基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化DNC系統(tǒng)研究

0 引言

DNC是Direct Numerical Control或DistributedNumerical Control的簡稱，意為直接數(shù)字控制或分布式數(shù)字控制。DNA以數(shù)控技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)把與制造過程相關(guān)的設(shè)備集成起來，從而實現(xiàn)了制造設(shè)備的集中控制管理，以及制造設(shè)備之間、制造設(shè)備與上層計算機(jī)之間的信息交換。該控制方式的技術(shù)特點充分體現(xiàn)了數(shù)字制造的方展方向，因此在數(shù)控加工中被廣泛使用。本文結(jié)合DNC技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)計了一套基于ARM和DSP的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該DNC控制系統(tǒng)主要分為三大部分：DNC服務(wù)器模塊、ARM通信處理模塊、DSP控制執(zhí)行模塊。其中DNC服務(wù)器是系統(tǒng)的控制中心，ARM是嵌入式機(jī)床控制系統(tǒng)的主處理器、運行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程DNC服務(wù)器的指令并進(jìn)行相應(yīng)處理，DSP控制執(zhí)行模塊主要負(fù)責(zé)具體的指令執(zhí)行操作，直接控制機(jī)床的運行。三大模塊有機(jī)結(jié)合便可構(gòu)成一個完整的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

DSP控制模塊是機(jī)床控制系統(tǒng)的實際執(zhí)行單元，DNC服務(wù)器以及ARM發(fā)送過來的指令最終都由DSP控制模塊具體處理。高精度的多軸數(shù)控機(jī)床加工通常都會涉及到大量的運算處理，同時需要豐富的外設(shè)接口支持，為此，本系統(tǒng)選用了TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。這是一種新型32位定點DSP芯片，具有以下特點：

(1) 運算速度快，工作時鐘頻率達(dá)150MHz且功耗很低。

(2) 具有優(yōu)化的CPU和哈佛總線結(jié)構(gòu)，同時具有強(qiáng)大的操作能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理能力?？梢詫崿F(xiàn)16×16位和32×32位相乘且累加操作。

(3) 系統(tǒng)中的兩個增強(qiáng)的事件管理器模塊提供了一整套用于運動控制和電機(jī)控制的功能和特性。每個事件管理模塊均包含有通用定時器(GP)、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。

(4) 外圍設(shè)備包括3個32位的CPU定時器和16通道12位ADC，它不僅具有串行外圍接口(SPI)和兩個串行通信接口(SCIs)，還具有改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)(e2 CAN)、多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式。

基于以上特點，該系統(tǒng)尤其適用于數(shù)字馬達(dá)控制、工業(yè)自動化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及通信設(shè)備等。本系統(tǒng)中TMS320F2812主要用于數(shù)控機(jī)床的控制，可接收ARM傳送過來的控制代碼，并對代碼進(jìn)行譯碼和相應(yīng)的運算，最終將代碼轉(zhuǎn)化為PWM脈沖編碼以控制電機(jī)的運行；另外，該DSP還負(fù)責(zé)將接收的機(jī)床I／O板所采集的機(jī)床狀態(tài)信息以及機(jī)床代碼的接收和執(zhí)行情況，通過RS485總線反饋給ARM，以作為ARM進(jìn)行下一步操作的依據(jù)。

1.2 ARM通信處理模塊

ARM通信處理模塊是機(jī)床控制系統(tǒng)的核心模塊，它既可以作為一個單獨的控制單元，利用自身的人機(jī)交換模塊進(jìn)行代碼編輯，以控制機(jī)床的運行；義可以通過工業(yè)以太網(wǎng)接收DNC服務(wù)器傳送的機(jī)床代碼指令來控制機(jī)床的運行。因此，ARM處理器在通信、任務(wù)處理、人機(jī)交互、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各方面都有較高的要求，同時，為了方便今后的系統(tǒng)升級，該系統(tǒng)還選用了三星公司的S3C2410處理器，該處理器是基于ARM9內(nèi)核的32位RISC處理器，擁有強(qiáng)大的處理、控制功能以及豐富的外設(shè)接口，可以作為數(shù)控機(jī)床的主處理器來運行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

ARM通信處理模塊選用S3C2410(32-bitARM920T內(nèi)核)，系統(tǒng)時鐘使用外部12 MHz晶振，也可由S3C2410內(nèi)部的PLL倍頻至200 MHz。另外，還應(yīng)配置鍵盤和LCD顯示模塊、2通道RS485通信接口以及10 MB以太網(wǎng)接口。

1.3 DNC服務(wù)器模塊

DNC服務(wù)器模塊是整個機(jī)床網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制指揮中心，以工業(yè)PC機(jī)構(gòu)建，可運行windows xp操作系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)界面和可操作性。開發(fā)工具選用的Visual C++是美國Microsoft公司推出的軟件開發(fā)工具，目前已成為國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的高級語言之一，同其它軟件開發(fā)工具相比，Vi-sual C++具有面向?qū)ο蟆⒛芸梢暬_發(fā)等優(yōu)點。由于該系統(tǒng)工具提供有面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序框架MFC(Microsoft Foundation Class：微軟基礎(chǔ)類庫)，因而可以大大簡化程序員的編程工作和模塊的可重用性；由于眾多的開發(fā)商支持，該工具已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MFC類庫；同時它和C語言兼容的特點也大大方便了和外部嵌人式系統(tǒng)之間的連接。DNC服務(wù)器模塊可協(xié)調(diào)整個機(jī)床網(wǎng)絡(luò)的運行，便于實施機(jī)床車間的流水線操作。因此采用該DNC系統(tǒng)可大大提高生產(chǎn)效率，降低管理成本，同時其遠(yuǎn)程操作特點特別適合一些特殊的加工場合(如危險品的加工)。因此，該DNC系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要有DNC服務(wù)器軟件設(shè)計、ARM通信處理模塊軟件設(shè)計、DSP控制模塊軟件設(shè)計等。其系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

當(dāng)然，每臺數(shù)控機(jī)床也可以作為一個獨立的控制單元(圖2中的虛線框部分)，可利用ARM通信處理模塊自帶的人機(jī)交互模塊，來完成機(jī)床代碼的編寫以及反饋信息的顯示。因此，該系統(tǒng)既可以獨立運行，又可以組網(wǎng)運行，因而具有很強(qiáng)的靈活性。