CN101382788A - 一种基于arm7和fpga的嵌入式数控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统，其包括一32位的ARM嵌入式微控制器模块，一FPGA控制和插补模块，所述嵌入式数控系统主控制器采用冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器，用于实现人机接口、网络接口、系统管理界面、仿真显示和G代码编译功能；所述嵌入式数控系统的插补控制器用于实现高速实时的插补算法。本发明基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统由于采用以上技术方案，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。

Description

一种基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统
技术领域
本发明涉及一种机电一体化的数控系统，具体地涉及一种基于ARM7芯片作为主控制器和FPGA芯片作为插补控制器的嵌入式数控系统。
背景技术
现有技术中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。但是，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，主要表现在:
一、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，而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。
二、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通常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。
三、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。
因此，现有技术存在缺陷，而有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统，与传统的基于工业PC计算机的数控系统相比，提高实时性和可靠性，降低系统体积和成本，以克服上述现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明的技术方案包括:
基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统，其包括一32位的ARM嵌入式微控制器模块，一FPGA控制和插补模块，其中:
所述嵌入式数控系统主控制器采用冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器，用于实现人机接口、网络接口、系统管理界面、仿真显示和G代码编译功能；
所述嵌入式数控系统的插补控制器用于实现高速实时的插补算法。
所述的嵌入式数控系统，其中:在所述ARM7主控制器中，包括了G代码解释模块、软PLC核、移植的UC/OS-II实时操作系统、存储模块以及外围接口模块，其中所述G代码解释模块用于在用户输入G代码后，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；执行所述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。
所述的嵌入式数控系统，其中:所述插补控制器采用两级插补方案，先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:再采用FPGA对粗插补输出的微小线段进行精插补，输出控制脉冲。
所述的嵌入式数控系统，其中:所述主控制器采用S3C4480芯片。
所述的嵌入式数控系统，其中:所述插补控制器采用Lattice公司的FPGA芯片LC-XP6芯片。本发明所提供的一种基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统，由于采用以上技术方案，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为本发明基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统的硬件结构框图；
图2为本发明基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统的软件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明系统作出进一步详细的说明。
本发明基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统采用了嵌入式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LATTICE公司的FPGA芯片LC-XP6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UC/OS-II，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FPGA插补控制器中，极大的提高了数控加工的实时性和精确性。采用上述芯片并不是必须的，也可采用其他功能相同的ARM处理器，FPGA芯片也可采用其他的容量足够的芯片。
本发明基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统中，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S3C44BO芯片作为主控制器克服了基于通用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。
所述嵌入式数控系统的插补控制器采用Lattice公司的FPGA芯片LC-XP6芯片，实现了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。
如图1所示是本发明嵌入式数控系统的硬件结构图，其中包括了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UC/OS-II实时操作系统、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FPGA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FPGA插补控制器，由FPGA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。
同时本发明ARM7主控制器还可以向FPGA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FPGA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，其软件的结构如图2所示。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FPGA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FPGA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。
上述给出了本发明的一个具体实施方式，其可用于连续轨迹控制，如数控车床、数控铣床、雕刻机、激光切割机床、激光焊接机、激光雕刻机、数控冲压机床、快速成型机、超声焊接机、水射流切割、电路板特型铣、晶片切割机等各种数控设备，但是上述实施例中的各个嵌入式模块和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。无论如何，本发明说明书的描述不能被理解为对本发明专利请求保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1、一种基于ARM7和FPGA的嵌入式数控系统，其包括一32位的ARM嵌入式微控制器模块，一FPGA控制和插补模块，其特征在于:
所述嵌入式数控系统主控制器采用冯.诺.依曼结构的ARM7微处理器，用于实现人机接口、网络接口、系统管理界面、仿真显示和G代码编译功能；
所述嵌入式数控系统的插补控制器用于实现高速实时的插补算法。
2、根据权利要求1所述的嵌入式数控系统，其特征在于:在所述ARM7主控制器中，包括了G代码解释模块、软PLC核、移植的UC/OS-II实时操作系统、存储模块以及外围接口模块，其中所述G代码解释模块用于在用户输入G代码后，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；执行所述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、根据权利要求1所述的嵌入式数控系统，其特征在于:所述插补控制器采用两级插补方案，先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:再采用FPGA对粗插补输出的微小线段进行精插补，输出控制脉冲。
4、根据权利要求1所述的嵌入式数控系统，其特征在于:所述主控制器采用S3C4480芯片。
5、根据权利要求1所述的嵌入式数控系统，其特征在于:所述插补控制器采用Lattice公司的FPGA芯片LC-XP6芯片。
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