专利名称：基于arm技术的嵌入式机床数控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机电一体化技术中的数控技术领域，具体的讲是一种基于ARM技术的嵌 入式机床数控系统。
技术背景机床数控系统是现代数控机床的控制核心，目前较常见的机床数控系统都是基于工控PC 十运动控制卡模式的。基于这种体系结构的数控系统存在着很大的局限性，主要体现在1) 通用性强，但针对性不够传统的数控系统都采用目前成熟的通用软硬件计算机系统，这种基于PC架构的计算机 系统当时设计时考虑的就是通用性能和兼容性能，不是专门针对数控系统而设计的。这样一 来，造成的局面就是过多的耗用了软硬件资源，或为了 "照顾"全面而牺牲了局部性能，没 有针对数控加工的特殊性进行考虑，而当运用于专门的数控系统时，显得后劲不足。2) 可靠性低，实时性能得不到保证工控PC硬件采用与台式PC同样的架构，软件采用通用的操作系统。很多对数控系统不 需要的硬件电路被采用，增加了硬件系统的复杂性，增加了功耗，降低了系统的稳定性。许 多与数控系统无关的软件任务占用了 CPU更多的时间，使得实时性能得不到保证。3) 系统复杂，成本过高工控PC硬件复杂并且生产成本较髙，软件成本更高。再加上运动控制卡部分，使得整 个系统的软硬件成本得不到控制。 发明内容本实用新型所要解决的问题是提供一种有别于传统的基于ARM技术的嵌入式机床数控系 统，其能够用于数控车床、铣床、加工中心以及各种数控设备，与传统的工控PC软硬件架 构相比较，其系统简单，性能稳定，功耗低，成本低廉。本实用新型为解决上述提出的问题所采用解决方案为基于ARM技术的嵌入式机床数控 系统，其特征在于包括有ARM系列核心板、键盘板、显示器和CNC面板，所述的ARM系列 核心板采用32位嵌入式微处理器作为主控芯片，主控芯片配置有Nor flash, Nand Flash, SDRAM,主控芯片配置有3个串口，其中一个串口用于与外部PC机相连，另一个串口与键盘 板连接，键盘板下连有CNC按键面板，主控芯片通过LCD端口与显示器配置，GPIO口引出主 控芯片内9个输出、6个输入I/O接口 ，主控芯片外围还扩展有10/100M速率的RJ必以太网接口和USB主从接口，软件结构选用经裁减后的Windows CE . net嵌入式实时操作系统和专 用数控机床控制软件。按上述方案，所述的Nor flash容量为1M以上，Nand Flash容量为32M以上，SDRAM 容量为32M以上。按上述方案，所述的ARM系列核心板为ARM7核心板、ARM9核心板、ARM10核心板或ARM11 核心板。按上述方案，所述专用数控机床控制软件，是指运行于嵌入式实时操作系统之上，专门 用于控制车床、铣床、加工中心的应用程序，其作用是实现人机界面、G代码编辑、G代码 解释、插补运算、软件仿真、向伺服电路发送控制命令、通讯控制的功能。以下是有关术语的解释ARM:即Advanced RISC Machines Limited, —种嵌入式硬件核 心技术；Nor flash即非易失闪存；Nand Flash即非易失闪存；SDRAM即同步动态随机 存取存储器；CNC艮卩Computer Numerical Control,计算机数控；GPIO艮卩General Purpose 1叩ut/0utput,通用输入输出。本实用新型的优点有如下几点(1) 完全意义上的嵌入式模式架构。本实用新型采用的是真正的ARM体系的嵌入式硬件 和真正的嵌入式实时操作系统，嵌入式技术的引用使得系统在实时性能、稳定性、体积和功 耗等方面都有突出的表现。(2) 系统简单、价格低廉。由于采用了嵌入式技术，使得硬件电路简单，例如系统的 CNC专用控制电路就是在现有ARM硬件基础之上直接进行扩展的。系统软、硬件成本得到控 制，却能获得满意的技术性能。(3) 实用性强、适用面广。本实用新型可应用于数控车、数控铣、加工中心以及其它 一些数控机床。该系统的操作系统和应用软件都采用分层管理，只需作简单配置和修改就可 适用于各种机床。(4) 通讯能力强、扩展方便。通过以太网口接入工控网络时，系统可通过得到一个IP 地址的方式在网络中获取唯一身份。通过网络，网上任意一台终端或工控设备都可与该系统 进行在线通讯或进行维护操作。
图1是本实用新型的硬件结构框图； 图2是本实用新型的软件层次结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。本实用新型是一种基于ARM技术的嵌入式机床数控系统，其主要包含有S3C2410A嵌入 式微处理器作为主控芯片的ARM9核心板、AVRMegal28L键盘板、8. 4' TFT液晶显示器和CNC 面板组成。如图1 ， ARM9核心板选用的是Samsung S3C2410A嵌入式微处理器，S3C2410A嵌入式微 处理器基于ARM9核，采用RISC(精简指令集)架构,扩展哈佛结构，系统主频最髙可达266MHz， 5级流水线技术。本实用新型采用200MHz主频，配以1M容量的Nor flash用于存储 Bootload(引导载入)，64MNandFlash用于存储操作系统内核、CNC应用程序以及系统文件， 64M SDRAM用于系统内存。S3C2410A片内有3个串口资源，本实用新型用到了其中的两个 UARTO用于与外部PC机的数据交互，系统配置文件、参数设置文件、G代码程序文件等都可 以通过该接口实现上传下载；UART1 口通过标准RS232传输协议与以AVRMegal28L作为微处 理器的键盘板连接，键盘板下连CNC按键面板，按键面板上的用户操作交由具有处理能力的 Megal28L键盘板处理。Megal28L芯片具有丰富的I/O 口资源，主要用于检测CNC按键面板 上91个按键消息，然后通过串口上发至ARM9核心板的UART1端，并且负责控制显示CNC按 键面板上的24个状态指示灯。这样一来，就将键盘处理任务从ARM9核心板中分离了出来， S3C2410A嵌入式微处理器将不负责按键消息处理和状态显示等慢速任务。S3C2410A芯片具有独立的LCD端口，这给拓展显示带来了方便。本实用新型选用8.4' TFT真彩液晶显示器作为显示终端，与ARM9核心板的LCD 口直接连接。GPIO 口引出S3C2410A片内9个输出、6个输入I/0资源，通过光电隔离后连接X、 Y、 Z 三轴的伺服进给、主轴变频、冷却液开关、刀库命令和三个进给轴的上下限位报瞀信号。系 统所有的控制脉冲信号和反馈信号都从GPIO 口引出。为了便于扩展，本实用新型还设置了一个10M速率的RJ45以太网接口和两个USB (主/ 从)接口。当系统外联工控站或工控网络时，可通过以太网口连接。主USB口可用于连接标 准输入设备，如键盘、鼠标、U盘等等。从USB口可通过ActiveSync传输协议实现与外部的 数据交换任务。整个硬件系统由于釆用了嵌入式硬件体系，使得在体积、功耗、抗干扰和稳定性能等方 面都有突出的表现。本实用新型选用Microsoft Windows CE.net 4.2作为嵌入式操作系统平台。CNC专用应 用程序采用Microsoft Embedded Visual C++ 4. 0工具开发。软件系统整体结构如图2所示。 选用Windows CE.net作为操作系统是基于多种考虑的首先是实时性能。Windows CE. net是一套功能完善的实时多任务操作系统。自Windows CE.net 3.0版本以来，内核的许多重大改进极大地增加了 Windows CE.net的实时性能。系 统优先级达到256个、定时器精度达到lms、支持嵌套式中断、优先级反转处理技术等等， 使得Windows CE.net可以满足95%的硬实时系统的要求，中断延时不超过100us。这些技 术指标足以保证当它用于工业控制领域时实时性能要求；其次，利用Windows CE.net提供 的Platform Builder工具可以方便的对操作系统内核进行定制和裁减。Windows CE. net基 本上支持目前所有嵌入式微处理器和相关硬件设备，而且它采用对象存储技术，包含完备的 文件系统、注册表和数据库支持，虚拟内存保护技术、信号量支持、进程及优先级调度等等， 这使得Windows CE.net成为近乎完美的操作系统。并且，这些强大的优势也为在此平台基 础上开发应用程序提供了先决条件。此外，Platform Builder集成开发工具使开发者编写特 定硬件的驱动程序变得非常方便，例如本实用新型的内置式PLC就是基于驱动程序级的。第 三，采用Windows CE. net使得应用程序的开发变得方便快捷。Embedded Visual C++ (EVC) 是微软公司专为嵌入式系统提供的应用程序开发工具。EVC的开发和Windows下的VC开发在 界面、语法以及开发流程上基本都是一样的，熟悉VC编程的人很快就会使用EVC进行开发。 EVC继承一贯的COM、 MFC和API等技术，编译器效率髙、程序结构紧凑，能够方便的开发出 合理利用有限嵌入式硬件资源、速度快且稳定的应用程序。另外，EVC工具还提供了专门的 模拟器用来仿真应用程序在目标硬件上的运行情况。在嵌入式硬件还没有完全设计出来之 前，开发人员就可以同时着手软件的开发工作，这就是典型的"并行式"开发技术。硬件和 软件开发的同时进行，加快了系统开发速度。如图2所示，本实用新型的CNC专用程序在逻辑上可分为三层核心层、系统层和功能 层。核心层又包含系统消息处理、G代码程序解释和机床实时状态监控三个功能模块。其中 G代码程序解释模块是核心层的重点，它采用非编译即解释方式分析和执行G代码程序、完 成插补运算，然后向PLC或上层(系统层)发出控制命令，控制机床动作。系统层包含全部 数控机床的控制功能以及系统辅助功能，如进给轴伺服驱动、主轴控制、刀库及冷却液控制、 报警处理、界面和通讯控制等等。功能层包含数控机床常用的一些功能模块，如G代码程序 编辑、G代码程序运行的图形仿真、手动(主轴正反转、停止，进给轴回零、增量控制等) 控制、自动控制以及用户和系统参数设置等等。专用数控机床控制软件实现机床运动控制、G代码编辑和解释、插补运算等功能。其中 G代码解释模块的工作过程是用户调入之前存储的G代码程序；G代码解释模块扫描程序 内容，并根据不同指令(包括G指令、M指令、F指令、T指令和S指令等)作出不同处理，处理过程中调用插补运算模块和刀补运算模块；将解释后的动作送给位置控制模块；位置控 制模块向伺服驱动电路发送位置控制命令；最后伺服驱动电路再将控制脉冲送往伺服(或步 进)控制器以驱动主轴和进给电机的运动。
权利要求1、基于ARM技术的嵌入式机床数控系统，其特征在于包括有ARM系列核心板、键盘板、显示器和CNC面板，所述的ARM系列核心板采用32位嵌入式微处理器作为主控芯片，主控芯片配置有Nor flash，Nand Flash，SDRAM，主控芯片配置有3个串口，其中一个串口用于与外部PC机相连，另一个串口与键盘板连接，键盘板下连有CNC按键面板，主控芯片通过LCD端口与显示器配置，GPIO口引出主控芯片内9个输出、6个输入I/O接口，主控芯片外围还扩展有10/100M速率的RJ45以太网接口和USB主从接口，软件结构选用经裁减后的Windows CE.net嵌入式实时操作系统和专用数控机床控制软件。
2、 按权利要求1所述的基于ARM技术的嵌入式机床数控系统，其特征在于所述的Nor flash容量为1M以上，Nand Flash容量为32M以上，SDRAM容量为32M以上。
3、 按权利要求1或2所述的基于ARM技术的嵌入式机床数控系统，其特征在于所述的 ARM系列核心板为ARM7核心板、ARM9核心板、ARM10核心板或ARMll核心板。
4、 按权利要求1或2所述的基于ARM技术的嵌入式机床数控系统，其特征在于所述专用 数控机床控制软件，是指运行于嵌入式实时操作系统之上，专门用于控制车床、铣床、加工 中心的应用程序。
专利摘要本实用新型是一种基于ARM技术的嵌入式机床数控系统。包括有ARM系列核心板、键盘板、显示器和CNC面板，所述的ARM系列核心板采用32位嵌入式微处理器作为主控芯片，主控芯片配置有Nor flash，Nand Flash，SDRAM，主控芯片配置有3个串口，键盘板下连有CNC按键面板，主控芯片通过LCD端口与显示器配置，GPIO口引出主控芯片内9个输出、6个输入I/O接口，软件结构选用经裁减后的Windows CE.net嵌入式实时操作系统和专用数控机床控制软件。本实用新型的优点有如下几点(1)系统简单、价格低廉；(2)实用性强、适用面广；(3)通讯能力强、扩展方便。
文档编号G05B19/18GK201084005SQ20072008768
公开日2008年7月9日 申请日期2007年10月24日 优先权日2007年10月24日
发明者彭同明, 杨少华, 桂绍勇, 王万意, 郑德龙 申请人:武汉电力职业技术学院