基于ARM+FPGA架構(gòu)的嵌入式數(shù)控雕刻系統(tǒng)的設(shè)計

李騰飛，凌有鑄，劉敬猛

(1.安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽蕪湖 241000；2.北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100191）

基于ARM+FPGA架構(gòu)的嵌入式數(shù)控雕刻系統(tǒng)的設(shè)計

李騰飛1，凌有鑄1，劉敬猛2

(1.安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽蕪湖 241000；2.北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100191）

針對數(shù)控雕刻機，設(shè)計了ARM+FPGA架構(gòu)的硬件平臺和基于μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的軟件平臺。ARM微處理器具有高速的運算能力，且FPGA擁有非常強大的邏輯處理能力，使系統(tǒng)的外圍接口器件大幅減少并降低了設(shè)計復(fù)雜度。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，使系統(tǒng)很好地進行多任務(wù)處理，保證了雕刻機運動控制的實時性、穩(wěn)定性，滿足了高速高精加工的要求，同時具有良好的人機界面。

數(shù)控系統(tǒng)；ARM；FPGA；實時操作系統(tǒng)

此設(shè)計采用了32位的ARM微處理器S3C2410芯片和Cyclone系列的FPGA器件作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的核心器件，ARM+FPGA架構(gòu)控制系統(tǒng)則用于實現(xiàn)運動控制的功能。之所以采用 ARM+FPGA作為數(shù)控的核心架構(gòu)，是因為ARM擁有大容量的存儲器，足以存儲所要編寫的數(shù)控應(yīng)用程序。其芯片配置有存儲器接口、通信接口、LCD顯示接口等；PC平臺開發(fā)環(huán)境比較好，具有相當(dāng)豐富的資源以及用戶界面友好的優(yōu)點。ARM微處理器有優(yōu)點同時也有缺點，缺點是不能直接管理數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜I/O控制，需利用FPGA去實現(xiàn)I/O處理、產(chǎn)生脈沖信號以及復(fù)雜邏輯運算［1］。軟件平臺則采用了開放性源代碼的μC/OC-II實時操作系統(tǒng)，負責(zé)數(shù)控雕刻系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和管理，使整個數(shù)控系統(tǒng)的實時性得到了很大的提高，從而實現(xiàn)了高速、高精的要求。

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)采用ARM+FPGA結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件在ARM處理器上執(zhí)行，F(xiàn)PGA負責(zé)脈沖信號的產(chǎn)生、操作鍵盤的掃描、復(fù)雜時序邏輯運算和外設(shè)I/O口控制。具體的說就是ARM完成人機界面的設(shè)計、譯碼、刀補、粗插補、輔助控制等任務(wù)，F(xiàn)PGA接收ARM的控制指令完成細插補功能和伺服更新，控制伺服電機的運動；掃描鍵盤，控制機床的I/O。ARM2410與FPGA之間是通過總線連接，多中斷源中斷方式傳遞信號的［2］。圖1為系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計實物圖。

1.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊設(shè)計了系統(tǒng)板上所需的5.0、3.3、1.8和1.5 V等。開關(guān)電源提供3種電壓輸出，分別是24、12和5 V。24 V通過電源模塊產(chǎn)生用于模擬電路器件所需的5 V模擬電壓；12 V用于通過逆變器為LCD背光產(chǎn)生一個上千伏電壓；開關(guān)電源輸出的5 V電壓通過電源模塊產(chǎn)生FPGA和ARM內(nèi)核所需的1.5和1.8 V，以及通用IO所需的3.3 V。需要注意的是給數(shù)字器件提供的5 V(稱數(shù)字電壓）和給模擬器件提供的5 V(稱模擬電壓）不是同一個電壓，它們不共地。之所以這樣設(shè)計是為了減少干擾信號，保證系統(tǒng)能正常工作。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計實物圖

1.2 主控模塊設(shè)計

該系統(tǒng)采用了成本低、性能優(yōu)越的ARM9系列芯片S3C2410，ARM的主要任務(wù)是移植操作系統(tǒng)、內(nèi)存管理、程序管理、I/O輸入輸出、界面操作設(shè)計、LCD顯示管理、鍵盤管理、粗插補處理等。

該系統(tǒng)的外擴存儲器設(shè)計時選用64MB的非易失性NandFlash和64MB的SDRAM。NandFlash選擇芯片K9F1208作為系統(tǒng)的輔助存儲器，用來存儲系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、系統(tǒng)數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔；SDRAM采用兩片HY57V561620，每片32 MB，總的SDRAM為64 MB，用于存儲運行時的主程序。HY57V561620數(shù)據(jù)寬度16 B，內(nèi)部分為 4個 Bank，每 Bank為 4 MB。HY57V561620第20和21腳 BA ［1∶0］ 接 S3C2410的LA25∶24。這里的 Bank和 S3C2410地址空間的Bank不是一個概念，S3C2410的 Bank是128 MB，SDRAM連接到S3C2410的 Bank6上，地址為0x30000000。

S3C2410通過viviBootloader(引導(dǎo)裝載器）將引導(dǎo)程序下載到NandFlash中，從NandFlash引導(dǎo)，通過NCON腳接高電平來配置其控制器的尋址空間，對系統(tǒng)作初始化處理，完畢后便加載到SDRAM中。ARM從SDRAM中讀取已經(jīng)加載到其中的數(shù)據(jù) (比如G代碼），然后進行譯碼、刀補運算，進行粗插補。

1.3 運動模塊設(shè)計

運動控制模塊是采用FPGA設(shè)計一個產(chǎn)生控制脈沖的插補器模塊，使用VerilogHDL在QuateusII開發(fā)環(huán)境中編程實現(xiàn)用戶要求的插補功能。FPGA從ARM中接受控制指令并讀取數(shù)據(jù)，完成精插補功能，輸出對電機的控制脈沖。需通過軟件編程實現(xiàn)精插補功能及其他輔助功能，保證插補算法的實時性同時又保留了接口的靈活性，利于產(chǎn)品性能的升級換代；伺服接口同時也利用了FPGA精于復(fù)雜邏輯時序控制的優(yōu)點，可以方便靈活地為各種伺服器提供接口。

1.4 人機界面模塊設(shè)計

界面模塊部分只有兩部分組成，即LCD顯示器和數(shù)控鍵盤，如圖3所示?？此坪唵?，但在數(shù)控系統(tǒng)中扮演了極其重要的角色，它是人機友好交互的一個平臺，用戶能夠通過此界面對系統(tǒng)進行現(xiàn)場編碼、參數(shù)設(shè)置、信息反饋和實時狀態(tài)監(jiān)控等。

圖3 數(shù)控界面圖

1.5 通信模塊設(shè)計

通信接口模塊包括 ARM-JTAG接口、FPGAJTAG接口、RS422串行接口、RS232串行接口和USB接口。上位機通過JTAG接口使用J-Link和USBBlaster下載器分別與ARM和FPGA進行通信，實現(xiàn)系統(tǒng)運行程序的下載和仿真調(diào)試。RS232串行接口電路中，使用MAX3232進行電平轉(zhuǎn)換，兼容3～5.5 V的電平，可以直接與3.3 V的 S3C2410連接。通過RS232與PC通信，實現(xiàn) NC文件的上傳與下載。該系統(tǒng)共設(shè)計了3個RS422全雙工通信接口，2個供使用，1個供擴展。一個接口是與操作鍵盤通信，另一個是與外接口板通信。外擴USB接口實現(xiàn)對U盤NC文件的讀寫。

2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩個部分:μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序。

2.1 實時操作系統(tǒng)的運行機制

為了實現(xiàn)多任務(wù)，μC/OS-Ⅱ為每個任務(wù)設(shè)定一個優(yōu)先級，采用優(yōu)先級的調(diào)度策略。每個任務(wù)有自己的?？臻g，并認為自己獨占CPU，這也就是所謂的搶占式調(diào)度算法。任務(wù)的調(diào)度完全由μC/OS來完成，包括插入任務(wù)隊列、選擇最高優(yōu)先權(quán)的任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)和撤消任務(wù)等。μC/OS-Ⅱ 可以分配 CPU的運行時間，而CPU的運行時間優(yōu)先分配給中斷事件，其次是分配給當(dāng)前任務(wù)隊列中優(yōu)先級最高的任務(wù)。若要實現(xiàn)各個不同任務(wù)之間的通信，需要通過這幾種通信機制去完成，如信號量、消息以及郵箱等。每一個任務(wù)都存在5種運行狀態(tài):休眠、就緒、運行、掛起、被中斷［3］。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計

在搞清楚μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)占先式內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度原理之后，就要著眼于系統(tǒng)的應(yīng)用層面上，開發(fā)并嵌入系統(tǒng)所需的應(yīng)用軟件，通過操作系統(tǒng)保證任務(wù)的執(zhí)行效率和實時性，同時極大地提高軟件開發(fā)效率。將數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計分為3個部分:用戶界面模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和運動控制模塊，如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計框圖

(1）用戶界面設(shè)計

GUI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用以下方法設(shè)計:首先，該GUI系統(tǒng)是基于線程的，μC/OS-II系統(tǒng)的每一個任務(wù)都是一個進程，因此GUI的運行可以作為一個任務(wù)，運行于μC/OS-II系統(tǒng)上；其次，是基于消息傳遞機制的GUI系統(tǒng)，因此，數(shù)控加工過程中系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的顯示，可以通過系統(tǒng)的各個任務(wù)傳遞消息給GUI系統(tǒng)進行刷新，因為μC/OS-II系統(tǒng)是實時的，就保證了數(shù)據(jù)顯示的實時性；第三，構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)圖形界面中使用的控件。

(2）數(shù)據(jù)處理模塊

此模塊主要完成譯碼和刀具補償功能。總的來說，譯碼就是將所要加工工件的信息按照某種規(guī)律譯成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)處理的信息主要有工件輪廓信息(如起點、直線或圓弧等）、加工速度和其他輔助信息 (M、S、T）等。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，刀具總有一定的半徑，所以刀具中心的運動軌跡并不等于所需加工零件的實際輪廓，數(shù)控機床進行輪廓加工時必須作相應(yīng)的刀具半徑補償。

(3）插補模塊

運動控制的核心是插補，往往插補精度的高與低就取決于是否具有優(yōu)良的插補算法。為了提高系統(tǒng)的加工精度，采用了最小偏差法實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的插補功能［4］。此法在進給之前先判定一下向x坐標方向或y坐標方向進給一步的偏差和向?qū)蔷€ (向x軸與y軸同時進給一步）進給一步的偏差，選擇偏差小的那個方向進給。

以第一象限直線插補為例進行簡要說明。如圖5所示，若有一直線位于第I象限，終點在Z(xz，yz）。當(dāng)xz≥yz時，進給方向為x軸方向或者對角線方向；當(dāng)xz＜yz時，進給方向為y軸方向或者對角線方向。

圖5 最小偏差法直線插補示意圖［5］

3 測試結(jié)果及分析

在ARM+FPGA的硬件平臺上嵌入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的設(shè)計在雕刻機上得到了測試，主要目的是測試系統(tǒng)的加工精度以及尺寸的一致性。圖6為數(shù)控測試平臺及圓形加工圖。

圖6 數(shù)控測試平臺及圓形加工圖

要求加工的圓形直徑分別是50、100、150 mm，加工完成后由表1可看出:測量各種圓形尺寸直徑最大誤差小于0.032 5 mm，可以很好地滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求。

表1 加工尺寸誤差分析 mm

4 結(jié)論

設(shè)計了ARM+FPGA的硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)架，確定了芯片的選型以及它們的功能劃分。采用 FPGA技術(shù)設(shè)計了一種硬件插補器，用硬件描述語言實現(xiàn)了插補功能，并利用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)作為開發(fā)工具，使數(shù)控雕刻系統(tǒng)滿足了高速度、高精度的加工要求，很好地解決了傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)中存在的問題。

［1］王田苗，陳友東，孫愷，等.基于 uC/OS-Ⅱ嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研制［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，32(4）:471－480.

［2］田家林，陳利學(xué)，寇向輝.基于ARM與FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.機床與液壓，2007，35(2）:93-94.

［3］王田苗，魏洪興.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［4］閆華，汪木蘭，王保升.基于FPGA的最小偏差法插補器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機械設(shè)計與制造，2008(12）:14－16.

［5］李恩林.數(shù)控系統(tǒng)插補原理通論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

Design of Embedded CNC Carving System Based on ARM+FPGA Architecture

LITengfei1，LING Youzhu1，LIU Jingmeng2
(1.Anhui Electric Power Transmission and Control Key Laboratory，Anhui Engineering University，Wuhu Anhui241000，China；2.Automation School，Beihang University，Beijing 100191，China）

A hardware platform with“ARM+FPGA”architecture and a software platform based onμC/OS-Ⅱreal-time operating system were designed for NC carvingmachine.For the hardware platform，due to the high computing performance of the ARM microprocessor and high logical processing performance of the FPGA，both the number of the peripheral components and the design complexity were reduced.For the software platform，usingμC/OS-Ⅱembedded real-time operating system，not onlymultiple tasks could be done concurrently，the real-time character and stability of carving machine motion control was guaranteed，and the high speed and precision processing requirements weremet，but also the system had a good man-machine interface.

CNC system；ARM；FPGA；Real-time operating system

TP273

B

1001－3881(2014）10－016－3

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.004

2013－04－19

安徽省自然科學(xué)基金 (11040606M115）；蕪湖市科技計劃基金資助項目 (蕪科計字［2011］47號文，［2012］95號文）

李騰飛 (1987—），男，在讀碩士，現(xiàn)從事嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研究與學(xué)習(xí)。通信作者:凌有鑄，E－mail:dianzi3053ltf@126.com。