李芳

摘 要：本文詳細(xì)闡述了基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，分析了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的可重構(gòu)功能，探討了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案與測(cè)試方法。本文為研究數(shù)控技術(shù)新的發(fā)展方向和技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：嵌入式數(shù)控系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；可重構(gòu)功能；實(shí)現(xiàn)方案；測(cè)試方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

該設(shè)計(jì)方案利用S3C2440作為主CPU對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中的各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行管理及調(diào)度。因?yàn)椴捎脤?zhuān)業(yè)級(jí)別的運(yùn)動(dòng)控制芯片有利于減短控制系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間，改善控制系統(tǒng)的性能，減輕繁重的工作量、降低研發(fā)所需要的成本。因此，該設(shè)計(jì)方案選用日本NOVA電子有限公司研制的DSP運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片MCX314As作為控制芯片，對(duì)復(fù)雜的數(shù)控是加工運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)主要由硬件層、操作系統(tǒng)層、運(yùn)動(dòng)控制軟件層三大部分組成，其中，底層硬件層以三星公司的S3C2440作為CPU處理器；中間層是代碼開(kāi)放的Linux操作系統(tǒng)，屬于嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)層，為了提高該數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，改善操作性能，其內(nèi)核按照數(shù)控系統(tǒng)的要求做了一定裁剪；至于頂層是包含運(yùn)動(dòng)控制芯片的控制庫(kù)函數(shù)等各個(gè)控制函數(shù)的控制系統(tǒng)所需的匹配軟件。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用的三星公司的S3C2440處理器具有體積偏小、功耗較少、成本偏低、性能較好等優(yōu)點(diǎn)，該處理器是基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC架構(gòu)的處理器，其支持支持Thumb（16位）和ARM（32位）雙指令集，可以有效兼容8位和16位的器件。該CPU處理器運(yùn)算速度相當(dāng)快，主頻最高可達(dá)533MHz，能夠充分適應(yīng)多任務(wù)操作下的數(shù)控計(jì)算。該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)采用的運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片MCX314As具有極高的控制性能，能夠?qū)λ妮S進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意兩軸的圓弧和直線插補(bǔ)。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，主機(jī)處理器僅用向該芯片下達(dá)各種復(fù)雜的指令，MCX314As芯片按照指令完成一系列的操作和處理。在該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中，其硬件中包含了主CPU和從CPU，使用的是主從CPU硬件結(jié)構(gòu)模式。其中，主CPU是對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行管理和調(diào)整的ARM處理器，從CPU是控制數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的MCX314As專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片。該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖1所示。

1.3 ARM處理器與運(yùn)動(dòng)控制芯片的連接

運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片MCX314As的時(shí)鐘頻率為16Hz，由外部直接提供。S3C2440的數(shù)據(jù)線以及讀、寫(xiě)信號(hào)直接控制相應(yīng)的數(shù)據(jù)線以及讀、寫(xiě)信號(hào)。因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中選用16位數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，故而必須在運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片MCX314As的H16L8引腳上接入高電平。圖2為S3C2440與MCX314As的接口電路圖，由圖可以看出，為了保障安全，增強(qiáng)信號(hào)傳輸可靠性，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在信號(hào)連接兩者間加有寫(xiě)著“SN74ALVC164245”的芯片。

1.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

為了確保該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也為了使數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)施得到充分利用，該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)用了Linux操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)按照相關(guān)要求做了適當(dāng)裁剪，能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)控制，其時(shí)效性相當(dāng)高。

2.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的可重構(gòu)功能

通常情況下，對(duì)于中央處理單元，嵌入式系統(tǒng)多采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算技術(shù)。然而，在使用專(zhuān)用芯片以及運(yùn)用微處理機(jī)方法時(shí)，人們渴望能夠擁有性能良好、運(yùn)算迅速、可靠性強(qiáng)，并且具備高度柔性和強(qiáng)大編程功能的新技術(shù)、新方法，這也就是嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能。

所謂可重構(gòu)，即是利用可重構(gòu)的相關(guān)資源對(duì)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行重構(gòu)或重組，包括了各類(lèi)硬件、軟件的可重構(gòu)。擁有可重構(gòu)的有關(guān)資源是進(jìn)行重構(gòu)的基礎(chǔ)，而滿足人類(lèi)不同的應(yīng)用需求是進(jìn)行重構(gòu)的目的。在沒(méi)有FPGA的時(shí)候，通常是對(duì)功能部件進(jìn)行重用，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)的重組。而在FPGA出現(xiàn)以后，通常是將基本的門(mén)、線資源進(jìn)行重用，通過(guò)有關(guān)配置文件，對(duì)門(mén)的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)線的連接方式進(jìn)行定義，從而實(shí)現(xiàn)了硬件功能的變化。

因?yàn)榍度胧綌?shù)控系統(tǒng)所具備的重構(gòu)功能和硬件、軟件能夠裁剪的特征，因此極其有助于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制技術(shù)，并且為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)與捷徑。

3.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與測(cè)試

3.1 實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

中央數(shù)控單元控制運(yùn)行ARM，在ARM上對(duì)主要數(shù)控技術(shù)進(jìn)行運(yùn)作，但是刀補(bǔ)、插補(bǔ)以及間隙補(bǔ)償應(yīng)當(dāng)除外。注意將ARM與顯示以及有關(guān)鍵入裝置相連接，以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)的交互。插補(bǔ)代碼經(jīng)編譯之后應(yīng)當(dāng)通過(guò)串口發(fā)至DSP，ARM需要執(zhí)行M、S、T指令，邏輯控制指令需要經(jīng)過(guò)異步串行總線MOD BUS發(fā)至PLC，系統(tǒng)的監(jiān)控由總線負(fù)責(zé)，與外部網(wǎng)絡(luò)的連接由ARM負(fù)責(zé)，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、管理、調(diào)試、診斷以及監(jiān)控，等等。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

在完成MCX314As運(yùn)動(dòng)控制板的設(shè)計(jì)和在Linux操作系統(tǒng)下編寫(xiě)好調(diào)試、驅(qū)動(dòng)程序以后需要對(duì)該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行一系列的仿真調(diào)試。因?yàn)镸CX314As屬于寄存器控制型芯片，其是通過(guò)讀或?qū)憙?nèi)部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。MCX314As寫(xiě)入的數(shù)據(jù)來(lái)自S3C2440通過(guò)總線輸入，由此可以讀出寄存器的值，再通過(guò)比較可以對(duì)MCX314As的工作狀態(tài)進(jìn)行判別。為了驗(yàn)證該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是否正確，需要編寫(xiě)相應(yīng)的X、Y2軸直線插補(bǔ)程序，最終經(jīng)過(guò)示波器反應(yīng)實(shí)際的脈沖波形圖，可以確定該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是正確的，能夠正常運(yùn)行。

結(jié)論與思考

本文介紹了一種基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，研究分析了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案與測(cè)試方法。在今后的研究工作中可以借鑒本文思想，從資源共享角度考慮，大力增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性。

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