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- 男
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1 引言
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势[1-2]。
随着科学技术和生产工艺的进步，数控系统的实现方案也越来越多，目前的数控系统，比较常见的实现方案有以下几种：基于PLC 控制器﹑基于运动控制卡﹑基于运动控制芯片﹑基于单片机。对于复杂的，大中型的数控系统而言，基于PLC 的运动控制方案，基于运动控制卡的控制方案或者基于运动控制芯片的控制方案是比较适合的解决方案，总能在性能和价格上找到一个平衡点；而对于中小型的系统，比如双轴控制系统，方案的选择比较困难，基于控制卡这样的解决方案显得造价偏高，基于单片机控制这样的解决方案，性能又很难得到保证。
本文正是基于这样一个现状而进行的研究，其主要目的就是设计出一个用于中小型数控系统的高性价比，高灵活性，并具有较强扩展性的数控平台。为中小型数控系统的开发提供切实可行的解决方案。
2 系统方案设计
2.1 系统框图
就一般数控系统而言，其应用需求主要包括人机交互和控制两个大的部分，本系统在此之上又增加了系统扩展模块，系统设计框图如图1 所示。
图1 系统设计框图
2.2 选型分析
主要对“嵌入式处理器选型”，“双ARM 控制器架构”和“脉冲发送方案”进行分析。
(1) 嵌入式处理器选型
嵌入式系统硬件的核心部分是各种类型的嵌入式处理器，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000 多种，流行体系结构有30 多个系列。寻址空间一般从64KB 到64MB，处理器速度从0.1MIPS 到200MIPS，字长从8 位、16 位、到32 位。
目前比较流行的嵌入式处理器主要是8 位的C51 核的单片机和32 位的高性能处理器，通常情况下51 核的单片机可寻址空间为64kB，机器周期为晶振的12 分频，其应用范围主要是速度要求不严格，代码容量要求低的简单嵌入式控制系统。32 位的高性能处理器目前主要有PowerPC、68K、MIPS、ARM 等系列，而这其中ARM 控制器则是凭借其功耗低、性价比高、代码密度高三大特色成为行业公认的嵌入式RISC 处理器标准。鉴于上述比较，最终选择了ARM 系列的控制器。
(2) 双ARM 控制器选型依据
在本系统中使用了两片ARM 控制器，一片专门负责人机交互和参数存储以及系统扩展等操作，另一片则专注于控制。这样选取主要有两个原因：第一，目前最常用的单色LCD 控制器SED1335 的数据传输速度相对于ARM 芯片来讲显得十分缓慢，经过初期的计算和实际测量，刷新一屏320*240 点的图片最快需要130ms 左右，所以在显示任务繁重的时候其它任务的实时性很难保证，LCD 屏显示的速度成为整个系统的瓶颈。解决这个问题有两种方案：选择一款片内集成LCD 控制器的微控制器或者使用两片微控制器分别负责人机交互和控制。一般情况下，集成LCD 控制器的微控制器价格普遍偏高，因此采取了第二种解决方法，并且通过职责分开，另一片CPU 专门负责控制，大大提高了系统的实时性，可以满足更为苛刻的系统需求。第二个原因：通过职责分开，增加了系统设计的并行性和修改的灵活性。在设计控制程序的同时其它模块的设计工作可以同时进行，并且两个部分可以单独调试，互不影响。同时，当需要修改系统功能时，可以只对相关的控制器一侧进行改动，不会影响另一侧的控制器功能，从而使功能修改变得简单易行。
(3) 脉冲发送模块硬件选型
本系统中的脉冲发送模块并没有使用专用的电机控制芯片，比如MCX314。其主要原因是这类芯片价格高昂。因为系统控制部分由专职处理器负责，因此系统的性能并不会因此而降低。 |
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