專利名稱：基于arm技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機電一體化技術中的數(shù)控技術領域，具體的講是一種基于ARM技術的嵌 入式機床數(shù)控系統(tǒng)。
技術背景機床數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機床的控制核心，目前較常見的機床數(shù)控系統(tǒng)都是基于工控PC 十運動控制卡模式的。基于這種體系結(jié)構的數(shù)控系統(tǒng)存在著很大的局限性，主要體現(xiàn)在1) 通用性強，但針對性不夠傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都采用目前成熟的通用軟硬件計算機系統(tǒng)，這種基于PC架構的計算機 系統(tǒng)當時設計時考慮的就是通用性能和兼容性能，不是專門針對數(shù)控系統(tǒng)而設計的。這樣一 來，造成的局面就是過多的耗用了軟硬件資源，或為了 "照顧"全面而犧牲了局部性能，沒 有針對數(shù)控加工的特殊性進行考慮，而當運用于專門的數(shù)控系統(tǒng)時，顯得后勁不足。2) 可靠性低，實時性能得不到保證工控PC硬件采用與臺式PC同樣的架構，軟件采用通用的操作系統(tǒng)。很多對數(shù)控系統(tǒng)不 需要的硬件電路被采用，增加了硬件系統(tǒng)的復雜性，增加了功耗，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。許 多與數(shù)控系統(tǒng)無關的軟件任務占用了 CPU更多的時間，使得實時性能得不到保證。3) 系統(tǒng)復雜，成本過高工控PC硬件復雜并且生產(chǎn)成本較髙，軟件成本更高。再加上運動控制卡部分，使得整 個系統(tǒng)的軟硬件成本得不到控制。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的問題是提供一種有別于傳統(tǒng)的基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系 統(tǒng)，其能夠用于數(shù)控車床、銑床、加工中心以及各種數(shù)控設備，與傳統(tǒng)的工控PC軟硬件架 構相比較，其系統(tǒng)簡單，性能穩(wěn)定，功耗低，成本低廉。本實用新型為解決上述提出的問題所采用解決方案為基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控 系統(tǒng)，其特征在于包括有ARM系列核心板、鍵盤板、顯示器和CNC面板，所述的ARM系列 核心板采用32位嵌入式微處理器作為主控芯片，主控芯片配置有Nor flash, Nand Flash, SDRAM,主控芯片配置有3個串口，其中一個串口用于與外部PC機相連，另一個串口與鍵盤 板連接，鍵盤板下連有CNC按鍵面板，主控芯片通過LCD端口與顯示器配置，GPIO口引出主 控芯片內(nèi)9個輸出、6個輸入I/O接口 ，主控芯片外圍還擴展有10/100M速率的RJ必以太網(wǎng)接口和USB主從接口，軟件結(jié)構選用經(jīng)裁減后的Windows CE . net嵌入式實時操作系統(tǒng)和專 用數(shù)控機床控制軟件。按上述方案，所述的Nor flash容量為1M以上，Nand Flash容量為32M以上，SDRAM 容量為32M以上。按上述方案，所述的ARM系列核心板為ARM7核心板、ARM9核心板、ARM10核心板或ARM11 核心板。按上述方案，所述專用數(shù)控機床控制軟件，是指運行于嵌入式實時操作系統(tǒng)之上，專門 用于控制車床、銑床、加工中心的應用程序，其作用是實現(xiàn)人機界面、G代碼編輯、G代碼 解釋、插補運算、軟件仿真、向伺服電路發(fā)送控制命令、通訊控制的功能。以下是有關術語的解釋ARM:即Advanced RISC Machines Limited, —種嵌入式硬件核 心技術；Nor flash即非易失閃存；Nand Flash即非易失閃存；SDRAM即同步動態(tài)隨機 存取存儲器；CNC艮卩Computer Numerical Control,計算機數(shù)控；GPIO艮卩General Purpose 1叩ut/0utput,通用輸入輸出。本實用新型的優(yōu)點有如下幾點(1) 完全意義上的嵌入式模式架構。本實用新型采用的是真正的ARM體系的嵌入式硬件 和真正的嵌入式實時操作系統(tǒng)，嵌入式技術的引用使得系統(tǒng)在實時性能、穩(wěn)定性、體積和功 耗等方面都有突出的表現(xiàn)。(2) 系統(tǒng)簡單、價格低廉。由于采用了嵌入式技術，使得硬件電路簡單，例如系統(tǒng)的 CNC專用控制電路就是在現(xiàn)有ARM硬件基礎之上直接進行擴展的。系統(tǒng)軟、硬件成本得到控 制，卻能獲得滿意的技術性能。(3) 實用性強、適用面廣。本實用新型可應用于數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心以及其它 一些數(shù)控機床。該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應用軟件都采用分層管理，只需作簡單配置和修改就可 適用于各種機床。(4) 通訊能力強、擴展方便。通過以太網(wǎng)口接入工控網(wǎng)絡時，系統(tǒng)可通過得到一個IP 地址的方式在網(wǎng)絡中獲取唯一身份。通過網(wǎng)絡，網(wǎng)上任意一臺終端或工控設備都可與該系統(tǒng) 進行在線通訊或進行維護操作。


圖1是本實用新型的硬件結(jié)構框圖； 圖2是本實用新型的軟件層次結(jié)構圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。本實用新型是一種基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)，其主要包含有S3C2410A嵌入 式微處理器作為主控芯片的ARM9核心板、AVRMegal28L鍵盤板、8. 4' TFT液晶顯示器和CNC 面板組成。如圖1 ， ARM9核心板選用的是Samsung S3C2410A嵌入式微處理器，S3C2410A嵌入式微 處理器基于ARM9核，采用RISC(精簡指令集)架構,擴展哈佛結(jié)構，系統(tǒng)主頻最髙可達266MHz， 5級流水線技術。本實用新型采用200MHz主頻，配以1M容量的Nor flash用于存儲 Bootload(引導載入)，64MNandFlash用于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核、CNC應用程序以及系統(tǒng)文件， 64M SDRAM用于系統(tǒng)內(nèi)存。S3C2410A片內(nèi)有3個串口資源，本實用新型用到了其中的兩個 UARTO用于與外部PC機的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)配置文件、參數(shù)設置文件、G代碼程序文件等都可 以通過該接口實現(xiàn)上傳下載；UART1 口通過標準RS232傳輸協(xié)議與以AVRMegal28L作為微處 理器的鍵盤板連接，鍵盤板下連CNC按鍵面板，按鍵面板上的用戶操作交由具有處理能力的 Megal28L鍵盤板處理。Megal28L芯片具有豐富的I/O 口資源，主要用于檢測CNC按鍵面板 上91個按鍵消息，然后通過串口上發(fā)至ARM9核心板的UART1端，并且負責控制顯示CNC按 鍵面板上的24個狀態(tài)指示燈。這樣一來，就將鍵盤處理任務從ARM9核心板中分離了出來， S3C2410A嵌入式微處理器將不負責按鍵消息處理和狀態(tài)顯示等慢速任務。S3C2410A芯片具有獨立的LCD端口，這給拓展顯示帶來了方便。本實用新型選用8.4' TFT真彩液晶顯示器作為顯示終端，與ARM9核心板的LCD 口直接連接。GPIO 口引出S3C2410A片內(nèi)9個輸出、6個輸入I/0資源，通過光電隔離后連接X、 Y、 Z 三軸的伺服進給、主軸變頻、冷卻液開關、刀庫命令和三個進給軸的上下限位報瞀信號。系 統(tǒng)所有的控制脈沖信號和反饋信號都從GPIO 口引出。為了便于擴展，本實用新型還設置了一個10M速率的RJ45以太網(wǎng)接口和兩個USB (主/ 從)接口。當系統(tǒng)外聯(lián)工控站或工控網(wǎng)絡時，可通過以太網(wǎng)口連接。主USB口可用于連接標 準輸入設備，如鍵盤、鼠標、U盤等等。從USB口可通過ActiveSync傳輸協(xié)議實現(xiàn)與外部的 數(shù)據(jù)交換任務。整個硬件系統(tǒng)由于釆用了嵌入式硬件體系，使得在體積、功耗、抗干擾和穩(wěn)定性能等方 面都有突出的表現(xiàn)。本實用新型選用Microsoft Windows CE.net 4.2作為嵌入式操作系統(tǒng)平臺。CNC專用應 用程序采用Microsoft Embedded Visual C++ 4. 0工具開發(fā)。軟件系統(tǒng)整體結(jié)構如圖2所示。 選用Windows CE.net作為操作系統(tǒng)是基于多種考慮的首先是實時性能。Windows CE. net是一套功能完善的實時多任務操作系統(tǒng)。自Windows CE.net 3.0版本以來，內(nèi)核的許多重大改進極大地增加了 Windows CE.net的實時性能。系 統(tǒng)優(yōu)先級達到256個、定時器精度達到lms、支持嵌套式中斷、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)處理技術等等， 使得Windows CE.net可以滿足95%的硬實時系統(tǒng)的要求，中斷延時不超過100us。這些技 術指標足以保證當它用于工業(yè)控制領域時實時性能要求；其次，利用Windows CE.net提供 的Platform Builder工具可以方便的對操作系統(tǒng)內(nèi)核進行定制和裁減。Windows CE. net基 本上支持目前所有嵌入式微處理器和相關硬件設備，而且它采用對象存儲技術，包含完備的 文件系統(tǒng)、注冊表和數(shù)據(jù)庫支持，虛擬內(nèi)存保護技術、信號量支持、進程及優(yōu)先級調(diào)度等等， 這使得Windows CE.net成為近乎完美的操作系統(tǒng)。并且，這些強大的優(yōu)勢也為在此平臺基 礎上開發(fā)應用程序提供了先決條件。此外，Platform Builder集成開發(fā)工具使開發(fā)者編寫特 定硬件的驅(qū)動程序變得非常方便，例如本實用新型的內(nèi)置式PLC就是基于驅(qū)動程序級的。第 三，采用Windows CE. net使得應用程序的開發(fā)變得方便快捷。Embedded Visual C++ (EVC) 是微軟公司專為嵌入式系統(tǒng)提供的應用程序開發(fā)工具。EVC的開發(fā)和Windows下的VC開發(fā)在 界面、語法以及開發(fā)流程上基本都是一樣的，熟悉VC編程的人很快就會使用EVC進行開發(fā)。 EVC繼承一貫的COM、 MFC和API等技術，編譯器效率髙、程序結(jié)構緊湊，能夠方便的開發(fā)出 合理利用有限嵌入式硬件資源、速度快且穩(wěn)定的應用程序。另外，EVC工具還提供了專門的 模擬器用來仿真應用程序在目標硬件上的運行情況。在嵌入式硬件還沒有完全設計出來之 前，開發(fā)人員就可以同時著手軟件的開發(fā)工作，這就是典型的"并行式"開發(fā)技術。硬件和 軟件開發(fā)的同時進行，加快了系統(tǒng)開發(fā)速度。如圖2所示，本實用新型的CNC專用程序在邏輯上可分為三層核心層、系統(tǒng)層和功能 層。核心層又包含系統(tǒng)消息處理、G代碼程序解釋和機床實時狀態(tài)監(jiān)控三個功能模塊。其中 G代碼程序解釋模塊是核心層的重點，它采用非編譯即解釋方式分析和執(zhí)行G代碼程序、完 成插補運算，然后向PLC或上層(系統(tǒng)層)發(fā)出控制命令，控制機床動作。系統(tǒng)層包含全部 數(shù)控機床的控制功能以及系統(tǒng)輔助功能，如進給軸伺服驅(qū)動、主軸控制、刀庫及冷卻液控制、 報警處理、界面和通訊控制等等。功能層包含數(shù)控機床常用的一些功能模塊，如G代碼程序 編輯、G代碼程序運行的圖形仿真、手動(主軸正反轉(zhuǎn)、停止，進給軸回零、增量控制等) 控制、自動控制以及用戶和系統(tǒng)參數(shù)設置等等。專用數(shù)控機床控制軟件實現(xiàn)機床運動控制、G代碼編輯和解釋、插補運算等功能。其中 G代碼解釋模塊的工作過程是用戶調(diào)入之前存儲的G代碼程序；G代碼解釋模塊掃描程序 內(nèi)容，并根據(jù)不同指令(包括G指令、M指令、F指令、T指令和S指令等)作出不同處理，處理過程中調(diào)用插補運算模塊和刀補運算模塊；將解釋后的動作送給位置控制模塊；位置控 制模塊向伺服驅(qū)動電路發(fā)送位置控制命令；最后伺服驅(qū)動電路再將控制脈沖送往伺服(或步 進)控制器以驅(qū)動主軸和進給電機的運動。
權利要求1、基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于包括有ARM系列核心板、鍵盤板、顯示器和CNC面板，所述的ARM系列核心板采用32位嵌入式微處理器作為主控芯片，主控芯片配置有Nor flash，Nand Flash，SDRAM，主控芯片配置有3個串口，其中一個串口用于與外部PC機相連，另一個串口與鍵盤板連接，鍵盤板下連有CNC按鍵面板，主控芯片通過LCD端口與顯示器配置，GPIO口引出主控芯片內(nèi)9個輸出、6個輸入I/O接口，主控芯片外圍還擴展有10/100M速率的RJ45以太網(wǎng)接口和USB主從接口，軟件結(jié)構選用經(jīng)裁減后的Windows CE.net嵌入式實時操作系統(tǒng)和專用數(shù)控機床控制軟件。
2、 按權利要求1所述的基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述的Nor flash容量為1M以上，Nand Flash容量為32M以上，SDRAM容量為32M以上。
3、 按權利要求1或2所述的基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述的 ARM系列核心板為ARM7核心板、ARM9核心板、ARM10核心板或ARMll核心板。
4、 按權利要求1或2所述的基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述專用 數(shù)控機床控制軟件，是指運行于嵌入式實時操作系統(tǒng)之上，專門用于控制車床、銑床、加工 中心的應用程序。
專利摘要本實用新型是一種基于ARM技術的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)。包括有ARM系列核心板、鍵盤板、顯示器和CNC面板，所述的ARM系列核心板采用32位嵌入式微處理器作為主控芯片，主控芯片配置有Nor flash，Nand Flash，SDRAM，主控芯片配置有3個串口，鍵盤板下連有CNC按鍵面板，主控芯片通過LCD端口與顯示器配置，GPIO口引出主控芯片內(nèi)9個輸出、6個輸入I/O接口，軟件結(jié)構選用經(jīng)裁減后的Windows CE.net嵌入式實時操作系統(tǒng)和專用數(shù)控機床控制軟件。本實用新型的優(yōu)點有如下幾點(1)系統(tǒng)簡單、價格低廉；(2)實用性強、適用面廣；(3)通訊能力強、擴展方便。
文檔編號G05B19/18GK201084005SQ20072008768
公開日2008年7月9日 申請日期2007年10月24日 優(yōu)先權日2007年10月24日
發(fā)明者彭同明, 楊少華, 桂紹勇, 王萬意, 鄭德龍 申請人:武漢電力職業(yè)技術學院