent網(wǎng)絡(luò)連接嵌入式設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制，必須在嵌入式設(shè)備上安裝Web服務(wù)器，使其支持遠(yuǎn)程PC通過瀏覽器來訪問該設(shè)備。S3C6410選擇適合于嵌入式應(yīng)用的Boa服務(wù)器。Boa是一個非常小巧的單線程的嵌入式WEB服務(wù)器，可執(zhí)行代碼只有60kB左右，且源碼開放，它的最初設(shè)計目標(biāo)即是速度和安全，性能優(yōu)秀，支持認(rèn)證和CGI。由于Boa只為CGI程序創(chuàng)建新的進程，在最大程度上節(jié)約了系統(tǒng)資源，特別適合嵌入式系統(tǒng)。Boa服務(wù)器可以從其官網(wǎng)上下載，通過交叉編譯生成ARM上運行的Boa，進一步配置boa服務(wù)器即可得到優(yōu)化版的Boa。

CGI是通用網(wǎng)關(guān)的簡稱，是一種通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，其主要功能是在WWW環(huán)境下，從客戶端傳遞一些信息給Web服務(wù)器，再由Web服務(wù)器去啟動所指向的程序完成特定的工作。CGI程序由瀏覽器的輸入觸發(fā)，可以用來在Web內(nèi)加入動態(tài)內(nèi)容，本文采用C語言作為CGI的開發(fā)方式。

4 網(wǎng)絡(luò)控制軟件程序開發(fā)研究

4.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的程序研究

嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)服務(wù)器端，即S3C6410開發(fā)板，將光固化快速成形機的加工數(shù)據(jù)如電機、光源開關(guān)、DMD圖形等直接傳送到S3C6410微處理器的Web服務(wù)器上，用戶通過瀏覽器可以方便地監(jiān)測控制。系統(tǒng)工作流程如圖8。

圖9 光固化快速成形制件

圖8 嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作流程圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件測試結(jié)果

本文對數(shù)字微鏡光固化控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行了實驗，獲得較好的結(jié)果，如圖9顯示了成形加工的制件。比起傳統(tǒng)的光固化快速成形系統(tǒng)，嵌入式DMD光固化成形系統(tǒng)下制件的表面更加光潔，加工時間短、效率高，而且實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，工作人員可以做到桌面辦公。

5 結(jié)束語

以S3C6410為基礎(chǔ)開發(fā)的嵌入式光固化快速成形網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過建立嵌入式軟硬件平臺，分析嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法，設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用軟件，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。其低成本、控制精度高、易移植等優(yōu)點將促使快速成形控制系統(tǒng)新的發(fā)展。

[1] 莫健華，著.快速成形及快速制模[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：64-65.

[2] 王 成，韓 明，等.基于Windows2000快速成型SLA控制系統(tǒng)的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003，1：77-79.

[3] 汪成義，鐘小磊，陳 賾.ARM嵌入式技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 高永強，莫健華，等.高精度光固化快速成形機控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，1：48-51.

[5] Samsung Electronics Co.S3C6410X RISC Microprocessor User’s Manual.Feb13,2009.

Research of stereo lithography embedded network control system based on ARM

HUANG Ming,SHI Yusheng
（College of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei China）

Along with the development and application of the digital micro mirror device stereo lithography,quick forming equipment has been trended into office,and desktop direction.The embedded software and hardware platforms have been established.The structure and method of embedded network control system have been analyzed.The network control application software has been designed,which realizes the remote monitoring function.The equipment in low cost with high accuracy is easy to transplant,which improves the development of the quick forming control system.

Stereo lithography；Embedded；Network Control；Boa server

TG665

A

1672－0121（2012）02－0079－04

2011-12-08

黃 明（1985-），男，碩士在讀，主攻光固化快速成形設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)研究