基于ARM嵌入式技术的数控机床控制系统的研究

匆宁软　放　ｊ学报　２０１２年第１７卷第１期　２０１２　Ｖｏ１．１７　Ｎｏ．１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｎｉｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　基于ＡＲＭ嵌入式技术的数控机床　控制系统的研究　蒋　洪　雷运理　（１．广西机电职业技术学院【摘基础实训中心，广西南宁５３０００７）　要】针对目前工业控制系统体积大、成本高等缺点，开发设计一款基于ＡＲＭ处理器的低成本嵌入式数控　机床控制系统。该系统以ＡＲＭ９高性能嵌入式处理器为控制核心，嵌入武ＩＡｎｕｘ系统作为软件开发平台，采用　ＭｉｎｉＧＵＩ实现图形用户界面操作并对整机进行控制，并建立了数控系统的调试环境，对开发的系统软硬件进行　联机调试、软件测试和实例加工。测试和实例加工结果表明，基于ＡＲＭ和嵌入式Ｌｉｎｕｘ的数控机床控制系统技　术方案是可行的，实现了预期的功能。　『关键词］ＡＲＭ；嵌入式系统；Ｌｉｎｕｘ；数控系统　【中图分类号ＩＴＰ３１１．５２　【文献标识码】Ａ　【文章编号１１００９—３６２１【２０１２）０１－００９４－０４　近年来，随着计算机技术、通信技术、集成电路　技术和自动控制技术的发展，在数控机床控制系统　控制系统。其中嵌入式控制平台主要负责人机接口　中实现加工的现代化、安全化，提高加工精度等要　求，促使了数控机床控制系统嵌人式化成为未来机　床发展的趋势【“。　将嵌入式技术引入机床控制，是当前数控机床　控制系统研究开发的热点。本文提出的以３２位　ＡＲＭ处理器为主控设备，嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统作为软　界面、数据通信、代码解释和插补算法的分析，完成　圆弧插补、斜线插补、终点规则的判别等。执行控制　系统主要是实现步进电机控制、转动步距的计算以　及各种传感器的检测等。嵌入式数控机床控制系统　的总体结构，如图１所示。　区耍　而　０　件开发平台，讨论了嵌入式计算机系统和步进电机　控制模块相结合在数控机床控制系统中的研究和应　用情况；叙述了嵌入式数控机床控制系统的开发内　容及开发过程中的关键问题，包括控制电路设计、人　机界面设计、参数设置、数控代码解释、插补模块及　串行口通信模块等内容，最后给出了系统最后运行　效果及相关模块的演示。　Ｉ垫　笙　墨　ｉ　回匝　１．系统硬件结构　嵌入式数控机床控制系统以嵌入式微处理器为　核心，主要由两个部分构成：嵌入式开发平台和执行　【收稿日期］２０１１—１０－１０　［１ｅｌ络出版］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／４５．１２６８．Ｃ．２０１１１２３０．１１２５．０２５．ｈｔｍｌ　ＣＮＫＩ：４５—１２６８／Ｃ．２０１１１２３０．１１２５．０２５　回匝困匾画　图１嵌入式数控机床控制系统结构图　【作者简介】蒋洪（１９６７一），男，广西柳州人，广西机电职业技术学院基础实训中心讲师，主要从事焊接机器人、电机控制和虚拟仪器技术研究。　雷运理（１９７６一），男，广西南宁人，广西机电职业技术学院继续教育中心工程师，主要从事网络管理研究。　ｏ　蒋洪，等　１．１嵌入式开发平台　嵌入式开发平台采用目前流行的Ｓａｍｓｕｎｇ公司　生产的ＡＲＭ９微处理器￥３Ｃ２４４０作为嵌入式开发　平台的核心，以嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为操作系统，实现实　时控制和数据通信。其主要工作如下。第一，通过　ＵＳＢ接口读取数控编程源文件。第二，对源文件中　的指令进行解释处理，得到原始的机床控制数据；然　后，采用相应的插补算法，实现各种类型的图形插　补。第三，通过串行通信接口，将坐标数据传送到执　行控制模块，整个操作过程采用ＬＣＤ液晶屏显示及　触摸屏进行输入来完成。　１．２执行控制系统　执行控制系统主要是接收嵌入式开发平台发送　的坐标数据，控制相应电机运行及执行其他相应的　操作。系统工作时，模块从串行通信接口得到运动坐　标数据，然后根据坐标控制电机的运行，同时控制切　割机的状态，以及检测限位传感器，并及时做出响　应。从而实现对切割机的有效控制。步进电机的驱动　电路如图２所示。　图２步进电机驱动电路图　２．数控系统的软件结构　系统软件是整个嵌入式数控系统的重要组成部　分，其结构层次上，基本分为引导加载程序、Ｌｉｎｕｘ　内核、文件系统和用户应用程序４个主要部分，其中　Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ是系统的运行起点，作用相当于ＰＣ机启　动中的ＢＩＯＳ引导程序，Ｌｉｎｕｘ内核是整个Ｌｉｎｕｘ系　统的核心，负责整个系统的内存管理、进程调度和文　件管理等；根文件系统也是不可缺少的一部分，它完　基于ＡＲＭ嵌入式技术的数控机床控制系统的研究　全于内核，基本上由目录、Ｓｈｅｌｌ、库、脚本４个部　分组成；用户应用程序就是由用户自己开发，交叉编　译后能够在ＡＲＭ板运行的程序。其完整的结构，如　图３所示。　系统应用程序　文件系统　嵌入式操作系统内核（Ｋｅｒｎｅ１）　Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ　图３系统软件结构图　２．１搭建交叉编译环境　交叉开发环境（Ｃｒｏｓｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）　是指编译、链接和调试嵌人式应用软件的环境，它与　运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿　主机倡标机模式，如图４所示。　８２３　辘ｅ　ｌ　图４交叉编译环境示意图　在嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发平台下，要为开发板编译　内核，Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ，图形界面，以及其他应用程序，均　需要交叉编译工具链的支持。因此，在进行软件开发　之前，必须先安装适用于该平台的交叉编译器。　由于本文选用的嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核是最新稳定　的２．６．２９版本，因此需要安装使用ａｌＴＩ１一ｌｉｎｕｘ—ｇｃｃ一　４＿３．２版本的交叉编译器，拷贝ａｒｉｎ—ｌｉｎｕｘ—ｇｃｃ一４．３．２．　ｔｇＺ文件到工程目录下，然后执行文件解压命令：ｔａｒ　—ｚｘｖｆ　ａｒｉｎ—ｌｉｎｕｘ—ｇｃｃ一４．３．２．ｔｇｚ—Ｃ／完成后，系统将会　把文件解压￣ｌＪ／ｕｓｒ／ｓｂｉｎ中，至此交叉编译工具安装　完成。　２．２嵌入式操作系统平台的构建　嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统是整个嵌人式软件开发　平台的核心，构建一个完整的嵌入式操作系统平台　过程如下。　２．２．１配置、编译嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统内核　拷贝ｌｉｎｕｘ一２．６．２９．ｔｇｚ文件到工程目录下，执行　文件解压命令：ｔａｒ—ｘｖｆ　ｌｉｎｕｘ一２．６．２９．ｔｇｚ—Ｃ．／把源码文　。　匆宁软　放　虢学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｎｉｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　件解压到当前目录。然后进入源文件目录输入命令：　ｍａｋｅ　ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ进入内核配置选项配置内核，对内　核进行相应的配置，完成后保存退出。执行命令：　ｍａｋｅ　ｚＩｍａｇｅ对内核源码文件进行编译，编译完成后　可以得到内核的映像文件。　２．２．２创建根文件系统　一个Ｌｉｎｕｘ的根文件系统应该包括支持Ｌｉｎｕｘ　系统正常运行的基本内容，包括系统使用的软件和　库，以及所有为用户提供基本支持的架构和指令，基　本上由目录、Ｓｈｅｌｌ、库、脚本４个部分组成。其主要目　录结构，如图５所示。　图５　Ｌｉｎｕｘ根文件系统结构　由于ＢｕｓｙＢｏｘ以很小的体积集成了最常用的　Ｌｉｎｕｘ命令和应用程序，所以使用它可以简化制作　Ｌｉｎｕｘ根文件系统的过程。首先在根文件目录ｒｏｏｔｆｓ　下建立ｂｉｎ、ｄｅｖ、ｅｔｃ、ｌｉｂ、ｐｒｏｃ、ｓｂｉｎ、ｒｏｏｔ、ｔｍｐ等一系　列必备的目录，然后把所需的配置文件、动态函数库　放到相应的目录。最后可以使用ｍｋｙａｆｆｓｉｍａｇｅ命令　把整个配置好的目录制作成一个ｙａｆｆｓ格式的根文　件系统映像。　２．２．３移植嵌入式图形用户系统　ＭｉｎｉＧＵＩ最初是为了满足一个工业控制系统　（计算机数控系统）的需求而设计和开发的，它在设　计之初就考虑到了轻量级、高性能和高效率，因此比　较适合测控领域的简单应用［３１。在嵌入式数控机床　控制系统中采用ＭｉｎｉＧＵＩ作为人机接口界面。其主　要由函数库、资源、示例程序三部分组成，在对　ＭｉｎｉＧＵＩ进行移植时也就要对这三部分分别进行移　。　２０１２年第１７卷第１期　２０１２　Ｖ０１．１７　Ｎｏ．１　植［３１。由于ＭｉｎｉＧＵＩ项目使用了自由软件常用的　“ａｕｔｏｔｏｏｌｓ”工具进行管理，因此其配置和编译非常简　单。进入ＭｉｎｉＧＵＩ源代码树，运行ａｕｔｏｇｅｎ．ｓｈ脚本文　件，该文件可以简单地重新生成所有与配置相关的　文件，然后配置ＭｉｎｉＧＵＩ，加上启动交叉编译的选　项，关键有如下几个选项：　ＣＣ＝ａｒｍｖ４Ｉ－ｕｎｋｎｏｗｎ－ｌｉｎｕｘ－ｇｃｅ　——ｈｏｓｔ＝ａｒｍ．．ｈｎｕｘ　—ｂｕｉｌｄ＝ｉ６８６一ｐｃ—ｌｉｎｕｘ—ｇｎｕ　－ｐｒｅｆｉｘ＝／ｈｏｍｅ／Ｍｉｎｉｇｕｉ　——ｅｎａｂｌｅ．．－ｌｉｔｅ　其中ａｒｍｖ４Ｉ—ｕｎｋｎｏｗｎ—ｌｉｎｕｘ—ｇｃｃ是ＡＲＭ的交　叉编译器，Ｈｏｓｔ指定了目标机类型，ｂｕｉｌｄ指定了交　叉编译的系统环境，Ｐｒｅｆｉｘ指定了ＭｉｎｉＧＵＩ安装的　函数库、头文件和手册页等资源的安装路径，　ｅｎａｂｌｅ—ｄｉｒｅ指定将ＭｉｎｉＧＵＩ配置为Ｌｉｔｅ版本。关于　其他的配置选项可以根据应用的特殊要求来打开或　者关闭，这些配置选项的详细说明可以参考飞漫公　司提供的《ＭｉｎｉＧｕＩ用户手册》。　２＿３应用软件设计　嵌入式数控机床控制系统应用软件采用模块化　程序设计的方法，根据应用系统的需求，程序主要由　串口数据传输、步进电机控制，代码解释，插补算法　等模块构成。每个模块完成的功能，并且各个模　块之间可以函数接口实现数据通信和共享。完整的　应用软件结构，如图６所示。　一　——＝—＝—　——————————Ｊ　—＝—　—————一　ｌ　图形用户界面模块　ｌ　————：＿＝　——————　＝＿＿＝——————一　厂————————　～　’厂：——————＿—＿—＿——］　｝数据传输模块ｌ　｝步进电机控制模块ｌ　图６应用软件结构图　图形用户界面（ＧＵＩ）作为用户和数控机床进行　交互的媒介，是整个系统输人和输出控制的核心，因　此一个好的数控系统必须提供简单易用的图形用户　界面。完整的嵌入式数控机床控制系统ＧＵＩ结构如　图７所示。ＧＵＩ主要功能介绍如下。　程序编辑：ＮＣ程序的编辑、管理　参数设置：各种参数的设置　位置显示：位置坐标和状态参数显示　ＭＤＩ：手动数据输入（ＭＤＩ）方式　图形模拟：加工过程的图形仿真　蒋洪。等　基于ＡＲＭ嵌入式技术的数控机床控制系统的研究　出错信息：ＮＣ程序出错信息的显示、报警　控制命令：加工控制命令，如起、停、复位等。　图９　１６电极ＥＲＴ图像重建结果　图７图形用户界面结构图　４．结语　本课题主要深入研究了基于ＡＲＭ平台的嵌入　３．系统测试评估　式Ｌｉｎｕｘ操作系统。在此基础上构建一个具有加工　代码检查分析、插补计算、插补输出、加工异常处理　嵌入式数控机床控制系统开机运行ＭｉｎｉＧＵＩ主　等多功能模块的嵌入式控制系统。该嵌人式数控机　程序，显示用户操作主界面。该数控系统可以进行参　床控制系统平台可以满足嵌入式系统的实时性要　数的设置、Ｇ代码的编程和执行、手动操作、图形模　求，功能可以扩展和裁减，易移植，应用的范围广阔，　拟显示等操作。通过嵌入式平台的ＵＡＲＴ接口与执　具有很好的前景，对建立中国自己的工业控制体系　行控制系统进行连接，可实现对机床的实时控制。　将具有积极的意义。　在测试实验中，本文采用了如图８所示的运动　模型作为测试，使用嵌入式数控机床控制系统实现　【参考文献］　对机床的控制。运行结果如图９所示：　［１】郭　磊．基于ＡＲＭ的嵌入式线切割系统设计与实现［Ｄ１．南　昌大学硕士学位论文，２００８．　【２】桑彦宁，韩强等．基于ＭｉｎｉＧＵＩ的嵌入式电加工数控系统　图形界面设计ｆＪ１．航空精密制造技术，２００９，（６）．　【３】吴文君，顾琳．徐笠云等．基于ＡＲＭ及嵌入式Ｌｉｎｕｘ的线　图８　１６电极ＥＲＴ图像重建结果　切割数控系统开发『Ｊ］－制造业自动化，２００９，（２）．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＣＮＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＪＩＡＮＧ　Ｈｏｎｇ　ＬＥＩ　Ｙｕｎ—ｌｉ　（Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００７，Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｂｉｇ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．Ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ９．ａ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．Ｗｉｔｈ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ａ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｔｏｆ肿．ＭｉｎｉＧＵＩ　ｉＳ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ。ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ—ｂａｓｅｄ　ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｗｏｒｋａｂｌｅ，ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ＡＲＭ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ；Ｌｉｎｕｘ；ＣＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏ