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引言
DNC是Direct Numerical Control或DistributedNumerical Control的簡(jiǎn)稱(chēng)，意為直接數(shù)字控制或分布式數(shù)字控制。DNA以數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)把與制造過(guò)程相關(guān)的設(shè)備集成起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了制造設(shè)備的集中控制管理，以及制造設(shè)備之間、制造設(shè)備與上層計(jì)算機(jī)之間的信息交換。該控制方式的技術(shù)特點(diǎn)充分體現(xiàn)了數(shù)字制造的方展方向，因此在數(shù)控加工中被廣泛使用。本文結(jié)合DNC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套基于ARM和DSP的嵌入式數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該DNC控制系統(tǒng)主要分為三大部分：DNC服務(wù)器模塊、ARM通信處理模塊、DSP控制執(zhí)行模塊。其中DNC服務(wù)器是系統(tǒng)的控制中心，ARM是嵌入式機(jī)床控制系統(tǒng)的主處理器、運(yùn)行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程DNC服務(wù)器的指令并進(jìn)行相應(yīng)處理，DSP控制執(zhí)行模塊主要負(fù)責(zé)具體的指令執(zhí)行操作，直接控制機(jī)床的運(yùn)行。三大模塊有機(jī)結(jié)合便可構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 DSP控制模塊
DSP控制模塊是機(jī)床控制系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行單元，DNC服務(wù)器以及ARM發(fā)送過(guò)來(lái)的指令最終都由DSP控制模塊具體處理。高精度的多軸數(shù)控機(jī)床加工通常都會(huì)涉及到大量的運(yùn)算處理，同時(shí)需要豐富的外設(shè)接口支持，為此，本系統(tǒng)選用了TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。這是一種新型32位定點(diǎn)DSP芯片，具有以下特點(diǎn)：
（1） 運(yùn)算速度快，工作時(shí)鐘頻率達(dá)150MHz且功耗很低。
（2） 具有優(yōu)化的CPU和哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有強(qiáng)大的操作能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理能力?？梢詫?shí)現(xiàn)16×16位和32×32位相乘且累加操作。
（3） 系統(tǒng)中的兩個(gè)增強(qiáng)的事件管理器模塊提供了一整套用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制的功能和特性。每個(gè)事件管理模塊均包含有通用定時(shí)器（GP）、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。
（4） 外圍設(shè)備包括3個(gè)32位的CPU定時(shí)器和16通道12位ADC，它不僅具有串行外圍接口（SPI）和兩個(gè)串行通信接口（SCIs），還具有改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)（e2 CAN）、多通道緩沖串行接口（McBSP）和串行外圍接口模式。
基于以上特點(diǎn)，該系統(tǒng)尤其適用于數(shù)字馬達(dá)控制、工業(yè)自動(dòng)化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及通信設(shè)備等。本系統(tǒng)中TMS320F2812主要用于數(shù)控機(jī)床的控制，可接收ARM傳送過(guò)來(lái)的控制代碼，并對(duì)代碼進(jìn)行譯碼和相應(yīng)的運(yùn)算，最終將代碼轉(zhuǎn)化為PWM脈沖編碼以控制電機(jī)的運(yùn)行；另外，該DSP還負(fù)責(zé)將接收的機(jī)床I／O板所采集的機(jī)床狀態(tài)信息以及機(jī)床代碼的接收和執(zhí)行情況，通過(guò)RS485總線(xiàn)反饋給ARM，以作為ARM進(jìn)行下一步操作的依據(jù)。
1.2 ARM通信處理模塊
ARM通信處理模塊是機(jī)床控制系統(tǒng)的核心模塊，它既可以作為一個(gè)單獨(dú)的控制單元，利用自身的人機(jī)交換模塊進(jìn)行代碼編輯，以控制機(jī)床的運(yùn)行；義可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接收DNC服務(wù)器傳送的機(jī)床代碼指令來(lái)控制機(jī)床的運(yùn)行。因此，ARM處理器在通信、任務(wù)處理、人機(jī)交互、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各方面都有較高的要求，同時(shí)，為了方便今后的系統(tǒng)升級(jí)，該系統(tǒng)還選用了三星公司的S3C2410處理器，該處理器是基于ARM9內(nèi)核的32位RISC處理器，擁有強(qiáng)大的處理、控制功能以及豐富的外設(shè)接口，可以作為數(shù)控機(jī)床的主處理器來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。
ARM通信處理模塊選用S3C2410（32-bitARM920T內(nèi)核），系統(tǒng)時(shí)鐘使用外部12 MHz晶振，也可由S3C2410內(nèi)部的PLL倍頻至200 MHz。另外，還應(yīng)配置鍵盤(pán)和LCD顯示模塊、2通道RS485通信接口以及10 MB以太網(wǎng)接口。
1.3 DNC服務(wù)器模塊
DNC服務(wù)器模塊是整個(gè)機(jī)床網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制指揮中心，以工業(yè)PC機(jī)構(gòu)建，可運(yùn)行windows xp操作系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)界面和可操作性。開(kāi)發(fā)工具選用的Visual C++是美國(guó)Microsoft公司推出的軟件開(kāi)發(fā)工具，目前已成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的高級(jí)語(yǔ)言之一，同其它軟件開(kāi)發(fā)工具相比，Vi-sual C++具有面向?qū)ο?、能可視化開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。由于該系統(tǒng)工具提供有面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序框架MFC（Microsoft FoundaTIon Class：微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)），因而可以大大簡(jiǎn)化程序員的編程工作和模塊的可重用性；由于眾多的開(kāi)發(fā)商支持，該工具已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MFC類(lèi)庫(kù)；同時(shí)它和C語(yǔ)言兼容的特點(diǎn)也大大方便了和外部嵌人式系統(tǒng)之間的連接。DNC服務(wù)器模塊可協(xié)調(diào)整個(gè)機(jī)床網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，便于實(shí)施機(jī)床車(chē)間的流水線(xiàn)操作。因此采用該DNC系統(tǒng)可大大提高生產(chǎn)效率，降低管理成本，同時(shí)其遠(yuǎn)程操作特點(diǎn)特別適合一些特殊的加工場(chǎng)合（如危險(xiǎn)品的加工）。因此，該DNC系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有DNC服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)、ARM通信處理模塊軟件設(shè)計(jì)、DSP控制模塊軟件設(shè)計(jì)等。其系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。
當(dāng)然，每臺(tái)數(shù)控機(jī)床也可以作為一個(gè)獨(dú)立的控制單元（圖2中的虛線(xiàn)框部分），可利用ARM通信處理模塊自帶的人機(jī)交互模塊，來(lái)完成機(jī)床代碼的編寫(xiě)以及反饋信息的顯示。因此，該系統(tǒng)既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以組網(wǎng)運(yùn)行，因而具有很強(qiáng)的靈活性。
2.1 DNC服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
DNC服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、代碼文件編寫(xiě)管理模塊、遠(yuǎn)程調(diào)用控制模塊、反饋信息處理模塊等。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，按照軟件工程規(guī)范進(jìn)行框架設(shè)計(jì)可使其具有良好的開(kāi)放性、可移植性和可擴(kuò)充性。軟件各模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。
2.2 ARM通信處理模塊的軟件設(shè)計(jì)
ARM通信處理模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括五個(gè)部分：以太網(wǎng)通信處理模塊、代碼編輯模塊、信息顯示模塊、代碼提取處理模塊、RS485總線(xiàn)通信處理模塊。機(jī)床可設(shè)定兩種工作模式：組網(wǎng)工作模式和獨(dú)立工作模式，默認(rèn)情況下為組網(wǎng)工作模式。程序的設(shè)計(jì)包括操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植等，操作系統(tǒng)采用的uc／osII是一款簡(jiǎn)單、高效的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)的源代碼公開(kāi)，并具有良好可移植性和擴(kuò)展性，其穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，非常適合應(yīng)用于控制系統(tǒng)領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用LWIP，這是一套用于嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)（light weight） TCP／IP協(xié)議棧，包括TCP、UDP、ICMP、IP、ARP、DHCP協(xié)議等，它和uc／osII構(gòu)成了ARM通信處理模塊軟件的設(shè)計(jì)主體。該軟件的具體流程如圖4所示。
2.3 DSP控制模塊的軟件設(shè)計(jì)
DSP控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：RS485總線(xiàn)通信模塊、機(jī)床代碼譯碼模塊、機(jī)床信息反饋模塊。DSP模塊主要通過(guò)RS485總線(xiàn)接收ARM模塊傳送的機(jī)床代碼指令，并按照特定的譯碼方法進(jìn)行譯碼，最終將其轉(zhuǎn)化為電機(jī)控制的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，以完成機(jī)床的具體控制；同時(shí)，它還應(yīng)當(dāng)將定時(shí)采集的機(jī)床狀態(tài)信息通過(guò)RS485總線(xiàn)反饋給ARM模塊，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合DNC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，給出了集先進(jìn)的嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)床的控制技術(shù)與一體的網(wǎng)絡(luò)化DNC設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)高度的集成和工業(yè)級(jí)的穩(wěn)定性能，同時(shí)十分方便系統(tǒng)升級(jí)。由于該機(jī)床控制系統(tǒng)提供了兩種工作模式，因此還可根據(jù)用戶(hù)具體要求進(jìn)行軟硬件的裁減，因而具有很強(qiáng)的靈活性，可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電控制領(lǐng)域。
