摘 要：本文針對現(xiàn)有CNC系統(tǒng)中存在的一些問題，提出了一種基于ARM+ FPGA結(jié)構(gòu)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，并采用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了這種系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。 關(guān)鍵詞：ARM FPGA 嵌入式數(shù)控系統(tǒng) μC/OS-Ⅱ Abstract：A kind of embeded CNC system based on ARM with the real-time operation system μC/OS-Ⅱ is proposed to resolve the problems of the current computer numerical control （CNC）. The hardware structure and software design of this system is introduced. Keywords: ARM; FPGA; embedded CNC system; μC/OS-Ⅱ 1 引言 　　自從1952年第一臺數(shù)控機床問世以來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了由硬件數(shù)控到計算機數(shù)控（CNC）的發(fā)展過程。起初的硬件數(shù)控系統(tǒng)，零件程序的輸入、運算、插補及控制功能均由硬件完成。CNC系統(tǒng)采用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，減少了硬件電路，提高了系統(tǒng)的通用性和可靠性。但是這類系統(tǒng)仍然存在一些問題，如資源浪費，操作系統(tǒng)實時性差，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。 　　本文介紹了一種基于PC的“ARM+FPGA”結(jié)構(gòu)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是針對小型、便攜式機床開發(fā)生產(chǎn)的新一代控制全數(shù)字步進電機的數(shù)控系統(tǒng)。上位機PC用于復(fù)雜加工代碼的編程，“ARM+FPGA”結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)則用于實現(xiàn)運動控制的功能。采用ARM開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)可以降低硬件成本，增強穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的可擴展性。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　2.1 硬件結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)的設(shè)計中，以PC機作為上位機，ARM+FPGA為控制核心。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[/align] 　　在上位PC機中，應(yīng)用CAD軟件產(chǎn)生加工G代碼，通過USB把程序代碼串行傳送到系統(tǒng)的SDRAM中，ARM從數(shù)據(jù)存儲器中讀取G代碼，進行譯碼，刀補運算，粗插補[1]。FPGA接收ARM的控制指令，讀取數(shù)據(jù)，完成精插補功能，輸出對電機的控制脈沖。另外，為了實現(xiàn)上位PC機與控制器之間的高速數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)除了具有串口通訊功能外，還采用了USB接口通訊，用DMA方式和上位PC機進行數(shù)據(jù)同步交換，這種方式可以使系統(tǒng)獲得更高的通訊速度。該系統(tǒng)有3路脈沖直接驅(qū)動步進電機，最高頻率為4MHz。 　　2.2 芯片選擇 　　（1）ARM微處理器 　　本系統(tǒng)采用了SAMSUNG公司推出的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C44B0X，其最大主頻為66MHz。S3C44B0X采用了ARM7TDMI核，0.25um工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器，還提供了非常豐富的內(nèi)置部件，包括8K高速緩存器，外部存儲控制器，2通道通用DMA，2通道外設(shè)DMA，2通道帶有握手協(xié)議的UART，71個通用I/O口，8通道外部中斷源，8通道10位ADC以及具有PLL的片上時鐘發(fā)生器。通過提供豐富的片上資源，可以減少外圍電路，降低系統(tǒng)成本。另外，芯片還采用了低電壓技術(shù)，運算速度很快，功耗很低，非常適合數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計。 　?。?）FPGA 　　FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種特殊的ASIC芯片,具有豐富的邏輯資源以及I/O引腳，用戶可以重新配置其內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊，以實現(xiàn)用戶的邏輯。此外，F(xiàn)PGA還具有規(guī)模大、體積小、可靠性高等優(yōu)點，符合數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計要求。本系統(tǒng)采用Lattice公司的LFXP6C-3Q208C芯片來實現(xiàn)插補運算。在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA接受ARM和外部RAM送來的控制指令和數(shù)據(jù)信息執(zhí)行插補運算，產(chǎn)生控制步進電機運轉(zhuǎn)的脈沖序列，并通過接口將脈沖序列送到步進電機驅(qū)動器。另外FPGA與主軸編碼器相連接，能識別其輸出的信號并計數(shù)，計數(shù)結(jié)果存放在寄存器中，供ARM讀取。FPGA還通過ULN2083AC芯片與I /O接口連接，執(zhí)行各種信號的轉(zhuǎn)換和隔離功能。圖2 是FPGA的外圍連接。 [align=center] 圖2 FPGA的外圍連接[/align] 　　2.3 脈沖輸出信號的連接方式 　　脈沖輸出信號的連接有差動方式和單端方式兩種，單端方式適用于早期一些脈沖和方向的陽極連在一起的步進驅(qū)動器，而不適用于某些脈沖和方向的陰極連在一起的步進驅(qū)動器。差動方式適用于脈沖和方向獨立輸入的步進驅(qū)動器和大多數(shù)伺服驅(qū)動器，能夠獲得較好的抗干擾性。本系統(tǒng)采用的是差動方式連接，圖3為其連接方式 。 [align=center] 圖3 脈沖輸出信號的差動連接[/align] 3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 　　系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：操作系統(tǒng)軟件和數(shù)控應(yīng)用軟件。由于數(shù)控系統(tǒng)是個實時多任務(wù)系統(tǒng)，實時性要求很高，為保證各個任務(wù)的協(xié)調(diào)執(zhí)行，本系統(tǒng)采用了μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)作為軟件平臺。 　　3.1 μC/OS-Ⅱ簡介[2] 　　μC/OS-Ⅱ是一種源代碼公開的實時操作系統(tǒng),是搶先式的內(nèi)核，在運行就緒條件下總是讓級別最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，它還是一個多任務(wù)管理系統(tǒng)，可管理64個任務(wù)，其中8個保留給系統(tǒng)，用戶任務(wù)最多可達(dá)56個，并且每個任務(wù)由自己獨立的?？臻g。μC/OS-Ⅱ的大部分源代碼是用C語言編寫的，僅與微處理器相關(guān)部分使用匯編語言，因此具有很強的移植性。但是，由于μC/OS-Ⅱ在讀寫處理器、寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)，所以需要用匯編語言完成一些與處理器相關(guān)的代碼。 　　3.2 μC/OS-Ⅱ的移植 　　要實現(xiàn)該操作系統(tǒng)在S3C44B0X微處理器平臺上的正常運行，需要修改與處理器類型有關(guān)部分的代碼[3]，下面簡單的介紹了需要修改的相關(guān)文件： 　?。?）修改OS_CPU.H文件：包括定義數(shù)據(jù)類型及與處理器相關(guān)的基本信息。 　?。?）修改OS_CPU_C.C文件：編寫初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)函數(shù)OSTaskStkInit（），該函數(shù)由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）或OSTaskCreateEXT（）調(diào)用。例如創(chuàng)建一個插補任務(wù)為： 　　OSTaskCreate（InterpTask,（void＊）0,（void＊）&InterpTask_Stack\[STACKSIZE-1\], 　　InterpTask_Pri）。另外還必須聲明5個函數(shù)：建立任務(wù)函數(shù)OSTaskCreateHook（）、刪除任務(wù)函數(shù)OSTaskDelHook（）、任務(wù)切換函數(shù)OSTaskSwHook（）、產(chǎn)生時鐘節(jié)拍得函數(shù)OSTimeTickHook（）和統(tǒng)計功能函數(shù)OSTimeTickHook（）。 　?。?）修改OS_CPU_A.ASM文件：編寫4個與處理器相關(guān)的匯編語言函數(shù)OSStartHighRdy（）、OSCtxSw（）、OSIntCtxSw（）、OSTickISR（）。 　　3.3 數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計 　　根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，可以將系統(tǒng)的應(yīng)用軟件主要分為幾個模塊：人機界面模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、插補模塊。其中人機界面模塊的任務(wù)由PC機完成，包括數(shù)控代碼的編輯，加工過程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，刀補參數(shù)的設(shè)置等[4]。 　?。?）數(shù)據(jù)處理模塊 　　數(shù)據(jù)處理模塊主要完成譯碼和刀具補償功能。譯碼就是將數(shù)控代碼的各種工件輪廓信息（如起點、直線或圓弧等）、加工速度F和其它輔助信息（M、S、T）按一定規(guī)律翻譯成系統(tǒng)能識別的數(shù)據(jù)形式。由于編制零件加工程序時，一般只考慮零件的輪廓外形，而實際切削控制時，是以刀具中心為控制中心的，所以經(jīng)過譯碼得到的數(shù)據(jù)不能直接由插補程序使用，必須經(jīng)過軌跡計算，進行刀具長度補償和刀具半徑補償，才能轉(zhuǎn)換為插補所需要的參數(shù)。 　?。?）插補模塊 　　數(shù)控系統(tǒng)的核心任務(wù)是插補，插補計算的精度影響到整個數(shù)控系統(tǒng)的精度。插補任務(wù)就是按照進給速度的要求，由譯碼得到的數(shù)據(jù)信息計算出零件輪廓起點和終點之間若干中間點的坐標(biāo)值，并轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)據(jù)送入步進驅(qū)動器。本系統(tǒng)采用了脈沖增量插補，脈沖輸出的頻率誤差小于0.1%。其脈沖輸出可用單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（脈沖+脈沖）方式?？梢詫崿F(xiàn)任意2-3軸直線、任意2軸圓弧插補，連續(xù)插補功能。 [align=center] 圖4 逐點比較法第一象限直線插補軟件流程圖[/align] 　　下面以第一象限直線插補為例，圖4為逐點比較法第一象限直線插補軟件流程圖。其中，（xe,ye）為直線的終點坐標(biāo)，F(xiàn)為每一步直線插補運算后的偏差值。當(dāng)F≥0時，加工點在加工直線上或在直線上方，則向x軸正向產(chǎn)生一個脈沖，由步進電機驅(qū)動器驅(qū)動x軸步進電機正向進給一個步進角，并計算出新的偏差F=F-ye;當(dāng)F<0時，加工點位于直線下方，則向y軸正向產(chǎn)生一個脈沖，由步進電機驅(qū)動器驅(qū)動y軸步進電機正向進給一個步進角，并計算出新的偏差F=F+xe。n為終點判別，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)終點時，停止插補。本系統(tǒng)采用VHDL語言編寫算法實現(xiàn)插補，如下為部分代碼： 　　ARCHITECTURE connect OF chabu IS 　　BEGIN 　　VERIABLE F:INTEGER:=0; 　　n:INTEGER:=ABS（xe）+ABS（ye）; 　　xi,yi:INTEGER //（xi，yi）為插補運算過程中刀具的加工點坐標(biāo) 　　PROCESS（reset） //reset是復(fù)位信號，插補開始后對偏差值F和（xi，yi）清零， BEGIN 使刀具回到坐標(biāo)原點 　　F=0; 　　…… 　　END PROCESS; 　　PROCESS（clk） //clk是時鐘控制信號,當(dāng)clk上升沿到來時進行插補運算的處理 　　BEGIN 　　WHILE（n>0）LOOP 　　IF（F>=0）THEN 　　cqx=1; //cqx，cqy為x軸和y軸的輸出脈沖信號 　　cqy=0; 　　F=F-ye; 　　n=n-1; 　　ELSE 　　…… 　　END IF; 　　END LOOP; 　　END PROCESS; 　　END connect; 　　3.4 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的交換 　　在數(shù)控加工時，CNC系統(tǒng)各模塊之間需要傳遞大量的數(shù)據(jù)信息，主要通過各種緩沖存儲區(qū)實現(xiàn)該功能，如圖5為數(shù)據(jù)信息的交換過程。首先讀入數(shù)控加工程序到數(shù)控加工程序緩沖器，從中逐個讀入字符，經(jīng)譯碼處理送到譯碼結(jié)果緩沖器，再經(jīng)一系列插補準(zhǔn)備（包括刀補計算和速度處理），送到插補緩沖器中，插補程序執(zhí)行插補運算時，把插補緩沖存儲區(qū)的內(nèi)容讀入到插補工作存儲區(qū)，然后用插補工作區(qū)的數(shù)據(jù)進行插補計算，并將結(jié)果送到插補輸出寄存器。 [align=center] 圖5 數(shù)據(jù)信息的交換[/align] 4 結(jié)論 　　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)采用ARM和FPGA硬件平臺，減少了系統(tǒng)的外圍器件，具有體積小，性價比高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。并且利用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)作為開發(fā)工具，使數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)異的實時性，滿足了高速度、高精度的加工要求，很好的解決了傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)中存在的問題。由此，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。 參考文獻： 　　[1]劉艷霞，李淑芬.基于ARM的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)[J].微計算機信息.2006,22（35）:90-91,96 　　[2]Labrosse Jean J.邵貝貝譯,嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M].2版.北京：中國電力出版社.2003 　　[3]王曉鳴，王樹新，張宏偉.實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在ARM上的移植[J].機電一體化.2007,（1）:56-58 　　[4]楊代華，陳志輝.基于實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的數(shù)控系統(tǒng)研制[J].制造技術(shù)與機床.2007,（12）:21-23 作者簡介: 　　第一作者：朱曉潔（1983-），女，江蘇無錫人，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)控系統(tǒng)。 　　通信地址：南京新模范馬路5號南京工業(yè)大學(xué)丁家橋校區(qū)119#信箱 　　郵編：210009 電話：13675122764 　　E-mail：stream_xu@126.com 　　第二作者：舒志兵（1965-），男，江蘇南京人，南京工業(yè)大學(xué)運動控制研究所所長，主要研究方向：交流伺服系統(tǒng)、DSP技術(shù)、現(xiàn)場總線、數(shù)控系統(tǒng)、運動控制、機電一體化系統(tǒng)等。 　　E-mail：shuzhibing@163.com