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摘 要:数控系统应用水平反映了一个国家工业控制自动化水平的高低,本论文将传统的数控技术与嵌入式系统结合起来,对嵌入式数控系统的设计展开了研究,给出了嵌入式数控系统的总体结构设计原理,并从硬件设计和软件设计两个角度完成了嵌入式数控系统的设计实现方案,对于进一步提高嵌入式数控系统的研究与应用水平具有一定借鉴意义.

关 键 词:嵌入式系统数控系统系统设计

中图分类号:文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00

1引言

从20世纪70年代以来,以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造工业最重要的技术特征,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.数控系统是数控机床的大脑,是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用,它集计算机技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、自动控制技术、信息处理技术等多项技术于一体,是近年来应用领域中发展十分迅速的一项高新技术.

随着电子技术的飞速发展,数控系统逐渐朝嵌入式方向发展.嵌入式系统是近年发展最快的技术之一,它是以应用为中心,以计算机技术为基础、软硬件可裁减,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统.本论文主要对嵌入式数控系统进行研究设计,以期从中找到可行的嵌入式数控系统控制方法,并以此和广大同行分享.

2嵌入式数控系统总体结构设计

系统由几个不同功能的模块组成,模块间通过并行I/O、高速串行协议或其他方法相互联系.主要包括人机交互装置、嵌入式数控操作和管理模块、嵌入式运动控制模块和I/O及伺服控制器等.

嵌入式数控操作和管理模块通过I/O与人机交互装置相连,并通过串口与运动控制模块连接,运动控制模块通过I/O模块与伺服控制器和机床各开关量相连.

(l)人机交互装置.包括一个LCD显示器、一个键盘和其他一些按钮,完成人机交互任务,例如NC代码的输入/编辑显示、手动操作以及一些机床状态显示等.

(2)嵌入式数控操作和管理模块.是数控系统的核心模块之一,负责全部的人机交互处理,各种机床参数的设置,NC代码的编辑、编译、存储和传输,系统监控与故障诊断,移动U盘的控制及网络通信等.

(3)嵌入式数控运动控制模块.机床逻辑运动控制的核心,利用逻辑运算能力,负责送料机运行轨迹的计算、插补、反向间隙补偿、信号采集、主轴及开关量控制等实时性强的运算和控制.

(4)I/O模块与伺服控制器.FO模块的主要任务是不同电平的转换、隔离及功率放大等.包括3.3V到5V转换、3.3V到24V的转换、采用光电祸合器隔离防止干扰以及增大驱动功率等.另外还包括单路信号转换成差分信号及差分信号转换成单路信号电路.伺服控制器的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号,驱动被控对象跟随指令脉冲运动,并保证动作的快速和准确.

3嵌入式数控系统的设计与实现

3.1硬件设计

本论文所设计的嵌入式数控系统硬件系统结构构成原理图如下图所示:

(1)ARM微处理器模块.ARM处理器是系统的控制核心,负责运行数控系统控制软件.本系统选用SAMSUNG公司的S3C44B0X处理器.本模块还包括时钟电路、复位电路和实时时钟RTC(RealTimeCounter)电路.

(2)存储器模块.存储器是嵌入式系统中的重要组成部分,它用于存储程序和数据.本系统的存储器包括EPROM、SDRAM、SRAM和NAND-Flash,其中,EPROM用于存储系统程序,SDRAM用于存储系统运行时的程序与数据,SRAM用于存储突然掉电时的重要实时数据,NAND-Flash用于存储用户的数控加工程序.

(3)电源模块.新型的CPU和FPGA的内核电压一般都是2.5V或以下的,I/O电压一般都是3.3V.所选择的开关电源可以提供5V,±12V,24V电源,其中±12V用于主轴模拟信号模块电路,24V用于光电隔离电路,因此,需要使用低压差线性稳压器产生3.3V和2.5V的电压,供CPU、FPGA和CPLD使用.为了保证微处理器稳定而可靠地运行,还需要配置电压监控电路.

(4)人机交互模块.人机交互模块包括键盘及指示灯模块和液晶显示模块.键盘及指示灯模块负责键盘的扫描并读取键值,同时负责LED的显示控制.液晶显示模块实现数控系统用户界面.

(5)通信接口模块.通信接口模块包括JTAG接口、RS-232串行接口和USB接口.JTAG接口与PC通讯,实现系统运行程序的仿真调试,RS-232串行接口与PC通讯,实现NC文件的上传与下载,USB接口实现对U盘NC文件的读写