基于嵌入式技术的数控系统开发设计

Ｗ ＡＮＧ Ｔ ｉ ｏ ｇ ａ－ ｎ ，Ｗ ＡＮ Ｔ ｏ ｙ Ｇ ａ ，Ｙ ＡＮＧ Ｊｅ ｉ ，ＸＵ Ａｉ ｅ － ｎ，Ｚ ｆ ＨＡ ，Ｌ ｏ ＯＨ ＩＢ ，ＨＵ Ｓ ｉｇ ａ ｇ ｈ —ｕ ｎ （ ｃｏｌ ｆ ｃａｉ ｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｔａｊ ｎ ｅｓｙ ｉ ｊ ００ ２ ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ Ｍｅｈｎ ａ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｉ ｉ Ｕ ｉ ｒｔ，ｒａ ｉ ３０ ７ ，Ｃ ｉａ ｃ ｎ ｎｎ ｖ ｉ ｎｎ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｅ ｅ ｄ ｄｓｓ ｍ；ｃｍｐ ｔｒ ｅ ｕ ｒ ａ ｃｎｒｌｓｓ ｍ （ ＮＣ ｓｓｅ ；ｍｉｒｃｎｒｌ ｒ ｅ ｌ ｙ ｒ ｓ ｍｂ ｄ ｅ ｙｔ ｅ ｏ ｕｅｉ ｄ ｎ ｍｅｉ ｌ ｏ ｔ ｙｔ ｚ ｃ ｏ ｅ Ｃ ｙｔｍ） ｅｏｏ ｔ ｌ ；ｒａ— ｏｅ
ｔ ｐ ｒｔ ｙ ｔｍ ｉ ｏ ｅ ａｉ ｓ ｓｅ ｍｅ ｎｇ
计 的新 方法 ， 旨在增强数控 系统 运行的稳 定性 和任务调 度的 实时性． 计 了以 ＭＣ ８ ３ ５和 ＭＣ ３ ４为双 Ｃ Ｕ 架 设 ６ Ｆ７ Ｘ１ Ｐ 构的硬件 开发平 台， 划 出了基于 Ｖ ｗ０ｋ 的层次化软件结构体 系和任 务调度运行机 制 ， 规 ｘ ｒｓ 设计 了一种 引导型 的二 次开发平 台的理论模 型， 此基础 上 设计 出 了 Ｔ Ｎ Ｍ 在 Ｄ Ｃ ４数控 系统 的原型机 ， 并将其 应用 于 四轴加 工 中心 ｒ Ｎ — Ｄ Ｃ Ｍ４ Ａ的设计上 ， 索 出一条数控 系统开发设计 的新途径 ０ 探
ｃｍ ｕｅ ｚｄｎｍ ｒａ ｃｎ ｏ （ Ｎ ）ｓｓ ｍ ｂｓｄｏ ｍ ｅｄｄｍ ｅ ｃｎｒｌｒ ｎ ＭＣ ｏ ｐｔ ｉ ｕ ｅｉ ｌ ｏｔ ｌ Ｃ Ｃ ｙｔ ａｅ ｎｅ ｂｄｅ ｉ ｏｏｔ ｌ ｉ ｒｅ ｃ ｒ ｅ ｒ ｏ ｅ ｕ ｔ（ Ｕ）ａｄｒａ ｔ ｅ ｎ ｌｉ ｅ —ｍ
ｏ ｅａｉｇ ｓｓｅ （ Ｔ Ｓ ｓ ｒｐ ｓｄｔ ｒｖ ｅｒｎ ｉｇｓａ ｉｔ ａ ｄｔｓ —ｉｐ ｔｈｒａ—ｍｅｍｅｈ ｎｓ ｆ ｐ ｒｔ ｙｔｍ Ｒ Ｏ ）ｉ ｐｏ ｏｅ ｉ ｏ ｅｔ ｕ ｎｎ ｔｂｌｙ ｎ ｋ ｄｓａｃ ｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｉｍ ｏ ｎ ｏ ｍｐ ｈ ｉ ａ ｔ
收稿 日期 ：０６ ０ ． ７ ２ ０ — ２ １ ；修回 日期 ：０ ６ ０ － ５ ２０－８２ ．
ｒ很 多高效 率 、 『 靠 性 和高 稳 定 性 的 【核 可 裁减 的 白可 大 Ｊ
嵌入式实时操作系统（ ｜ Ｓ ， Ｖ Ｗ ｒｓｔ ／ Ｓ Ｉ Ｒ Ｏ ） 如 ｘ ｏｋ 、Ｃ Ｏ — ｒ ｘ Ｉ
更 重要 的是 片 上集 成资源 越 来越 丰富 ； 与此 同时 ， 出现
统多采用通用操作系统 ，ｊ Ｔ Ｓ 比， Ｏ 相 Ｒ 其在任务调度 的实 时性和 系统运 行 的稳定 性 上都 比较 筹 Ｊ ； 系统 ② 的丌放性有 限， 尤论 足 Ｐ ｃ嵌入 Ｎ Ｃ的结构 ， 还是 Ｎ Ｃ 嵌入 Ｐ ｃ的结构 ， 丌放性特 都足基于 Ｐ 占 其 ｃ｝有的开 １ 放特征 ， 没有针对数 控加工 的特 点而进行单 独 的定
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第３ ９卷 筇 ｌ 期 ２
２ ０ １ ０６ ２月
大 津 大 学 学 报 Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｉｎｉ ｎｖｒｉ ｏ ｒａ ｏ ａｊ Ｕ ｉｅｓｙ Ｔ ｎ ｔ
Ｖｆ ． ９ Ｎｏ ２ ） ３ １ ．１
Ｄｅ ．２ ０ ｃ ０６
基 于嵌 入 式 技 术 的数 控 系统 开 发 设 计
计， 是一种 专 用 的运 动 控 制 芯 片 ， 主要 表 现在 ３方 面 ：
对较少 ， 但实时 眭要求很强 ， 不存在冗余 的任务 ， 而采 用 Ｒ Ｏ 作为嵌入式数控系统的操作 系统 ， ＴＳ 将使数控 系统拥 有更好 的多任务 调度 能力和更 强 的实 时性 ； ③嵌入式数控系统 的开发是一个从底层硬件到上层软 件的独立开发过程 ， 町以针对 当今数控 系统特点和开 放性的特征要求 ， 根据嵌入式系统 的特点 ， 来构建适合 于嵌入式应用的数控系统 开放式架构 ， 与基于 Ｐ ｃ的 数控系统相 比， 它将有更好的稳定性和开放性．
造时钟模块（ Ｔ ４ ， Ｃ Ｍ ） 具有多种强大的定时、 计数和脉 冲调制功能 ； 间处理单元 （ Ｐ ） 分辨率高 达 ２０ 时 ＴＵ ， ５ ｎ， ｓ 可对 各种 事 件进 行 快速 的智 能处 理 ， 同时集 成 Ｐ ＷＭ算法及各种输入捕捉算法 ； Ａ Ｃ Ｎ控制模块 （ ｏ— Ｔｕ
Ｃ ｙ ｔｍ． Ｔｈ ａｄ ｒ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｐ ａｆｒ ｏ ｏ ｂｅ Ｃｐ ｆａ ｗｏｋ ｉ ｅ ｉｎ ｄ ｗｉｈ ＮＣ ｓ ｓｅ ｅ ｈ ｒ ｗａｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｌｔ ｍ ｔｄ ｕ ｌ— ｕ ｒ ｍｅ ｒ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ＭＣ ８Ｆ ７ ａ ｄ ｏ ６ ３５ ｎ ＭＣＸ３１ ｔ ｅ ｏｔ ｒ ｌｙ ｒｓｒ ｃｕ ｅ ｙ ｔｍ ａ ｄ ａ ｋ ｄ ｓ ａｃ ｍｅ ｈ ｎｓ ４， ｈ ｓ ｆ ｗａｅ ａ ｅ —ｔｕ ｌ ｒ ｓｓｅ ｎ ｔｓ — ｉｐ ｔｈ ｃ ａ ｉｍ ｏ ｔ ｅ ａ ｉ ｆ ｎ ｈ ｂ ｓｓ Ｖｘ ｏ ｋ ａｅ ｏ Ｗ ｒ ｓ ｒ ｐ ａ ｎ ｄ．ｔｅ ｔ ｅ ｒｔｃ ｌｍｏ ｅ ｆ ｇ ｉｉｇ ｓｃ ｎ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｌｔｏ ｓａ ｖ ｎ ｅ ｌｎ ｅ ｈ ｈ ｏｅ ｉａ ｄ ｌｏ ｕｄ ｎ ｅ ｏ ｄ— ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｐ ａｆｒ ｉ ｄ ａ ｃ ｄ． Ａｎ ｈ ｎ ｔｅ ＣＮＣ ｓｓ ｍ ｄ ｔ ｅ ｈ ｙ— ｔｒ ｒｔｔｐ ＤＮＣＭ４ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ｅ ｐ ｏｏｙ ｅ Ｔ ｎ ｓ ｅ ｉｎ ｄ，ｗｈ ｃ ｓａ ｐ ｉｄ ｉ ｏ ｒａ ｉ ｍａ ｈｎ ｎ ｅ ｔｒＴＤＮＣ— ０Ａ． ｉｈ ｉ ｐ ｌ ｎ ｆ ｕ —ｘｓ ｅ ｃ ｉｉ ｇ ｃ ｎｅ Ｍ４
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度都相对非常适合数控系统设计 的 Ｍ Ｕ和 Ｄ Ｐ来构 Ｃ Ｓ 建数控 系统的硬件平 台， 这种硬件平 台的设计 可以使 系统集成度更高 ， 体积更小 ， 运行更稳定 ； ②数控系统
的运行 是一个 多 任务 的调 度 过程 ， 点 是 运 行 任 务相 特
ＣＮ ， Ａ ） 能方便地实现工业 自动化等场合的现场总线控 制 ．
王太勇 ， 涛 ， 王 杨 洁， 爱芬， 许 赵 丽 ， 波 ， 李 胡世广
（ 灭津大学机械 ｊ稃学 院 ， 二 火津 ３ ０７ ） ０ ０ ２
摘 要 ：针 对 基 于 Ｐ ｃ的数 控 系统 的 不 足 ， 出 了基 于嵌 入 式 微 控 制 器 和嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 的 数 控 系统 开 发 设 提
等， 这就 使嵌 入式 系统 在 生 活 和生 产 的 很 多领 域都 得
到了 广泛的应用 ， 如汽车 丁 、 宇航＿ 、等． 于以上 Ｊｌ 甚
基金项 目： 白然科学基金资助项 ¨（０ ７ １７ ； 同家 ５４ ５ １ ） 天津市应用 础研究计划重点项 口（５ ＦＺＣ １０ ） ０ Ｙ ＪＪ０ ８ ０ 作者简介 ： 勇（９ ２ 千太 １６ ）男 ， ， ， 阵十 教授 ， ｗ ｎ＠ｔ ｅ ｔ ． ｕｃ ． ｔ ａ ｇ ｄ ． ｕ ｅ ．ｎ ｙ ｍ ｊ ｄ
日前， 基于 Ｐ ｃ的歼放式数控 系统是数控技术 ＝ ｆ 放式架构的主要实现方式， 这种 实现方式主要 是考虑
利 用工 、 ｃ丰富 的系统 资 源 和业 已标 准化 的 接 ｕ米 ｆ Ｐ
义
； ｌ 机模式 数控 系统 的成夺 太高 ， 台能满 ③ 挎 一
足数控加工要求 的计算机至少需要投资数千元冉配上
１２ Ｄ Ｐ专 用 运动控 制芯 片 ＭＣ ３ ４简 介 ． Ｓ Ｘ１ ＭＣ ３４是 Ｎ Ｖ Ｘ１ Ｏ Ａ电子有 限公 司研 制 的 Ｄ Ｐ运 动 Ｓ
控制专用芯片， 性能优 良， 口简单 ， 接 编程方便 ， 工作可 靠， 可广泛用 于数控机床及机器人等领域的运动控制． 片能 与８ 位或 １ ６位数据 总线接 口， 通过命 令 、 数据 和状态等寄存器实现 ４轴 ３联动的位置、 速度、 加速度 等的运动控制和实时监控 ， 实现直线 、 圆弧和位元 ３种 模式 的轨迹插补 ， 出脉冲频率最高达 ４Ｍ ｚ每轴都 输 Ｈ． 有伺服反馈输入端 、 个输入点和 ８ ４ 个输出点 ， 能独立 设置为恒速 、 线性或 ｓ曲线加／ 减速控制方式 ， 并有 ２ 个３ ２位的逻辑 、 际位置计数器 和状态 比较寄存器 ， 实 实现位置的闭环控制 ． 与通用 Ｄ Ｐ相 比， Ｃ ３４更适合数控系统的设 Ｓ Ｍ Ｘ１
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１１ ５ Ｏ－
天
津
大
学
学
报
第３ ９卷
第１ ２期
分析 ， 笔者提出在数控 系统的设计 中采用嵌入式技术 ， 即基于微控制器 的嵌入式数控系统 ， 种设计方案的 这 优势在于： ①市场上可供选择 的嵌入式微控制器种类 繁多 ， 片上资源丰富 ， 针对不 同的应用 ， 片上集成 资 其 源有很大不 同， 完全可以选择一种片上资源和运算速
价格 昂贵的运 动控 制卡 ， 得成 水很难 降低 ． 使
简化数控系统 的设计 ， 降低数控系统升发的技术难度 ， 并使设计出的数控系统具钉一定 的丌放性 ， 但这 种体系结构也存在很大的局限 ， 丰要体现为： ①系统
实 时性 和稳 定性 较 差 ， 于 Ｐ 基 ｃ的 数 ｊ 统 的 操 作 系 卒系
另一 方而 ， 进入 ２ 址 ９ 代 以米 ， ０ｆ纪 ０年 嵌入式计 算
机应用技术获得 ｒ 匕 速发展． 各种高性能 的嵌入 微 控 制器 ＭＣ Ｕ层 出不穷 ， 以前 相 比， 入式 微 控制 器 与 嵌
的 Ｃ Ｕ运 算速 度 大 大 提 高 ， 理 数 据 宽度 断加 大 ， Ｐ 处
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａｉ ｎ ｔｔｅ ｄｓ ｄｖ ｎａ ｅ ｆＣＮＣ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅｓ ｎ ｌｃ ｍｐ ｔｒ ｔ ｏ ｒｔｅ ｄ ｓｇ ｆ ｓｒ ｃ ： ｍｉ ｇａ ｈ ｉａ ａ ｔｇ ｓｏ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｎ ｐ ｒｏ ａ ｏ ｕ ｅ ，ａ ｍｅｈ ｄ ｆ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｅ
关键词 ：嵌入式系统 ； 数控 系统 ；微控制器；宴时操作系统
中图分类号 ：Ｔ ２ ３ Ｔ ６ ９ Ｐ ７ ； Ｇ ５ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：０９ — １７ ２ ０ ）２ １０ —７ ４ ３ ２ ３ （０ ６ １— ５ ９ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｓｇ ｆＣＮＣ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｓｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｅｍ ｂ ｄｄ ｄ Ｔｅ ｈ ｌｇ ｅ ｅ ｃ ｎｏｏ ｙ
１ 基于 ＭＣ ＋Ｄ Ｐ双 Ｃ Ｕ 架构 的硬 件平 台 Ｕ Ｓ Ｐ
搭建
根据数控系统多任务的运行特征 ， 针对系统任 务 运行实时性的特殊要求 ， 以及嵌入式系统的特点 ， 文中 采用 Ｍ Ｕ＋ Ｓ Ｃ Ｄ Ｐ的双 Ｃ Ｕ架构来构建嵌入式数控 系 Ｐ 统的硬件平台． Ｃ Ｍ Ｕ的主要功能是负责运行 系统中与 管理 相关 的任务 ， 系 统 的 主 控 制 Ｃ Ｕ； Ｄ Ｐ主要 是 Ｐ 而 Ｓ 负责运行插补运算等运算 量较大 、 对任务 的实时性要 求较高的任务 ， 用于繁重 的插补运算 ， 专 减轻 主控 制 Ｃ Ｕ的负担． Ｐ 本数控系统的设计 ， Ｃ Ｍ Ｕ选用 Ｍ Ｔ Ｒ ． Ｏ Ｏ Ｏ Ｌ Ａ公 司 生 产 的 ＭＣ ８ 系 列 的 ＭＣ ８ ３５７微 控 制 ６Ｋ ６ Ｆ７ ［ １ 器 ， Ｓ 则选用 Ｎ Ｖ ＤＰ Ｏ Ａ生产的 Ｄ Ｐ运动控制专用芯片 Ｓ