1、1、国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。2、国外数控机床的网络化。随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网
2、络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以FANUC和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程
3、诊断。1.2.3国内研究现状 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。例如：全长33公里的XX磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。去年年初，XX机床集团机床股份XX中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于8月底将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好的基础。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显
4、著提高。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；XX第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置；XX第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。1.3本论文课题来源和研究内容1.3.1课题来源 本课题来源于国家863项目“嵌入式机电控制系统
5、及应用”（编号：2003421130）。1.3.2研究内容本文针对嵌入式机电控制系统底层关键技术，以数控系统作为对象，设计了一套基于ARM和FPGA的开环数控系统，对基于ARM和FPGA的开环数控系统硬件体系结构、FPGA在数控系统中的应用、基于ARM和FPGA的开环数控系统的硬件结构设计及与基于实时操作系统C/OS-II的软件设计等关键技术进行了深入研究。1.4论文结构安排 本文共分为七章。第一章为绪论，说明本课题的研究意义和研究内容。第二章先描述整个数控系统的体系结构，然后对要求进行拆分、分析，确定软硬件所需要实现的功能，着重说明硬件所需要实现的功能，对功能进行划分，确定各个模块的作用。第
6、三章阐述电路板设计，包括设计原则、性能分析、各个子系统的详细设计。第四章阐述FPGA的逻辑设计，包括FPGA的介绍、开发流程、各个功能的实现方法，最后总结了使用HDL进行FPGA设计的注意事项。第五章阐述C/OS-II操作系统的特点，软硬件接口的具体实现。第六章阐述硬件部分的调试过程，以及在调试中出现的问题及其解决方法。第七章记录了软硬件联调的情况，测试的结果和结论第二章 嵌入式数控系统体系结构设计2.1数控系统体系结构通常一个数控系统的总体框图如图2.1所示，由控制系统、伺服驱动系统和伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，由FPGA进行细插补，最后形成脉冲串的形式发送给伺服驱动系统，最
7、后伺服驱动系统形成运动指令控制伺服电机运转。 图2.1 数控系统的总体结构2.2技术要求 本文以一个三轴开环数控系统为应用研究对象，拟设计一套基于ARM嵌入式微处理器和FPGA的嵌入式数控系统，即图2.1 的控制系统部分。三轴开环数控系统要求如下：2.2.1 主要性能指标可控制轴数 3轴（X轴、Z轴、第3轴可定义为Y或C）联动轴数直线3轴，圆弧X、Z两轴运动轴信号输出方式：脉冲方向 （两组信号均为差分输出）脉冲宽度1s（上升/下降沿0.2s）最小指令单位X轴0.0005mm ，Z轴0.001mm 最小移动单位最大编程尺寸9999.999mm最大快速移动速度30000mm/min（对应脉冲输出频
8、率为512KHz）切削进给速度X围115000mm/min（对应脉冲输出频率为256KHz）快速移动倍率F0、25%、50%、100%四级，可实时调整（手动/自动方式有效）切削进给倍率0150%十六级可实时调整（按10%递增）自动加减速线性/S型曲线（加速、减速时间常数设置X围：04000ms）单步进给增量值1、10、100、1000手轮进给增量值电子齿轮变比X围1/255255螺纹导程X围公制：0.001500mm ，英制：0.06254000牙/英寸公/英制单头多头直螺纹、锥螺纹，螺纹退尾长度可设定螺纹加工最高主轴转速3000rpm（螺纹加工最高进给速度15000mm/min）可对使用的主
9、轴编码器的分辨率（脉冲/转）作为参数进行设置，X围为100025003轴丝杆反向间隙补偿各轴065.535mm存储型螺距误差补偿3轴各256点、每点-32.767+32.767mm刀具功能 可选刀具数量：16把刀具长度补偿32组（0999.999mm）、刀尖半径补偿（补偿方式C ）32组（0999.999mm）刀位信号输入方式： 8工位以内的刀可以直接输入，也可以编码输入（由参数选择），超过8工位的刀架采用编码输入，编码方式为：BCD码或格雷码（由参数选择）。T代码绝对换刀 /手动相对换刀。可单向选刀，也可双向就近选刀。主轴功能S（二位数）可控8级机械换挡（直接输入和编码输入可选）S（四位数）
10、位主轴转速设置、模拟输出010VDC电压（同时支持8级自动换挡M41M48）主轴速度倍率 50%120%（10%递增）零件程序容量256KB加工程序预处理3段（非循环指令段），要求速度平滑过度、加工过程流畅不停顿。2.2.2系统输入输出接口要求 输入 / 输出接口说明 输 入 口（40个） 输 出 口（32个）名称定义固定输入接口24个固定输出接口16个OV1倍率信号1M3主轴正转OV2倍率信号2M4主轴反转OV4倍率信号3M5主轴停OV8倍率信号4M8冷却液开SP保持进给M9冷却液关ST循环启动M10尾座进输出信号T01T01刀位信号M11尾座退输出信号T02T02刀位信号M12卡盘夹紧T0
11、3T03刀位信号M13卡盘松开T04T04刀位信号M32润滑油开启T05T05刀位信号M33润滑油关闭T06T06刀位信号TL+正向换刀信号T07T07刀位信号TL-负向换刀信号T08T08刀位信号TLSP刀架制动TCP刀架锁紧信号SPZD主轴制动TLST刀架选通信号Y16DEXX轴减速信号DEZZ轴减速信号DECC轴减速信号ESP急停输入X0X轴零位信号Z0Z轴零位信号C0C轴零位信号SAR主轴转速到达信号扩展输入接口16个扩展输出接口16个UI0UI15宏程序指定输入0宏程序指定输出入15UO0UO15宏程序指定输出0宏程序指定输出15注: MI41-MI48, DITW, DIQP, S
12、PEN, STEN, TWT, KPS, X14, X16与UI0UI15复用，S01-S08, M41-M48与UO0UO15复用。2.2.3 精度指标直线插补精度： 0.0003mm圆弧插补精度：0.0005mm切削进给速度误差（与设定值）： 3%快速移动速度误差（与设定值）：10%G04延时指令误差： 5ms加、减速时间常数误差： 系统各种脉冲持续时间（与设置时间）精度误差： 2.2.4 其他要求（1）操作界面和信号接口与XX数控的GSK980T一致。（2）控制系统采用uC/OSII操作系统。（3）有较大的功能提升空间。2.3 总体结构分析根据数控系统所需完成的功能和需求，我们把数控系统
13、分为五个任务，即人机界面管理任务、数据处理任务、运动控制任务、逻辑控制任务和辅助控制任务，伺服控制，每个任务又可以划分为更小的子模块。系统模块划分如图2.2所示图2.2系统模块图系统的整个运行流程框图如图2.3所示。该系统根据键盘操作选择不同的操作方式。下面以自动运行为例，用户选择自动运行后，按下启动按钮则系统相应执行代码编译、刀具补偿、速度计算、插补和位置伺服等各个阶段控制机床的运动。图2.3 数控系统的总体运行流程框图2.4软硬件功能划分2.4.1软硬件功能划分的原则 随着芯片设计和制造技术水平的发展，微处理器的运算速度得到很大提高，因此很多传统上必须由硬件实现的功能现在可以使用软件实现。
14、与此同时，近年来，FPGA技术的提高和大容量、低成本的新型FPGA的出现，为高性能的数字控制系统提供了新的实现方法。可以说，以嵌入式微处理器和FPGA为核心的系统设计技术代表了现代数控系统的软件和硬件实现方法。但是，微处理器的运算资源和FPGA的逻辑资源还是有限的，而且微处理器擅长的是串行的数据处理，而FPGA擅长的是并行的逻辑处理。因此就出现了功能实现的软硬件划分的问题。需要注意的是，这里所指的有软硬件划分需要的功能都是那些既可以用软件实现又可以用硬件实现的功能，具体到实际的物理系统中，就是那些既可以用微处理器系统实现也可以用FPGA或者模拟器件实现的功能。 在软硬件划分的问题上，一般遵循以
15、下几个原则：1性能原则。不管使用软件还是硬件实现特定的功能，首先要满足性能要求，这是最重要的。比如对于所有的模拟功能，虽然有模拟FPGA出现，但是其技术还不成熟，而数字脉冲输出加滤波的方法在相应速度、精度上无法与模拟器件相比，因此显然是必须由模拟器件，也就是硬件来实现。2性价比原则。大容量FPGA理论上和实际上都可以完成本系统所要实现的全部数字功能，但是使用昂贵的FPGA来实现普通的微处理器就可以实现的功能是一种巨大的浪费。同时，为了让本系统的某些功能用软件实现而采用超高速的微处理器也是一种浪费。因此，可以说对于本系统来说，最重要的是分析对于同一个功能，是用微处理器来实现所需要的成本低还是用F
16、PGA来实现所需要的成本低。3资源利用率原则。新型的微处理器往往集成了大量的外围器件，比如串口、计数器、PWM、AD等等，也就常说的片上系统SOC（System On Chip），在性能相同的情况下，价格却比分立系统低廉。因此，很多系统面临的情况是使用了SOC芯片以后，不但可以实现那些符合高性价比原则的功能，还会有一些剩余的资源，比如微处理器的计算资源。FPGA的使用特点决定了不能完全按照估计的实际逻辑资源使用量去选型，而是要选择逻辑容量比实际可能需要的最大容量还要大30的型号。而同一个系列的FPGA里虽然有内部逻辑资源容量不同的多种型号，但是找到完全符合选型要求的器件的机会还是比较小的，因此
17、就必须选择刚好大于选型需求的器件。如此一来，不管是微处理器还是FPGA的资源都会有一些剩余。很多使用软件和硬件都可以满足性能要求的功能就必须考虑实现的方法，比如键盘扫描功能。对于这些功能的实现方法就需要考虑软件和硬件的利用率原则，即不要把一方的资源用光，尽量使两方的资源利用率相等。由于微处理器所运行的控制软件的性能与微处理器的使用率有关，当使用率越低的时候，软件的相应速度会越快，或者可以以较低速度来运行微处理器。而且FPGA的运行速度与逻辑资源也有关系，逻辑资源利用率越低，可以运行的速度越快。而数字系统的运行速度与可靠性是有直接关系的。当运行速度接近极限速度的时候，可靠性就会降低，因此适当保留
18、一定的提速空间对与提高系统的可靠性是有很大帮助的，同样也有利于将来的性能升级和维护。 三个原则之间不是相互独立的，而是互相影响的，当具体实施的时候要同时考虑这几个原则，从而做出最优的选择。2.4.2 软硬件功能划分的具体实现根据图2.2的系统模块框图，各个功能的软硬件分工如下：1人机界面。这些功能与运动控制没有直接关系，绝大多数使用软件来实现。除了键盘扫描功能以外。我们使用的10X10的扫描键盘，软件扫描程序的理论分析和实际测试的结果都表明，使用软件进行扫描是一项比较浪费微处理器运算资源的做法。我们在66MHz的ARM7TDMI微处理器加C/OS-II操作系统的平台上测试中发现，当使用软件进行
19、4X4的键盘的扫描时，一旦扫描任务的优先级高一些，会明显感觉到其他任务受到影响。因此，键盘扫描的任务将由FPGA来实现，当FPGA检测到有按钮按下时，向CPU发送一个中断。2逻辑处理，也就是PLC功能。PLC是一项复杂的功能，涉及复杂的串行的数学运算，因此决定使用CPU来实现。本系统定位在实现简单的PLC功能。3运动控制。运动控制是数控系统的核心，其中插补又是运动控制部分的核心。插补大体可以分为两级：粗插补和细插补。相对来说，粗插补负责将G代码转变为较详细的轨迹点信息，而细插补则将这些轨迹点细化为针对电机驱动器的脉冲信号进行输出。从数学运算上来看，粗插补的运算量很大，而细插补的运算量则很小。但
20、是细插补对时间的准确性要求非常高，如果要用微处理器实现，则需要一个周期非常小的定时器，而且周期也会不断变化，这样会消耗大量的微处理器计算时间，甚至微处理器没有时间运行其他的任务。对于FPGA来说，实现这样的细插补的功能则非常简单，只需要很少的逻辑资源，而且脉冲的最大频率也可以很高，至少可以远远超过外部接口器件的极限。因此，粗插补将由微处理器负责，而细插补理所当然由FPGA来实现。4辅助控制。这部分功能较为繁琐，而且几乎与硬件没有任何关系，所以用微处理器来实现。5数据处理。这部分功能也几乎与硬件没有任何关系，所以用微处理器来实现。6伺服处理。与运动控制的情况类似，伺服算法的实现需要大量的串行的数
21、学运算，而信号检测部分如果用软件实现的话则需要微处理器不断去检测信号的变化。因此，伺服算法部分由微处理器实现，信号检测部分由FPGA实现。2.5硬件系统划分虽然如上一小节所说，很多功能是软件实现的，但是软件也是运行在硬件上的，所以说，在进行硬件系统的划分的时候也必须把软件的运行基础考虑在内。这样，从硬件设计者的角度上去分析，整个电路板系统可以分为板级系统和芯片级系统。板级系统的设计指印刷电路板的设计，芯片级系统指FPGA内部逻辑的设计。两者虽然都是属于硬件的X畴，但是两者的设计对象、设计方法、开发流程和所需要使用的EDA软件都完全不同。板级系统由微处理器子系统，FPGA子系统，DA转换子系统，
22、信号隔离与转换子系统，电源子系统构成。微处理器子系统负责运行数控的控制软件，FPGA负责脉冲信号的产生和计数、键盘的扫描和IO的控制，DA负责产生主轴变频器所需要的模拟信号，信号隔离与转换子系统负责各类机床信号的接口处理，电源子系统则为其他系统和继电器提供电源。结构框图如图2.3所示。图2.3 板级系统框图芯片级系统由总线接口模块、复位控制模块、中断控制模块、定时器模块、IO控制模块、编码器计数器模块和驱动器控制器模块构成。其中总线接口模块负责提供FPGA内部功能模块与ARM外部总线的接口，复位控制模块为FPGA内部功能模块提供复位信号，中断控制模块用于处理FPGA内部功能模块的中断信号，定时
23、器模块为脉冲发生器提供定时信号，IO控制模块用于控制顺序控制IO，键盘扫描模块负责控制1010键盘的扫描，编码器计数器模块用于检测主轴和手轮的码盘信号，驱动器控制器模块用于产生、检测电机驱动器的信号等8个模块构成。整个结构框图如图2.4所示。图2.4 芯片级系统框图2.6板级功能划分2.6.1微处理器子系统微处理器子系统包括ARM子系统、存储器子系统和LCD接口、通信接口和串行接口，组成框图如图2.3所示。图2.3微处理器子系统框图其中，ARM是一种嵌入式处理器，主要负责运算，存储器负责程序和数据的存储以及文件系统，通信接口负责加工程序的下载和上传，并行接口实现与FPGA的通信，串行接口实现对
24、DA转换器的控制。存储器子系统包括FLASH、SDRAM和NVRAM。FLASH存储程序和文件，SDRAM存储系统运行时的程序和数据，NVRAM存储实时的系统状态。通信接口实现与PC机的基于RS232标准的数据通信。并行接口实现与FPGA的数据通信，串行接口实现对DA转换器控制。2.6.2 FPGA子系统FPGA子系统包括FPGA、配置电路、下载接口、并行接口，组成框图如图2.4所示。图2.4 FPGA子系统框图 配置器件用于在上电时配置FPGA，下载接口用于烧写配制器件和直接配置FPGA，并行接口实现与CPU子系统的通信。2.6.3 DA转换子系统DA转换子系统由隔离器件、DA转换器和运放组
25、成，框图如图2.5所示。图2.5 DA转换子系统框图隔离器件在CPU和DA转换器之间，属于数字隔离方式，与使用模拟光耦或者隔离运放相比较，可以降低成本、提高精度，虽然实际系统模拟输出的刷新速度会有一些影响，但是对于本系统还是可以满足要求的。2.6.4 信号隔离与转换子系统信号隔离与转换子系统由低速量输出隔离，功率放大，低速输入隔离，高速输出隔离，单端差分转换，高速输入隔离，差分单端转换组成，框图如图2.6所示。图2.6信号隔离与转换子系统框图2.6.4 电源子系统新型的CPU和FPGA的内核电压一般都使是2.5V或以下的，IO电压一般都使是3.3V，高速光耦一般也需要5V电压。根据要求，要使用现有的980T系统的开光电源，该电源可以提供5V，12V和24V电源。因此，需要电源模块使用5V产生3.3V和2.5V，为了隔离的需要，还要使用24V产生另外的一个5V。2.7
