CN1936745A

CN1936745A - 基于arm和dsp的嵌入式数控系统

Info

Publication number: CN1936745A
Application number: CN 200610124742
Authority: CN
Inventors: 周祖德; 刘泉; 龙毅宏; 尹勇; 张金涣
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2007-03-28

Abstract

本发明涉及一种基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，采用32位冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器S3C44B0芯片作为主控制器，采用TI公司的具有哈佛结构的DSP芯片TMS2812芯片作为插补控制器，其工作过程是：用户输入数控加工的G代码后，由ARM7嵌入式微处理器中的代码解释器将G代码翻译成数控系统能控制各个电机的指令，包括G指令、M指令、S指令和T指令等。然后微控制器将翻译后的指令传输给补TMS2812插补控制器，并实现粗插补和精插补，然后输出控制脉冲给数字伺服驱动模块。本发明采用ARM+DSP的结构，取代传统的工控PC机+运动控制卡的结构，具有运算能力强、成本低的特点，将极大地减小系统的体积和功耗，提高系统的可靠性和可重构性。

Description

基于ARM和DSP的嵌入式数控系统

技术领域

本发明属于一种机电一体化的数控技术领域，具体地讲是一种基于ARM7芯片作为主控制器和DSP芯片作为插补控制器的基于ARM和DSP的嵌入式数控系统。

背景技术

当前为了实现数控系统在软、硬件方面的开放性，一般对开放式系统的研究集中在充分利用当前已经很成熟的工业PC机的软、硬件平台。基于工业PC机的数控系统在结构和性能上都存在很大的局限性：

(1)没有定义独立的适合于数控加工控制的开放结构。

由于传统的数控系统采用的是通用的工业计算机平台，所具备的开放性都是计算机本身固有的开放特征，不是针对数控加工的特点来定义的，这种借鉴方式完全依赖于通用工业PC计算机结构体系框架。通用工业PC计算机作为一个通用平台无论从底层硬件设计和操作系统环境上都没有对数控加工特殊性的考虑，因此不能很好地从根本上搭建数控平台。

(2)通用工业PC计算机模式的开放式数控系统不能很好地保证实时性和可靠性。

工业PC计算机在运行时由于采用通用的操作系统，占用了很大的系统资源，与数控加工无关的任务可能占去了系统更多的工作份额，它们干扰着系统对现场加工的及时响应，降低了系统对重要控制时间的处理速度，增加了系统运行开销，这些都会导致系统的不稳定。

(3)通用工业PC计算机模式的数控系统成本过高。

一台能满足数控加工速度要求的通用工业PC计算机在硬件方面至少需要投资数千元，在软件方面的成本更高，再配上运动控制卡，使得成本很难降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种与传统的基于工业PC计算机的数控系统相比，提高了实时性和可靠性，降低了系统体积和成本的基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明采取的技术措施是：数控系统采用嵌入式32位冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器S3C44B0芯片作为主控制器，采用TI公司的具有哈佛结构的DSP芯片TMS2812芯片作为插补控制器。在ARM7主控制器中，移植了嵌入式实时操作系统U-cosii，以提供数控系统中的文件管理、网络和人机接口、内存管理以及多任务管理等功能；数控系统的核心加工模块，包括软PLC单元、I/O控制单元、位置控制单元、G代码解释单元以及刀具和间隙补偿单元等，在ARM7主控制器中以API的形式提供；最上层的根据各种加工需要而开发的数控加工应用程序在ARM7中以图形化界面的方式向用户提供。在DSP插补控制器中，利用模糊PID控制算法实现伺服控制的模糊化、模糊推理(包括模糊规则的存储)、非模糊化和PID参数调整功能，极大的提高了数控加工的实时性和精确性。其中：

(1)所述32位嵌入式微控制器32位冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器S3C44B0芯片作为主控制器，克服基于通用PC机结构的控制系统在体积功耗方面的缺陷，实现文件系统管理、内存管理、人机接口、网络接口、系统管理界面、仿真显示和G代码编译功能。

(2)所述嵌入式数控系统的插补控制器采用TI公司的具有哈佛结构的DSP芯片TMS2812芯片，实现高速实时的插补算法。系统插补采用两级插补方案，第一步将加工对象的加工轮廓按照数据采样插补算法分割成若干直线段，以进行粗插补；第二步对粗插补输出的微小线段进行精插补，输出控制脉冲。

(3)所述嵌入式数控系统的数字伺服控制器在DSP芯片中利用模糊PID控制算法实现伺服控制的模糊化、模糊推理(包括模糊规则的存储)、非模糊化和PID参数调整功能。

本发明的基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，而一块嵌入式微处理器才不过一百多元，所采用的DSP插补芯片也不过在几十元左右，再加上所采用的实时控制操作系统是免费开放源代码的，不会有软件版权使用上的额外开销，这些都使得成本有了很大程度的降低。本发明可以针对不同的机床、不同的加工对象、不同数目的进给轴、不同的伺服电机，灵活地选取和配置不同功能的嵌入式模块。由于本发明采用了以上技术方案，提高了系统的实时性、可靠性和可重用性，降低了系统体积和成本。

附图说明

图1为本发明的硬件结构框图。

图2为本发明的软件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步详细的说明。

图1是嵌入式数控系统的硬件结构图，包括了32位的S3C44B0型号的ARM7嵌入式主控制器，TMS2812型号的DSP插补控制器和数字伺服控制单元。在ARM7主控制器中，包括了G代码解释模块、软PLC核、移植的Ucosii实时操作系统、DSP接口、存储模块以及各种外围接口模块。ARM7主控制器的主要任务是实现人机界面，完成加工程序的输入、预编译、轨迹计算、速度计算和加工零件图形的模拟仿真等任务。而DSP插补控制器则负责处理一些实时性强的机床信号，并据上位机指令执行机床控制和插补运算等强实时任务。在ARM7主控制器中，通过人机界面读入零件加工程序，经编译、轨迹计算和速度计算后，生成用于插补的数据(加工数据)，并通过一定的方式发给DSP插补控制器，由DSP插补控制器完成插补和伺服输出等处理，自主控制工作台运动。同时ARM7主控制器还可以向DSP插补控制器发出各种人工干预信息，改变工作台的运动状态。而实时性要求严格的任务，如位置限制信号和回零信号的处理，以及一些系统运行安全性检查等，则在DSP插补控制器中直接进行。ARM7主控制器只接收处理完后的信息，并进行显示，从而保证系统的运行安全。

本发明在ARM7主控制器中，G代码解释模块是核心模块。其工作过程是：用户输入G代码后，由代码解释器将代码翻译成数控系统能控制各个电机的指令，包括G指令、M指令、S指令、F指令和T指令等。当执行G指令时，系统调用插补算法模块、补偿模块和位置控制模块，直接控制进给电机的运动。G代码程序中的M指令、S指令和T指令等属于附加指令，是数控系统实施外部操作的重要功能，如控制主轴电机的起停、冷却液的开关、夹具的松夹、润滑的工作、防护门的开关等。当G代码解释器执行到附加指令时，它把控制代码送到PLC，由PLC译码辨别数控程序的操作要求，再通过PLC程序控制外部电路执行，系统中的PLC模块用软件实现，可以节约成本和减小体积。PLC除了执行M、T、S指令外，还接受控制面板上的一些I/O信号以及系统中的显示、报警等信号。插补、补偿和位置控制等模块是系统中的核心，其精度和实时性是数控系统性能的重要指标。伺服单元对系统输出的控制信号进行放大、整形后，直接驱动各个电机的单元。外围接口模块是系统与其他外围设备的接口，实现友好的人机交互界面。

本发明在DSP插补控制器中，采用两级插补方案，将插补任务分成两步完成。第一步由ARM7主控制器先将加工对象的加工轮廓按照数据采样插补算法分割成若干直线段，以进行粗插补。第二步采用DSP中的插补算法对粗插补输出的微小线段进行精插补，输出控制脉冲。DSP模块由CPU接口单元、数据缓冲处理单元、脉冲产生单元和伺服接口单元组成。其中脉冲产生单元是核心部分，它使用DDA插补原理，包括各联动坐标轴累加器和计数器两部分，同时采用分频器对溢出脉冲进行分频，以改善溢出脉冲的不均匀性。系统在DSP插补模块中采用模糊PID控制算法实现伺服控制。首先确定一单位时间T作为采样周期，在每个采样周期内对电机的实际速度进行采样，将采样值与额定的转速比较后，再通过微分和积分运算来得到实际的控制指令。整个模糊PID控制IP核由4个部分组成，他们分别是模糊化、模糊推理(包括模糊规则的存储)、非模糊化和PID参数调整。

上述给出了本发明的一个具体实施方式，其各个嵌入式模块和IP核功能的选取和实现可以有多种方式，本领域的技术人员可根据实际情况选择合适的实现方式。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1、一种基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，包括32位的ARM嵌入式微控制器模块，32位的DSP控制和插补模块，其中：

a、所述嵌入式数控系统主控制器采用32位冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器S3C44B0芯片，实现人机接口、网络接口、系统管理界面、仿真显示和G代码编译功能；

b、所述嵌入式数控系统的插补控制器采用TI公司的具有哈佛结构的DSP芯片TMS2812芯片，实现高速实时的插补算法；

C、所述嵌入式数控系统的数字伺服控制器在DSP芯片中利用模糊PID控制算法实现伺服控制的模糊化、模糊推理、非模糊化和PID参数调整功能。

2、如权利要求1所述的基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，其特征在于：在ARM7主控制器中，包括了G代码解释模块、软PLC核、移植的Ucosii实时操作系统、DSP接口、存储模块以及各种外围接口模块，其中G代码解释模块工作过程是：用户输入G代码后，由代码解释器将代码翻译成数控系统能控制各个电机的指令，包括G指令、M指令、S指令、F指令和T指令，当执行G指令时，系统调用插补算法模块、补偿模块和位置控制模块，直接控制进给电机的运动。

3、如权利要求1所述的基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，其特征在于：插补控制器采用两级插补方案，第一步由微处理器将加工对象的加工轮廓按照数据采样插补算法分割成若干直线段，以进行粗插补；第二步采用DSP算法对粗插补输出的微小线段进行精插补，输出控制脉冲。

4、如权利要求1所述的基于ARM和DSP的嵌入式数控系统，其特征在于：主控制器为32位RISC结构的ARM微处理器S3C44B0、基于哈佛结构的DSP芯片TMS2812作为插补控制器和基于模糊PID控制的DSP算法。