基于嵌入式技术的数控系统开发设计

基于嵌入式技术的数控系统开发设计
作者：卜伶俐
来源：《电子技术与软件工程》2017年第12期
目前由于科学技术的快速发展使制造业及机械加工业中各类设备机械也得到了快速的发展，目前在机床应用中其数控系统的开发及设计都得到了极大的进步。

在机械加工制造业中进行数控系统的开发与设计主要是为了提高机械自动化水平，通过控制程序来实现标准化、智能化作业。

虽然数控系统开发与设计已经得到了不错的发展，但是在实际应用中其仍然存有一定的局限，为此以下则对嵌入式技术在数控系统中应用的特点及优势进行分析，探讨其在实际中的应用价值。

【关键词】嵌入式技术数控系统开发设计
在机械加工制造业中，一些复杂的、精度要求高、质量要求高的产品零件必须要由高精机械设备来进行加工，为了保证这些产品的质量用来加工的设备必须要由计算机数控系统来进行加工控制。

但是在数控系统（CNC）应用中存在的一个问题就是不同生产厂家所开发出的CNC之间无法兼容，虽然此问题并不影响产品的生产及设备的单独使用，但是在通讯传输上存在的缺陷限制了数控系统联合应用的性能，并不利于加工生产的多种需求。

1 数控系统的特点
数字控制（Numericcontrol，简称NC）是随着我国计算机技术变革，以微处理器发展为核心，形成的基于微型或小型计算机应用的数控系统，又称为计算机数字控制系统（Computernumericcontrol，简称CNC）。

数控系统的一般工作原理是，将录入的零件加工信息进行数字化指令的转换，根据保存的数字化指令对加机床下达工作的命令，车床完成对零件的加工。

上世纪80年代起，由于数位微处理器的发展迅速，也大大提高了PC端在人机交互、数据的计算和处理方面的速度。

而我国在目前的情况来看，基于PC的开放式数控技术，不仅在技术层面得到了发展，在多样化领域中（如PC+NC二者相互嵌入的模式，NC中继承PC全软件的结构等）发展都十分迅速。

尽管在现代社会中不论PC还是NC都得到了迅速的发展，但是不能否认，在进行制造方面，两者的结构还都比较复杂，制造成本也较为昂贵，因此并不能满足大规模控制的应用需求。

而在其他方面如NC中硬件系统功能的操作性等方面也有待加强。

目前网络技术的不断发展，网络化的数字控制系统技术也在逐渐成为未来数控系统的主要发展方向。

2 嵌入式技术
将控制程序存储在只读内存（Read-OnlyMemory，简称ROM）中，用来作为相关设备中控制系统的一部分，这种技术就被称之为嵌入式技术。

虽然看起来嵌入式技术十分复杂，但是
事实上，我们身边很多设备例如手机、电子手表、摄影机等设备都应用了一定程度的嵌入式技术。

有些嵌入式技术构成的系统中不仅包含了控制指令，甚至本身这些嵌入式系统（EmbeddedSystem）之中就带有不同程度的操作系统。

尽管嵌入式系统已经具备整体携带操作系统的功能，但是操作中处于某些限制和不同方面的考虑，主要还是应用单个程序来完成控制。

作为目前在控制、操作系统等领域应用最为广泛的技术，嵌入式技术可以通过嵌入式微型或小型处理器、嵌入式的控制指令或者系统、相应的硬件以及使用指令或系统的应用程序这几部分组成。

将嵌入式技术应用在数控技术中，不仅能够更大程度地发挥出嵌入式技术的优势，解决数控技术中存在的问题，同时也能够使嵌入式技术和数控技术都能得到更大程度的开发，得到性价比更高的嵌入式技术和扩大应用嵌入式技术的数控技术的开放性。

3 嵌入式数控系统总体结构设计
一个专用系统在开发时其过程主要是以下几个步骤：
（1）要先对嵌入式数控系统的需求进行分析，找出需要解决问题的用户；
（2）对原理图和PCB等数控硬件进行设计，确定硬件能否正常工作；
（3）调试软件，其中包括处理器的初始化、中断、外设等这些都需要自己进行编程序控制。

嵌入式系统开发与传统的系统开发过程相比有很大的优势。

如果我们有了一个嵌入式系统，它基本的处理器和核心电路是固定的，操作系统是移植好的。

做产品，所需要做的工作就是根据用户需求，看看是否需要添加外设，然后编写所添加外设的驱动程序，最后就是编写应用程序。

流程图如图1所示。

可以看出，如果使用一个成熟的嵌入式系统，则会避免重复劳动，缩短开发周期。

这就是嵌入式系统设计的价值所在。

4 数控系统中嵌入式技术的应用设计
通常情况下进行系统设计的方式可以作为嵌入式技术设计的参照而进行。

第一是分析用户的需求，以用户的使用方式和设计内容的应用范围为基础，进行用户需求的分析；第二是根据分析出的用户应用方式进行一定的硬件设备选择和处理器的选型；第三是对硬件的设计与调试以及原理图的改动与应用，了解硬件进行工作的情况；最后是对整套软件控制系统的调试，在将软件接入控制设备中，确定软件是否能对设备进行正常控制，是否能进行符合工作的指令下达，在进行控制的过程中是否存在，处理相关问题后再次运行系统确定整个系统能够满足正常生产工作的使用。

而嵌入式技术的应用设计与一般系统设计也有一定区别，嵌入式系统可以是应用于已经成型的处理器和相关设备中，只需要添加相应的程序在其中，省去了关于处理器方面的工作时间和工作任务量，还能给用户提供更稳定的处理功能，同时处理器的不断发展也能够带动嵌入式数字控制技术的发展。

5 嵌入式技术数控系统应用开发中的硬件设计
数控系统中的嵌入式技术通常使用的硬件结构为ARM+DSP双CPU结构，ARM通常使用32位RISC芯片，S3C2410，DPS通常使用32位高性能的MCX314As运动控制类的专用芯片。

为了方便开发，可采用相关的S3C2410微处理器的SBC-2410X开发板为主要的控制板，在精简的版面中（大约为120mmx×90mm）集成了64MSDRAM，64MNandFlash、IMBootFlashe、RJ-45网卡、输入以及输出、音频、用户按键和指示灯、SD卡插座、USBHost 等设备接口。

可使用2.0mm插针槽将CPU的信息导出，使其与PC及以及相关的外围系统进行通讯，能够适应产品以及项目的原型。

设计运用了MCX314As运用控制芯片的运动控制板，这种控制板能够相对复杂的运动控制。

参考文献
[1]时炳彦.基于嵌入式技术的数控系统设计[J].数字技术与应用，2012（04）：3-3.
[2]林立明.高性能嵌入式数控系统通讯模块的设计与实现[D].中国科学院研究生院，2012.
[3]郎平.基于嵌入式处理器的数控系统硬件设计与实现[D].杭州电子科技大学，2013.
作者单位
哈尔滨远东理工学院黑龙江省哈尔滨市 150025。