基于ARM的嵌入式内圆磨床数控系统研究.

1、【22】第 30 卷第 10期 China200810基于 ARM的嵌入式内圆磨床数控系统研究谢鸥，李华，李 艳（河南工业大学 机电工程学院，郑州 4 5 0 0 0 7 ）摘要：针对精密内圆磨床的加工特点和新一代开放式数控系统的特征要求，提出了一种基于 ARM的嵌入式内圆磨床数控系统构成方案。该系统具有强时实性、开放性、网络功能 和友好的人机交互界面。文章主要讨论了该系统的软硬件平台开发，重点介绍了其 软件平台的构成及其核心部分的实现方案。关键词：ARM;肛/os ii;内圆磨床；嵌入式系统中图分类号：TP391文献标识码：E文章编号：100 9 0134 (2008) 10 0022 04

2、Research of embedded In ternal grin der CNC System based on ARMXIE Ou， LI Hua， LI Yan(Henan University of Technology， Z hengZhou， 4 5 0 0 0 7， China)characteristics ofCNCsystemforprecision internal grinding andthe requirements of the new open C NC system, ThenewCNCsystemforprecision internalgrinding

3、 based on th e ARM with theproperties of perfectreal-time, openning, networkfunction s and friendlyman-machine interfaceis proposed in this paper. The syste mssoftware and hardware platform de velopment are mainlydiscussed, esp ecially the compo-sition of its soft ware platform and the realization o

4、f the corepart programme.Key words:ARM;yc/os-ii;internal grinder;embedded CNC system收稿日期：2008 04 07作者简介：谢鸥(1 9 83 )，男，湖南人，硕士，主要研究方向为嵌入式 数控技术。0引言中小孔磨削高精度数控内圆磨床是加工内孔精度要求极高类零件的关键设备。一般精密内孔的圆度及圆柱度都要求在 1.2 m 之内，表面粗糙度 Ra要求在 0 .2之内，尺寸精度要求在 10 m 左右。在磨削加工中，如何保证零件内孔的加工要求，机床及磨削工艺将是两个重要的因素。本文通过对精密内圆 磨床加工工艺要求及其机床

5、特性的分析，提出了高精度数控内圆磨床控制系统的设 计思路和方法。在本方案中，硬件平台以 ARM架构的处理器为核心，配以具有友好人机交互功能的触摸屏作为整个系统的输入输出装置；软件系统采用uc/os-11嵌入式时实操作系统为平台，通过开发应用程序实现对机床的控制。整个系 统具有结构紧凑、集成度高、可靠性强、低成本和友好的人机交互等特点。1系统硬件平台的构成Abstract:Accordingtheprocess本系统硬件平台采用 S3C44B0X 处理器为控制核心，该处理器是基于 A RM7TDMI内核的 SoC。其特点有：支持 Thumb16位压缩指令集，可降低系统开销；支持片上 Dcbug（

6、调试），使处理器能够停止，以响应调试请求；增强型 Multiplier，能产生 64位结果；包含了 EmbeddedICE硬件，以支持片上断点和观察点。另卜，S3C44B0 X处理器在 ARM7TDMI 核的基础上集成了丰富的外围功能模块，便于低成本 设计嵌入式应用系统。整个系统中有两个微处理器：ARM 处理器和触摸屏控制处理器ARM处理 器是整个系统的处理中心，控制着系统总线，占有总线资源；触摸屏控制处理器作 为触摸屏的控制核心，主要完成对外界输入信息和内部输出信息的管理，并通过通 信协议与 ARM处理器进行信息交换。整个系统从总体上构成一种主从式单微处理 器架构。系统整体框架如图 1所示。

7、机床进给系统由 X、Z 两轴伺服系统构成，可实现两轴联动加工锥孔及成型 孔。位置控制单元接口可采用脉冲式输出或模拟量输出。本方案中采用脉冲输出方 式，通过发送脉冲信号传递位置指令，可控制各种步进电机驱动装置和工作于位置 模式的交直流伺服驱动装置，具有通用性强，抗干扰能力强，第 3 0卷第 10 期200810【2 3】不会发生漂移等特点。位置指令脉冲的产生主要是通过 S3C44E0X处理 器自带的PWM （脉宽调制）定时器完成。图 1嵌入式数控系统组成框图系统采用 H ITECH触摸屏做为系统人机交互装置，触摸屏与 ARM之间通 MRS- 2 32串行通信接口进行连接，通过在 ARM上开发与触

8、摸屏相对应的 M ODBUS 从站协议，实现触摸屏与 ARM的信息交流。触摸屏主要完成一些数据 的输入和输出，输入数据有系统加工参数和 G代码，输出包括系统时实坐标值、各 种报警信号及加工状态等。触摸屏的菜单界面首先在 PC 机上通过 ADP6. 0编 辑软件进行编辑，之后编译下载到触摸屏中运行，并且可以进行重复编辑下载。2系统软件平台的构成本方案软件系统是以 yc/os ii 操作系统为平台开发的。yc/os 11是一个时实的多任务嵌入式操作系统，它的多任务管理是基于可剥夺型内核 的，每个任务都具有一个唯一的优先级别， 也是此任务获得 CPU 权利的一个标 志。 通过对 yc/os11的裁减

9、， 我们可以得到一个满足数控系统功能要求而 占用系统内存又很少的时实内核。另外， 该操作系统是完全免费的， 而且得到了美 国联邦航空管理局对商用飞机符合 RTCADO178B 标准的认证，具有足够的稳定性和安全性，适用于低成本和高可靠性系统开发。内圆磨床数控系统作为一个典型的强时实性的多任务运行系统，其系统软件除 了要执行必须的控制任务外，还必须具有管理功能。其中译码、刀具补偿、速度控 制、插补、位置控制等为系统必须完成的控制任务，而输入、I/O 处理、显示等 是系统要完成的管理任务。其任务分解如图 2 所示。数控系统中许多任务是需要并行处理的，但是作为一个单处理器控制系统来说 是无法真正实现

10、多任务的并行处理，通常采取的方法有两个：一种是分时轮流循环 执行系统任务，另一种是抢占式循环执行系统任务。由于本方案软件平台所采用的操作系统就是一种基于可剥夺型 内核的操作系统，所以采用后一种方式执行。它能够使高优先级的任务更及时地得 到运行，增强了系统的时实性，满足了高精密内圆磨削对时实性加工的要求。数控 系统任务一般分为两种：一种是需要周期性执行的任务，称之为定时启动任务，它 主要是通过设置定时器延时来周期性运行；另一种是需要在满足一些特定条件时才 能执行的任务，称为条件启动任务，它们主要是通过任务间的通信机制来激发。图 2数控系统任务分解图2.1系统任务划分基于 yc/os ii 操作系

11、统的任务划分如下：(1)位置控制任务，任务周期为 8ms。在任务周期内将插补任务算好的坐标位置增量信息与坐标位置反馈值进行比较，并将比较结果转换成指令脉冲信号 实时通信给伺服驱动单元，从而完成对系统各运动轴的控制。(2)插补任务，任务周期为 8ms。进行速度处理，插补运算， 算出 8ms 时间内各轴的增量进给信息。(3)位置反馈采样任务，任务周期 4ms。周 期性的采样伺服系统中的当前位置坐标，并传送给位置控制任务，从而使整个系统 构成一个半闭环控制系统。（4）PLC 逻辑控制任务，任务周期 2 0ms。本方案中对机床开关量的控 制是通过在 ARM处理器上运行软 PLC 程序来实现的。软 PL

12、C 程序作为系统的 一个周期性执行任务来运行，主要完成机床辅助功能和机床逻辑控制任务。（5）砂轮半径补偿任务，从插补准备数据缓冲区读取插补数据进行砂轮半径 补偿处理，将处理后的数据再送回插补准备数据缓冲区供插补任务调用。此任务为 条件启动任务，由译码任务结束后通过发送信号量启动。（6）译码解释任务，此 任务为条件启动任务。当插补任务从插补数据准备缓冲区取走数据后发送译【24】第 30 卷第 10 期200810码启动信号，译码任务开始运行；当译码任务译码完一条加工代码后，自动调 用yc/os 11提供的任务挂起函数将自身挂起。（7）输入输出任务，输入系统加工参数和加工代码，输出显示机床的工作状

13、态、坐标值信息、报警信息 等。此任务主要由触摸屏完成，属于中断级任务。在此系统中位置伺服的优先级最高；位置反馈、插补任务的优先级次之；逻辑 处理任务的优先级再次之；最后是数据处理（程序解释、预处理、加减速控制）等 任务。2.2系统控制流程数控系统的主要任务就是将零件加工程序所表达的加工信息转化成各加工轴的 位移指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作。图 3示出了数控 系统工作时的内部信息流。数控加工所需的各种控制指令、参数及加工数据通过触 摸屏输入传送到 ARM系统的存储器中。加工时再从存储器中调出进行译码。译码 后分成两路：低速辅助信息（主要实现一些开关量的动作）通过 PLC

14、程序处理，输出；高速轨迹加工信息通过预处理（包括砂轮半径补偿处理和加减速处理）、插 补和位置控制，控制伺服系统实现坐标轴的联动加工。图 3数控系统的信息流2.3译码插补任务根据内圆磨床的加工工艺，从 ISO 标准中选定一个命令子集作为本系统的加 工代码指令。另外，内圆磨床加工时需要进行砂轮的修整，粗磨进给和精磨进给之 后都要进行一个无进给的磨削延时，而这些特殊的加工指令在 ISO 标准中并没有 规定，在这里我们自行规定一个 W 指令和一个 D指令分别用来表示砂轮修整和程序 延时功能。 W 指令和 D指令后面直接接数值，用来表示砂轮的一次修整量和程序延 时时间。进行加工代码编辑的时候，在一个程序

15、段中有些代码指令是不可能同时出现 的，因此可将这些互X；6SINT16UF;INT16UZ；INT16SW;INT8U D;I；/存放即将用于I NT1斥的代码指令进行合并化为一个指令组。本文研究的内圆磨床数控系统所用到 的代码指令符号及分组如表 1 所示表 1内圆磨床数控系统指令表本系统的加工过程中译码和插补计算是交错进行的，在插补计算的过程中还进 行着下一条加工代码的译码，从而保证了加工过程的连续性和平滑性。进行译码时首先将在系统内存中开辟一个插补准备缓冲区，并使数控加工程序 中可能出现的各功能代码均对应一个内存单元，存放对应的数值或特征字，后续处 理根据需要到相应的内存单元取出数控加工信

16、息，并予以执行。为节省内存空间， 同组代码只需设置一个内存单元。系统内存中插补准备缓冲区如下所示：INT8UN;INT16SINT16S k;typedefstructINT8UMA;INT8UMB;INT8U GA;INT8UGB; CODE /插补计算的信息系统在获得译码缓冲区的首地址后，就对译码缓冲区中的加工代码进行扫描识别，如果是 G、M代码则将其后的两位特征字 存入插补准备缓冲区中对应的分组单元中，如果是 X、Z、I、K、D、W等代码 时，贝 U将其后所带的数据值存入插补准备缓冲区中对应的单元中。为区分 G00 与 清零状态，在此用 11 置其标志位。系统译码流程如图 4 所示。本系

17、统采用数字增量插补算法进行插补运算，插补周期为 8ms，通过调用 c/os- ii操作系统提供的延时函数 OSTimcDlyHMSM(0，0，0，8 )周期运行任务。插补时，系统直接从插补准备缓冲区中读取插补数据 进行插补计算。直线插补和圆弧插补时，插补准备缓冲区只提供直线或圆弧的终点 坐标，因此需要设置一个起点坐标缓冲区，记载前一次插补程序的终点坐标值。【下转第 3 4 页】【上揍期 24 页200810科技与经济，2 0 0 2( 3 ).3张启君立体车库的主要型式及技术特点J.机电产品开发与创新，1 9 9 9( 2 ).4付翠玉，关景泰.立体车库发展的现状与挑战J.机械设计与制造，2

18、0 0 5( 9 ).5 李浩，郑钧宜.堆垛式立体车库的优化3 4】第 30卷第 10 期J.起重运输机械，(5).6于洪亮，侯君卫，刘玉锋多目标模糊评判算法在电梯式立体化车库控制系统中的应用J.电子测量技术，2 0 0 7( 1 ).7荆友录，栾德宇立体车库车辆存取机构的设计J 起重运输机械，2 0 0 6( 1 1 ).8 黄琼雁.一种基于专家系统的自动化立体车库出入库调度策略J.计算机与现代化，2 0 0 7( 8 ).9 潘耀芳.智能化立体车库优化车辆存取策略研究J.物流科技，2002( 6 ).10杨晓芬，肖华.自动化立体车库存取策略的比较分析J.机械制造与自动化，2 0 0 4.1

19、1谭青，谢坚.电梯式立体车库能耗最优化控制决策J.起重运输机械，2 0 0 3( 2 ).12宋圣涛，李瑞琴.PLC在机械式立体车库控制系统中的应用J.太原师范学院学报，2 0 0 6( 6 ).13程怀舟，周霞.PLC在立体停车库控制系统中的应用J.设计制造，2 0 0 4(9).14华中平，张立.基于 PLC 的电梯式立体车库控制系统设计J.三峡大学学报，2 0 0 6( 6 ).15程怀舟.基于 PLC 的多层升降横移立体停车库控制系统u，HomeWayChen.Design设计J.电子设计应用，2 0 0 5.16王新生，张华强.基于 PLC 的立体车库控制系统设计J.工业控制计算机，

20、2 0 0 5( 3 ).17刘玉锋，侯君卫.基于 PROFIBUS 的智能电梯式车库控制系统研究与设计D.中国农业大学硕士学位论文，2 0 0 5.18 贺文华.升降横移式立体车库的控制研究与仿真实现D.西安：长安大学，2 0 0 6.19谭巍.城市中心区静态交通空间及停车设施的优化设计研 究D.长沙：湖南大学，2 0 0 4.20K.Fintzel， R.Bendahan， C.Ves tri， S.Bougnoux. 3D ParkingAssistant SystemJ.2004 IEEE Inte lligent VehiclesSymposium，2004.21Jatuporn C

21、hinrungrueng，Udomp orn Sunantachaikul，SatienTriamlumlerdJ.Smart Parking:anApplication ofopticalWireless SensorN et w o r k.Pr oce edin g so ft h e2 0 0 7 Inter n a t i o nalS ymp osiu m onApp l i cationsan dth eInt e rne tWor k sho p s，2 0 0 7.LiDer Chou， ChunCheng Sheand PrototypeImplementation of ANovelAutomatic Vehicle Parking SystemJ. 2006 International Conferenc e