基于嵌入式平台数控系统的研究与设计

收稿日期:2006-03-14

基金项目:国家自然科学基金项目(50475076

)作者简介:李超彪(1972-)

,男,江苏南京人,讲师,博士研究生,研究方向为机器人与自动化技术、控制理论与数控技术.

文章编号:1006-3269(2006)02-0005-04

基于嵌入式平台数控系统的研究与设计

李超彪,王兴松

(东南大学机械工程学院,南京 210096

) 摘 要: 提出一种以嵌入式C P U (L P 21X X )及运动控制器为数控系统硬件平台,以嵌入式工业总线P C 104为系统总线,以嵌入式实时系统(R T O S )µC O S -Ⅱ为操作系统平台的数控系统。该数控系统在保证良好的实时性、稳定性,满足高精加工要求的同时,具有良好的开放性、人机界面与网络支持。

关 键 词: 数控系统;实时系统;运动控制器中图分类号: T P 273.5 文献标识码: A

现代数控机床控制系统要求具有高速运算、快速插补、多轴联动、高精度定位、伺服控制等能力。目前数控系统主要分为基于P C 机模式的开放型数控系统和非P C 模式的专业数控.基于P C 机模式开发的数控系统主要基于W i n d o w s 操作系统,

由于W i n d o w s 系统不是为工业控制而设计的实时系统,此类数控系统虽然具有良好的开放性与人机界面,但却难以保证数控系统的实时性、稳定性及高速、高精度控制.由于运算能力差、并行处理能力弱、功能少,利用单片机来完成运动控制的系统已不能满足加工的要求.随着L S I 技术与软件技术的不断发展,非P C 模式的数控系统已从简单的基于单片机的数控系统发展到以嵌入式软硬件为平台的专业数控系统.与过去的非P C 模式数控系统相比,基于嵌入式软硬件技术的数控系统在具备优秀的实时性与稳定性、满足高精加工的同时也具备了良好的开放

性与人机界面[1].

国内目前已有不少单位采用实时系统开发数控系统并取得了不少成果.本文提出了

一种基于嵌入式软硬件平台的数控系统设计.

1 系统硬件设计方案

1.1 总体方案

为了使数控系统能够具备良好的开放性,适应不同控制对象需求,系统硬件采用支持P C 104总线的模块化设计.图1为本数控系统硬件系统结构简图.P C 104总线信号定义与I S A 总线兼容,具有标准化、体积小、功耗低、系统开放、稳定性好的优点,在工业控制系统中被广泛采用.

图1 嵌入式数控系统硬件实现结构简图

传统的数控系统将运动控制、人机通讯等功能均在同一片主控C P U 中实现.随着数控技术的发展,尤其对高精加工系统,这种结构由于其实时性与处理能力得不到充分保证而远远不能满足需求.进入20世纪90年代以来,面向开放式设计已成为数控技术发展的主要特征,目的是大幅度降低系统开发、构造与维护费用.随着D S P 、可编程逻辑器件与E D A 等器件与设计手段的进步,

将数控系统的核心运动控制功能模块化、集成化已成为开放式数控的特征之一.运动控制的实现不再由主控板负责,而由专用的运动控制卡负责,这样既可保证加工效率与质量也可减轻主控板C P U 的负担.

1.2 主控板

为保证数控系统在较苛刻的工业环境下稳定运

行,主板C P U选用P H I L I P S公司工业级单片微处理器L P22X X.主板支持P C104总线、以太网通讯、标准P C机键盘接口、U S B、R S232及多路A/D及P WM输出.主板上不提供L C D控制器,为获得良好的人机界面可采用不同L C D控制器的显示卡,从而支持不同规格的L C D作为显示终端.

1.3运动控制卡设计

运动控制卡既可以基于目前常见的运动控制器进行设计,也可基于D S P进行设计.目前常见的运动控制器有P M D公司M C58420,N O V A公司的M C X314等.

图2为采用P M D公司M C58420运动控制器基于P C104总线设计的运动控制卡.M C58420为美国P M D公司实际的一款运动控制系统专用的运动控制器,用于控制伺服电机,步进电机等,可支持一种或多种输出驱动方式,包括P WM、D A C、脉冲等,可支持4个轴的电机信号输出[2].

图2采用M C58420基于P C104总线的运动控制卡原理框图该运动控制器由2个套片组成,分别是指令处理芯片M C58420C P和输入输出芯片M C58420I O.

I O芯片包含有与主机通讯的并行接口,增量编码器输入可以根据每轴所对应的电动机类型将输出信号可单独设置为P WM或步进/方向信号.C P芯片包含轮廓生成器,该生成器可以根据运动轨迹计算出速度、加速度及位置值.当轴配置为伺服电机时,C P 芯片可输出P WM信号、通过数据总线或S P I端口输出数据到外部D A C.轴的位置信号可通过增量编码器或并行数据口输入.用户可以选择的运动轮廓

模式包括S曲线、多边形等[2].

由于M C58420I O不能与P C104总线直接相连,因此采用可编程逻辑器件E P M7032实现P C104总线与M C58420的通讯.

1.4控制面板的实现

大多数系统对控制面板的实现均采用主C P U 对键盘扫描的方式实现,这样做增加了主控C P U 的负担.P C机的键盘是通过某种串行通讯方式实现的,采用中断方式实现对控制面板输入的响应.为简化系统键盘实现可采用P C机键盘实现方式,实现自定义的智能控制面板,主控C P U只在有输入时通过中断方式响应.

2软件系统结构

2.1R T O S的选择

在工业控制中有很多可选择的实时系统,如

O S E、v x W o r k s、µC-O SⅡ及多个由l i n u x系统衍生的嵌入式版本.µC-O SⅡ是源码开发的实时嵌入式操作系统内核,经过十几年的发展、应用于验证,其性能完全不输于商业化的操作系统,到目前已成功地移植到小到M C S-51单片机,大到M P C860等高端嵌入式微处理器.由于其公开源代码、可移植性、可固化、可裁减、占先式、执行时间可确定性等特点,同时可由第三方提供µC/F S、µC/G UⅠ、µC/I P等提供源码的系统服务完成文件系统、显示、i p协议栈.因此我们有理由选择µC-O SⅡ作为支持网络操作数控系统的操作系统平台.

2.2任务划分

由于µC-O SⅡ是多任务实时系统,具有多任务协调的功能,使得编写较大规模应用系统软件成为可能,其中任务的划分至关重要.根据功能的不同数控系统分为若干任务,每个任务均以独立进程加以实现.表1所示为数控系统所需实现功能及各功能间关系.[3]

表1数控系统软件实现层次

加工状态显示

点动

手动输入自动加工仿真

N C代码解释

通讯

运动控制

诊断参数程序

(1)运动控制进程:运动控制进程通过对运动控制卡的监控实现管理进程发出的数控指令,从而完