0 前言

　　隨著計算機技術(shù)與現(xiàn)代通訊技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代高性能電子產(chǎn)品層出不窮，對電子產(chǎn)品提出了“輕、薄、短、小”的要求。超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使PCB(印刷電路板PrinCed Circuit Beard)制作工藝朝著高密度、多層化等方向發(fā)展，對PCB的加工工藝及其數(shù)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求。對此，國內(nèi)外開發(fā)了各種功能的數(shù)控系統(tǒng)，其中有功能強大、系統(tǒng)復(fù)雜且適合于網(wǎng)絡(luò)化加工的計算機數(shù)控系統(tǒng)，以及基干單片機的簡易數(shù)控系統(tǒng)等。計算機數(shù)控系統(tǒng)成本高，只適合于大規(guī)模的PCB生產(chǎn)。單片機數(shù)控系統(tǒng)過于簡單，性能單一，應(yīng)用范圍窄。針對上述情況，本文提出開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。對數(shù)控技術(shù)進行攻關(guān)，取得突破與經(jīng)驗，可以提高我國CNC鉆銑床技術(shù)的水平，推動電子工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步，振興我國的PCB工業(yè)。

1 基于ARM的數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)功能要求

　　本系統(tǒng)是基子ARM砰臺、uClinu讀時操作系統(tǒng)設(shè)計而成的一個開放式數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計目的是對PCB11A工過程進行實時的數(shù)字控制，因此該系統(tǒng)必須滿足以下幾點要求:具有強實時性;具有簡單友好的操作界面;具有高度的模塊化結(jié)構(gòu)，易干更換或添加新功能:刀具庫功能支持;數(shù)控代碼的編輯、譯碼與仿真功能;PCB加工文件的編輯、管理:各種機器參數(shù)的管理、設(shè)置;加工過程的圖形實時顯示:加工過程中出錯信息的顯示、報警;直觀、快捷的對板、找原點功能;加工過程控制命令，如起停、復(fù)位等。

　　1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計及分析

　　嵌入式控制器采用32位ARM7微處理器，用干平臺上層管理CPU;SM5004用于實現(xiàn)運動控制功能，與ARM--起形成一個完整的應(yīng)用平臺:RS232作為通信口和上位機通訊;IIC接口用于連接ZLG729(鍵盤和存儲系統(tǒng)參數(shù)及刀具參數(shù)的EEPROM；CF卡用于加工文件的讀取;顯示接口用于驅(qū)動LCD掖晶顯示器；4MFLASH(SST39VP3201)用作程序存儲空間，包含ARM對周邊器件端口的驅(qū)動和操作，當(dāng)AF位后，從此FLASFH中讀取指令執(zhí)行:16M的SRAM (IS61LV51216)用于程序的運行空間;以太網(wǎng)口用于網(wǎng)絡(luò)通訊。

　　系統(tǒng)的軟件將根據(jù)對實時性要求的不同分為非實時域軟件和實時域軟件。這樣，整個系統(tǒng)就由非實時任務(wù)部分、實時任務(wù)部分和硬件部分組成，箭頭表示由系統(tǒng)進程間通訊和實時通訊機制實現(xiàn)的軟件數(shù)據(jù)流。非實時任務(wù)部分由圖形用戶界面模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、譯碼模塊等組成，這些任務(wù)具有較低的優(yōu)先級，運行在系統(tǒng)的用戶空間。實時任務(wù)部分由插補模塊、刀補模塊、故障診斷模塊、速度控制模塊、位置控制模塊等組成。這部分任務(wù)要求較高的優(yōu)先級。運行在實時內(nèi)核空間。

2 基子ARM的數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　在上面建立的基于ARM的PCB工數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，下面介紹主要的系統(tǒng)硬件部分的元器件、設(shè)備等的選型與設(shè)計。

　　2.1 ARM處理器的選擇

　　基于ARM體系結(jié)構(gòu)的3啦系統(tǒng)占領(lǐng)了2位嵌入式系統(tǒng)的大部分。但長期以來，基于ARhr體系結(jié)構(gòu)的32位系統(tǒng)僅在嵌入式系統(tǒng)的高端等場合使用，要么以專用芯片的面貌出現(xiàn)，要么以微處理器的面貌出現(xiàn)，并沒有出現(xiàn)性價比高的通用微控制器。本文采用性價比高的LPC2210芯片。

　　2.2 運動控制器與ARM的連接

　　SNf5004是以單一芯片而可控制毖嫩的脈沖序列輸入之伺服馬達、步進馬達的運動控制芯片，可以進行各軸獨立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進行圓弧、直線、位方式插補。

　　SM5004云動控制芯片能與8/16位立數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧、位元琳模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4MHZ。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設(shè)置為恒速、線性、非對稱S曲線加/減控制、非對稱梯形加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制口在同等的性能指標(biāo)下SM5004的價格遠低干同類產(chǎn)品，因此本課題選用SM5004實現(xiàn)運動控制功能。

　　2.3 FLASH與ARM的連接

　　根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，uClinux和應(yīng)用程序編譯后的內(nèi)核大約為3.1M左右，因此選擇4M的SST39VF640型FLASH。

　　2.4 ARM與EEPROM的接口

　　EEPROM是非易失性存儲器，所以系統(tǒng)用它來存儲一些斷電需要保護的參數(shù)以及刀具尺寸、壽命、刀號、刀具進刀率等參數(shù)。系統(tǒng)采用ATMEL公司的IIC妾口的EEPROM。

　　2.5 以太網(wǎng)接口與ARM的連接

　　SMS9113同時具備MAC層和PHY物理接口功能芯片，它使用中斷通知LPC22l嗽據(jù)的發(fā)送和接收。LPC2210是使用nGCSI和數(shù)據(jù)地址線訪問SMSC911拍勺內(nèi)部寄存器和緩沖區(qū)。TS6121是隔離變壓器，板上的LED和LED指示燈分別表示100Mb/s鏈路正常和網(wǎng)絡(luò)接收發(fā)送。

3 基干ARM的數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計

　　3.1 圖形用戶界面模塊設(shè)計

　　圖形用戶界面(GUI)是用戶和數(shù)控機床進行交互的媒介，因此一個好的數(shù)控系統(tǒng)必須提供良好的人性化的圖形用戶界面，MINIGUI是為了滿足一個工業(yè)控制系統(tǒng)的需求而設(shè)計和開發(fā)的。在設(shè)計之初就考慮到了小巧、高性能和高效率口因此，MINIGUI是一個非常適合于工業(yè)控制實時系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)的可定制的、小巧的圖形用戶界面支持系統(tǒng)口本文在設(shè)計基干ARM動開放式數(shù)控系統(tǒng)時采用MINIGUI開發(fā)系統(tǒng)的人機交互界面。

　　3.2 基干MINIGUI的數(shù)控系統(tǒng)GUI設(shè)計

　　3.2.1創(chuàng)建窗口

　　MiniGUI窗口的建立過程與Windaw程序基本類似，不過也有一些差別。在Windows程序中，在建立一個主窗口之前，程序首先要注冊一個窗口類，然后創(chuàng)建一個屬于該窗口類的主窗口。MiniGUI卻口沒有在主窗口中使用窗口類的概念。在MiniGUI程序中，調(diào)用CreaCeMainWindow 0函數(shù)建立主窗口，建立主窗口之后，程序?qū)⑦M入消息循環(huán)。

　　3.2.2 創(chuàng)建控件

　　MiniGUI提供了常用的預(yù)定義控件類，包括按鈕、靜態(tài)框、列表框、進度條、滑塊、編輯框等。也可以定制自已的控件類，注冊后再創(chuàng)建對應(yīng)的實例。控件的創(chuàng)建有兩種方式:一種是在對話框模板中指定控件，這樣，當(dāng)應(yīng)用程序啟動該對話框時，系統(tǒng)自動創(chuàng)建指定控件:另一種方式是調(diào)用Crea Lewindow 0函數(shù)來創(chuàng)建控件，通過指定要生成的控件的窗口類型來生成所需控件。

　　3.2.3 創(chuàng)建對話框

　　在MiniGUI中，對話框是一類特殊的主窗口，這種窗口一般只關(guān)注與用戶的交互。對話框可以分為模態(tài)對話框和非模態(tài)對話框，模態(tài)對話框顯示之后，用戶就不能再切換到其他主窗口進行工作，而非模態(tài)對話框就沒有這樣的限制。

　　3.3 插補模塊設(shè)計

　　插補是整個數(shù)控系統(tǒng)軟件的核心任務(wù)。插補是指根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，如線性、二次或高次函數(shù)，在理想軌跡或輪廓上的己知點之間確定一些中間點的方法。

　　對于數(shù)控系統(tǒng)而言，插補概念“確定中間點”的體現(xiàn)就是用簡單幾何段對工件輪廓進行逼近。被加工工件的輪廓形狀千差萬別，各式各樣，而由于機床結(jié)構(gòu)和伺服裝置特性的限制，只能控制刀具走簡單線段，所以必須用多個簡單線段去逼近工件的實際輪廓口數(shù)控系統(tǒng)中的插補，就是根據(jù)輸入的有限坐標(biāo)點，運用一定的算法，在有限坐標(biāo)點之間生成一系列的插補點，使得插補點之間為可以控制實現(xiàn)的簡單線段口這樣，數(shù)控系統(tǒng)通過控制實現(xiàn)一系列簡單線段的進給，完成對于工件輪廓的逼近。顯然，“逼近”的程度是由甸個進給段的長度決定的，進給段的長度越小，逼近程度越高，加工誤差就越小。

　　3.4 實時軟件部分設(shè)計

　　uClinux是為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，它本身并沒有更多地關(guān)注實時問題。uClinux經(jīng)過小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux,并保留了Linux大多數(shù)的優(yōu)點。它專門針對無MMU的CPU，去除了普通Linux內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存管理部分?？紤]到開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求，在系統(tǒng)設(shè)計時將RTA環(huán)uClinux相目結(jié)合，采用雙內(nèi)核的設(shè)計方案，既滿足了嵌入式應(yīng)用的需求，又保證了系統(tǒng)的硬實時性。

　　系統(tǒng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)是硬件抽象層，通過硬件抽象層進行硬件管理，把基本內(nèi)核和實時內(nèi)核結(jié)合在一起，其中一個內(nèi)核的改變，不會影響另一個內(nèi)核的執(zhí)行口基本內(nèi)核和實時內(nèi)核(RTAI)分別處理非實時和實時任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行，而實時任務(wù)和非實時任務(wù)之間信息的交換要通過管道(FIFO)或共享內(nèi)存(MBUFF)來實現(xiàn)口

　　3.5 故障診斷模塊設(shè)計

　　數(shù)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以一旦發(fā)生故障，原因很難確定，結(jié)果難以及時排除故障，往往造成嚴重的經(jīng)濟損失。為了盡量減少故障發(fā)生，通常在鉆銑加工前，要對機床及其附屬設(shè)備的性能進行檢測口在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，設(shè)計了一個輔助管理菜單，里面包含了機器自檢、斷電保護、機器部件測試、主軸轉(zhuǎn)速自檢等功能。這些功能有效的保障了系統(tǒng)的正常運行，提高了系統(tǒng)的工作效率，節(jié)約了加工成本口

　　3.6 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

　　本系統(tǒng)憑借uClinux的網(wǎng)絡(luò)功能支持，可以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能。整個系統(tǒng)包括三個層次:①車間內(nèi)設(shè)備的集成、②制造企業(yè)內(nèi)計算機通訊和資源的共享、③基于WWW的企業(yè)乃至全球范圍內(nèi)的信息集成與共享。車間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)用網(wǎng)線和集線器連接，它們之間關(guān)系平等，可以共享多種信息和各種軟、硬件資源，通過車間服務(wù)器有效地調(diào)動它們，使制造過程最優(yōu)化。企業(yè)通過專門的服務(wù)器在Internet上發(fā)布相關(guān)的網(wǎng)頁，給遠程用戶提供CAD/CAPP等技術(shù)支持，也可以對遠程伙伴的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)分配任務(wù)，在網(wǎng)上動態(tài)地進行加工任務(wù)的協(xié)調(diào)。

4 結(jié)束語

　　本文采用LPC2210和SMS5004構(gòu)造的開放式數(shù)控系統(tǒng)，建立了一種新型的模塊化、可靠性高、成本低、便攜的數(shù)控系統(tǒng);采用了開放源碼的uClinux操作系統(tǒng)，其開發(fā)資源豐富，為后繼的系統(tǒng)功能擴展奠定了較好的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的研究成果和方法能成功的推廣應(yīng)用到其他數(shù)控領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景和杜會經(jīng)濟價值。