1、基于S3C2440的数控系统硬件设计基于S3C2440的嵌入式数控系统硬件设计摘要：数控系统向结构功能集成化和智能化、体系结构开放化、功能实现软件化、功能实现软件化、应用环境网络化的方向发展。与此同时，32 位嵌入式 CPU 价格的下降和性能指标的提高，嵌入式硬件平台和操作系统的不断完善和发展，这些优势都促使嵌入式系统将会越来越多的应用于数控系统领域。本文提出了一种性价比较高的主从式结构的多处理器的机床数控系统。硬件平台采用模块化设计, 以三星 S3C2440 微处理器为主CPU, ATmega8 为从 CPU, 实现零件加工的自动控制。主控 CPU 主要完成数控程序的输入、键盘输入、LCD
2、显示、程序的解释、粗插补等主要功能;从CPU 为辅助设备, 主要完成精插补功能;本系统具有功耗低、成本低、功能多、并且结构简单,极大地方便了系统的维护和升级。关键词:数控机床；嵌入式系统; S3C2440; ATmega8The Hardware Design of Embedded CNC System Based on S3C2440Abstract: Numerical Control Systems structure and function is integrating and intelligentizing. Its architecture is open-ended. It
3、s function implementation is mainly based on software. Its application environment is networked. At the same time, 32 bite embedded CPUs price is decreasing and its performance is increasing. Embedded hardware platform and opperating system is developing and constantly improving. All these advantage
4、s make embedded system a good chioce for numerical control system application. In this paper presents a economical Masterslave structured multi-processor numerical system. The Hardware platform adopts the modular design. The master CPU is Samsung S3C2440. The slave CPU is ATmega8. Components can be
5、processed automatically. The master CPU is mainly used to download the CNC programs, deal the keyboard input, display data in LCD,execute the CNC program and extensive runin. The slave CPU assists the master CPU. It is mainly used for intensive runin. The system has the advantages of low power consu
6、mption, low cost, multiple functions, and it also has the advantage of a simple structure,which makes it easy for maintance and upgrade. Keyword: CNC machine; embedded system;S3C2440;ATmega8 1前言 制造业对人类生产生活水平的提高起着非常重要的作用。尤其是在工业化之后，金属自动切削机床的出现，为制造业的高度发展提供了基础，使生产力水平快速提高。而数控技术的出现又给制造业发展提供了巨大推动力，极大地提高了被加
7、工零件的复杂度、精度和效率。同时，随着现代机械制造业向更高层次发展，数控机床也成为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）的基础装备。数控技术是数控机床的关键技术，它是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集机械制造技术、自动化技术、计算机技术、传感检测技术、信息处理技术、液压与气动技术以及光机电液一体化等多项技术于一体，是近年来计算机应用领域发展十分迅速的一项高新技术1。数控技术的迅速发展，普通机床逐渐被高效率、高精度的数控机床所代替，而且数控机床水平的高低和机床数控化率的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志。1.1 国内的数控系统发展现状从
8、 20世纪 80年代以来，国家对数控技术和数控机床的发展十分重视，先后从日本、美国、德国等国家引进一些先进的 CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了生产。由于这些数控系统性能比较完善，稳定性和可靠性都比较好，使我国数控机床有了质的变化。同时，建立了一些数控开发和生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数控产业。目前，较具规模的企业有广州数控、航天数控、华中数控等。在“十五”期间，我国数控机床行业实现了高速发展。其产量2001年为17521 台，2002年 24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004 年产量是 2000 年的 3.7 倍，平均年增
9、长 39；2005 年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的 4.24 倍2。到2003年我国机床消费额已达到67.3亿美元，居世界第一位，其中数控机床占 57%（37.5亿美元）。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是国内外市场环境良好，固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛，制造业的产量和出口大幅度增加，这些都加速了国内机床市场的发展。长期以来，我国的数控机床的生产中，经济型和低档数控系统发展很快，但是中、高档数控机床方面发展缓慢，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距，这是由于国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、
10、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15 年3。这些原因使我国大部分机床产品的技术处于跟踪阶段。可见，我国的数控技术与发达国家相比仍有相当差距，数控产业仍十分薄弱，长期停留在低成本状态，还没有形成品牌效应。为使我国数控技术能尽快接近和赶上世界先进水平，一方面国家正在不断调整政策，制定发展计划，为数控技术的发展提供良好的环境；另一方面，作为科技工作者，要不断吸收和借鉴世界先进技术并结合我国的实际情况，不断努力创新提升数控系统的水平。1.2 数控系统发展趋势数控技术的出现给传统的制造业带来了极大的推动力，随着数控技术的应用领域不断扩大。而随着机械
11、产品形状、结构和材质的不断改进，零件加工的精度要求不断提高，数控技术也在不断进步，尤其是随着 FMS、CIMS 的兴起和成熟，数控技术也向着更高精度、更高速度、更高可靠性及更完善的功能方向发展。主要发展趋势包括4：(1) 结构功能集成化和智能化数控系统的开发平台采用更加集成化的设计，将原来几个芯片的功能集成到一块芯片上，简化硬件电路的设计，使整个系统小型化、经济和可靠。而且将多种功能集成到一个数控系统上，使不同的加工功能可以在同一个机床上完成，减少了零件加工过程中大量的工件搬运，安装，换刀等辅助时间消耗。在智能化方面，专家系统和知识库的引入，可以减轻工人劳动强度，提高故障诊断能力，使数控加工的
12、质量和效率大幅度提高。(2) 体系结构开放化为了解决传统数控系统的封闭性和数控应用软件的发展问题，许多国家都相继开展了开放式数控系统的研究，如美国的OMAC 计划、欧洲的OSACA 计划和日本的OSEC 计划等。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象，形成系列化，并方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系5。它具备四个特点：相互操作性、可移植性、可缩放性、可互换性。当前由于通用 PC 的快速发展，很多的开放式数控系统都采用 PC 平台，这样就更增加了数控系统的开放性。可以
13、认为数控系统的开发化是数控系统的主要发展方向。(3) 功能实现软件化软件化数控系统尽可能使用软件智能来代替负责的硬件，充分利用了软件的灵活性，十分便于用户定制和升级更新，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部的 I/O 间的接口。(4) 应用环境网络化数控装备的网络化趋势，不仅使基于 Internet、工业以太网等上层联网技术有大发展，而且使现场总线网络的执行层联网技术有了新突破。网络化数控装备极大满足生产、制造对信息集成的需求，为敏捷制造、CIMS 等制造技术提供通讯基础。比如日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProduction Cen-ter”（智能生产控制中心，简称 CP
14、C）；德国西门子（Siemens）公司的 Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称 OME）等。1.3 嵌入式系统在数控系统中的应用嵌入式系统的显著优势使嵌入式数控系统成为一个重要的发展方向。嵌入式数控系统起源于 20 世纪 80 年代单片机应用6。但随着时代的发展，要求嵌入式数控系统能够完成高速加工中大量的数据采集，处理和传输，能提供更丰富的图形界面，以及有丰富的网络互联。单片机逐渐难以胜任这些需求，人们开始转而使用 ARM，DSP，powerPC 等32 位的嵌入式微处理器。这些功能强大的处理器为数控系统的开发提供了一个很好的平台。鉴于数控系统的特点
15、，它对所使用的嵌入式微处理器的功耗和体积的要求不高。但是做为工业控制，对可靠性有很高的要求，同时，数控系统有和用户直接进行交互的功能，所以对人机界面也有一定的要求。数控系统的另一个重要特点是，它对系统的实时性的要求较高。从嵌入式系统的实时性方面来说，由于当前嵌入式系统中普遍使用了操作系统，所以它的实时性不只是与嵌入式微处理器有关，而且和操作系统直接相关。何况现在的嵌入式微处理器的运算速度通常都是几百兆，所以硬件对于嵌入式系统的实时性限制已经非常小了。所以对于嵌入式数控系统的开发，选择和移植一个合适的实时操作系统通常也是一个非常重要的工作。随着 32 位嵌入式 CPU 价格的下降和性能指标的提高
16、，嵌入式硬件平台的不断完善和发展，以及嵌入式操作系统的升级和优化，这些优势都促使嵌入式系统将会越来越多的应用于数控系统领域。2 系统总体设计方案2.1 硬件设计方案嵌入式系统主要是指以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软/硬件可裁剪, 从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本等有严格要求的专用计算机系统7。本系统要求机床可控制四轴, 实现三轴联动功能,具有16 入、16 出的 I/ O 接口, 以及具有直线、圆弧插补功能, 实 现最快移动速度不低于12 000mm/ min的目标, 并且可配接 8 英寸彩色LCD屏,具有键盘输入、手轮输入接口等功能。系统以 S3C2440 为控制核心, 采
17、用双 CPU结构,并扩展外围电路,实现设计目标。其中,嵌入式系统硬件是嵌入式系统软件环境运行的前提,它提供了嵌入式软件运行的物理平台和通信接口。系统的硬件平台主要是由ARM 最小系统、人机交互模块、通信模块、I/ O 模块、伺服模块等组成。系统总体结构框图如图1 所示。图1 系统总体框图其中ARM 最小系统是整个数控系统的控制核心,所有加工过程都是围绕此部分展开; 通信模块负责开发板与上位机、U 盘等外界设备的通讯;人机交互模块包括液晶显示器、键盘和手轮, 完成加工过程中人机交互功能;隔离和转换模块能够保证信号正常的传输; I/O 模块实现开发板与机床之间的信号传递,包括刀具定位信息、机床零点
18、信息、限位信息及冷却液开关等。插补运算在加工过程中占有重要地位,也是该设计的难点所在。为减小ARM 微处理器运行负荷, 保证插补精度和插补速度,系统采用双CPU 模式,主控部分, 即核心板模块完成加工中粗插补的计算,然后将插补数据传给从 CPU, 从CPU 接收数据后,对数据进一步计算, 从而得出精插补的数值,进而实现电机的控制。通过以上数据处理过程,机床快速移动可达 12000mm/ min, 满足设计要求。2.2 微处理器选择三星公司推出的微处理器 S3C2440,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、 低功耗、 高性能微控制器的解决方案。S3C2440 的杰出特点是其核心处理器, 该内核
19、是ARM公司设计的 32位ARM920T 的RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA BUS 和 Harvard高速缓冲体系结构,这一结构具有独立的16KB 指令和数据高速缓冲存储器,每个都是由具有8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设, S3C2440无需配置额外的组件,从而减少了整体系统成本8。处理器资源主要包括: 4路PWM定时器, 1路内部定时器, 16KB 的 Cache, 外部储存控制器,LCD控制器, DMA控制器, 3路URAT, IIC总线接口, 3 路USB 控制2 路主机控制、1路期间控制) ,8路10位ADC 和触摸屏接口, 130个通用I/O 等
20、。系统采用双CPU 模式,主控制器实现数控程序的输入、编辑、通讯、键盘响应、LC显示、程序解释、粗插补等主要功能,从CPU 只负责精插补运算, 使主控制器能够在运动过程中,有时间响应键盘输入、LCD显示、程序预读、解释、粗插补等工作。从CPU采用低成本的8 位机即可满足插补运算要求。为缩短主机处理时间, 主从CPU之间的通讯并未采用串行方式,而直接采用并行方式,使传送插补数据在数个微秒内即可完成。在执行插补过程中,还可将插补运算的结果通过并口传回主CPU ,其硬件连接如图2 所示。图2 主从CPU硬件连接图2.3 核心板基本结构本系统所有硬件设计都是围绕系统核心处理器S3C2440展开的, 因
21、此基于 S3C2440 的最小系统是整个控制器系统设计的基础,是机床数控系统的控制核心。最小系统部分主要完成系统启动、RAM/ ROM 扩展、初始化等工作。最小系统模块主要包括时钟系统、调试测试接口、 供电系统、存储器和复位系统。为加快数控系统的开发, 同时提高系统的可靠性和稳定性,本系统采用了核心板加扩展板的总体设计思想,利用核心板提供的接口扩展数控系统所需要的其他 模 块。ARM核心板上集成了S3C2440、SDRAM、NandFlash、电源系统、晶振等,并且通过200 引脚的插卡式连接器与扩展板相连。核心板基本结构框图如图3所示。核心板物理特性及硬件资源如下: (1) CPU：三星 S
22、3C2440, 主频400MHz。(2) 存储设备：2片32M 的 SDRAM(HY57V561620)，1 片64M 的Flash( K9F1208)。(3)1个电源指示灯。(4)振荡电路。(5) 在总共200 条接口线里面,包含有电源线、地线、用户扩展可能要用到的地址线、数据线等。图3 核心板基本结构框图2.4 人机交互模块系统人机交互模块主要包括 LCD液晶显示器、键盘和手轮。数控系统的实时运行状态通过LCD 显示,例如NC 代码的输入/编辑/ 显示、运行程序显示以及一些机床运转状态显示等;键盘主要完成代码输入, 机床主轴正反转、急停等特殊按键功能;手轮主要用于加工过程中快速移动等人机交
23、互功能。机床人机交互模块中, LCD 液晶显示器是不可缺少的重要部分,核心微处理器S3C2440具有内置LCD 控制器, 可提供控制 LCD 的全部信号。本系统中, LCD 显示屏可配接8 英寸彩色屏, 尺寸较大,显示内容丰富9。键盘采用88 矩阵形式,工作以循环扫描方式, 配上一个I/ O 线,可扩展键盘数量至128个键,完全满足数控系统按键的要求。手轮与系统的接口,采用差分方式输入,可判断手轮转动方向, 并配有倍率选择开关, 满足调试或手动加工的需要。2.5 通信模块通信模块主要是指串行接口、网络接口和U SB 接口。通过网络接口进行网络文件系统(NFS) 的上传下载; 通过USB 接口读
24、取U 盘信息,实现机床与外界存储设备的通讯; 为了适应车间的环境，实现工厂的自动化程度与管理层的信息集成等，本系统采用工业以太网作为网络平台。工业以太网的抗干扰设计保证了车间恶劣环境下的通信畅通及实时性 且易于与管理层集成 系统采用总线+星型的拓扑结构，主干网采用总线结构，易于组成冗余环网，局部采用星型结构，避免了某一台设备的故障影响其他设备数控系统的通信结构如图4 所示。 通信控制器的主要功能是从以太网上接收 TCP/IP 数据包并释放数据包中的数据，通过串口把数据传给数控机床，同时也把从数控机床传来的串口信号转换为以太网接收的 TCP/IP 协议格式数据，实现了数控机床与以太网的连接。它向
25、上连接工业以太网，采用工业级RJ45接口形式，向下连接带有 RS232 串口的数控机床，而信号输入口和机床的信息采集点连接实现信息的采集，通信控制器可以作为一个器件直接安装在数控机床上，通过通信控制器配置 IP 地址即可使数控机床称为以太网中的一个节点，从而拥有以太网的部分功能，如文件传输等10图4 通信模块结构框图2.6 伺服模块伺服模块主要接收控制模块发出的电动机伺服控制信号,如进给脉冲和方向信号等, 通过驱动电路,进行电流环、速度环和位置环的精确控制,驱动伺服电动机, 实现多轴联动的轨迹控制11。若要实现多轴联动, 控制部分和伺服电机之间需要相应的接口电路,保证信号的正常传输。本系统伺服
26、模块设计主要包括强电弱电隔离、差分输出电路和D/ A 转换模块。a. 差分输出电路。系统与驱动器之间由于传输距离、工作环境的影响, 需要对接口电路进行专门设计,以提高信号的驱动能力和抗干扰能力。差分信号具有高速度、低噪声、低功耗、低电磁干扰、低成本等方面的优势,所以本系统在进给信号接口将控制信号进行差分处理以后再进行传输。b. D/A 转换模块。通过微处理器 S3C2440自身的PWM 脉宽调制定时器可产生脉冲信号,进而实现对主轴转速的控制。D/ A 模块的作用就是将处理器产生的脉冲信号转换为模拟信号,通过模拟量实现对主轴转速的控制12。2.7 输入输出模块输入输出模块主要用于数控系统与机床之
27、间的信息传递,包括:主轴的正、反转, 主轴的启动与停止,刀位转动指令与刀位信息, 机床坐标零点信息、限位信息, 冷却液开关等。输入输出模块通过光电隔离、数据锁存器与主控器数据总线相连,如图5所示。位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中,它的主要作用是检测位移和速度,并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较, 若有偏差, 经过放大后控制执行部件,使其向消除偏差的方向运动,直至偏差为零为止。数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度, 精密检测装置是高精度数控机床的重要保证。为了提高数控机床的加工精度,必须提高位置检测装置和检测系统的精度。图5 输入输出模块结构框图3
28、 结论(1) 本文提出的基于ARM9 微处理器的多功能机床数控系统可实现车、铣、车铣复合、数控钻等切削加工工艺。(2) 系统采用双CPU 结构形式, 主控部分采用32位的ARM9 内核的处理器, 可以实现数控操作所需要的大部分功能,极大地减小了总体芯片的面积并降低了系统的复杂程度。(3) 从CPU 只进行加工中精插补的运算,可采用8 位CPU,降低开发成本。(4) 该数控系统在要求快速移动和加工速度适中的经济型数控机床领域有着广阔的应用前景。参 考 文 献1 蔡燕琴. 数控系统的发展方向J. 机械制造与自动化,2006,35(l):9-12. 2 徐宁,杨秀云. 数控系统的现状及发展趋势J.
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