基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化DNC系統研究

0 引言

DNC是Direct Numerical Control或DistributedNumerical Control的簡(jiǎn)稱(chēng)，意為直接數字控制或分布式數字控制。DNA以數控技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為基礎把與制造過(guò)程相關(guān)的設備集成起來(lái)，從而實(shí)現了制造設備的集中控制管理，以及制造設備之間、制造設備與上層計算機之間的信息交換。該控制方式的技術(shù)特點(diǎn)充分體現了數字制造的方展方向，因此在數控加工中被廣泛使用。本文結合DNC技術(shù)的發(fā)展趨勢，設計了一套基于A(yíng)RM和DSP的嵌入式數控機床控制系統。

1 系統硬件設計

該DNC控制系統主要分為三大部分：DNC服務(wù)器模塊、ARM通信處理模塊、DSP控制執行模塊。其中DNC服務(wù)器是系統的控制中心，ARM是嵌入式機床控制系統的主處理器、運行操作系統和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，負責接收遠程DNC服務(wù)器的指令并進(jìn)行相應處理，DSP控制執行模塊主要負責具體的指令執行操作，直接控制機床的運行。三大模塊有機結合便可構成一個(gè)完整的數控機床控制系統。其系統框圖如圖1所示。

DSP控制模塊是機床控制系統的實(shí)際執行單元，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。高精度的多軸數控機床加工通常都會(huì )涉及到大量的運算處理，同時(shí)需要豐富的外設接口支持，為此，本系統選用了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) 運算速度快，工作時(shí)鐘頻率達150MHz且功耗很低。

(2) 具有優(yōu)化的CPU和哈佛總線(xiàn)結構，同時(shí)具有強大的操作能力、迅速的中斷響應和處理能力?？梢詫?shí)現16×16位和32×32位相乘且累加操作。

(3) 系統中的兩個(gè)增強的事件管理器模塊提供了一整套用于運動(dòng)控制和電機控制的功能和特性。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)，該系統尤其適用于數字馬達控制、工業(yè)自動(dòng)化、電力轉換系統及通信設備等。本系統中TMS320F2812主要用于數控機床的控制，可接收ARM傳送過(guò)來(lái)的控制代碼，并對代碼進(jìn)行譯碼和相應的運算，最終將代碼轉化為PWM脈沖編碼以控制電機的運行；另外，該DSP還負責將接收的機床I／O板所采集的機床狀態(tài)信息以及機床代碼的接收和執行情況，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。

1.2 ARM通信處理模塊

ARM通信處理模塊是機床控制系統的核心模塊，它既可以作為一個(gè)單獨的控制單元，利用自身的人機交換模塊進(jìn)行代碼編輯，以控制機床的運行；義可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接收DNC服務(wù)器傳送的機床代碼指令來(lái)控制機床的運行。因此，ARM處理器在通信、任務(wù)處理、人機交互、系統穩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升級，該系統還選用了三星公司的S3C2410處理器，該處理器是基于A(yíng)RM9內核的32位RISC處理器，擁有強大的處理、控制功能以及豐富的外設接口，可以作為數控機床的主處理器來(lái)運行操作系統和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。

ARM通信處理模塊選用S3C2410(32-bitARM920T內核)，系統時(shí)鐘使用外部12 MHz晶振，也可由S3C2410內部的PLL倍頻至200 MHz。另外，還應配置鍵盤(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)機床網(wǎng)絡(luò )系統的控制指揮中心，以工業(yè)PC機構建，可運行windows xp操作系統，具有良好的人機界面和可操作性。開(kāi)發(fā)工具選用的Visual C++是美國Microsoft公司推出的軟件開(kāi)發(fā)工具，目前已成為國內應用最廣泛的高級語(yǔ)言之一，同其它軟件開(kāi)發(fā)工具相比，Vi-sual C++具有面向對象、能可視化開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。由于該系統工具提供有面向對象的應用程序框架MFC(Microsoft Foundation Class：微軟基礎類(lèi)庫)，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)標準的MFC類(lèi)庫；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之間的連接。DNC服務(wù)器模塊可協(xié)調整個(gè)機床網(wǎng)絡(luò )的運行，便于實(shí)施機床車(chē)間的流水線(xiàn)操作。因此采用該DNC系統可大大提高生產(chǎn)效率，降低管理成本，同時(shí)其遠程操作特點(diǎn)特別適合一些特殊的加工場(chǎng)合(如危險品的加工)。因此，該DNC系統具有廣泛的應用前景。

2 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要有DNC服務(wù)器軟件設計、ARM通信處理模塊軟件設計、DSP控制模塊軟件設計等。其系統軟件流程如圖2所示。

當然，每臺數控機床也可以作為一個(gè)獨立的控制單元(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交互模塊，來(lái)完成機床代碼的編寫(xiě)以及反饋信息的顯示。因此，該系統既可以獨立運行，又可以組網(wǎng)運行，因而具有很強的靈活性。