基于嵌入式linux的数控系统软件设计 计算机系统, 计算机技术, 系统软件, 数控技术, 数控车床

yuchengze

引言
    数控技术是发展尖端工业的使能技术和基础装备，数控系统作为数控车床的大脑，其性能直接影响甚至决定着机床的整体性能。数控机床既是高新技术专业不可缺少的基础装备，又是传统产业更新换代的重要手段。随着半导体技术的飞速发展，数控系统逐渐朝嵌入式方向发展。嵌人式系统是近年发展最快的技术之一，它是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。目前市面上主流的经济型数控系统如广州数控的GSK980TDb和北京凯恩帝K90Ti等都是使用了ARM处理器构建的嵌入式数控系统。
    本数控系统硬件平台分为两大组成部分:ARM子系统和FPGA子系统，采用主从式的两级插补结构。ARM子系统采用三星S3C24I0处理器，主要用于粗插补计算，以及键盘、显示和D/A转换等管理工作。FPGA子系统采用Altera公司的ACEX系列芯片，主要负责系统的精插补脉冲输出、编码器脉冲计数以及I/O控制等工作。
    本数控系统软件部分采用Xenomai实时化方案改造标准Linux内核，构建基于Xenomai的实时嵌入式操作系统。Xenomai/Linux系统为用户程序提供了内核空间和用户空间两种模式，前者通过系统调用接口实现，后者通过实时内核实现。用户空间的执行模式保证了系统的可靠性和良好的软实时性，内核空间程序则能提供优秀的硬实时性。
1 系统硬件模块设计
    数控系统开发的关键是软件部分，为缩短系统开发周期，本系统尽量采用模块化设计，积极利用市场现有的成熟技术。该数控系统按功能模块构架设计，大致划分为如下几个模块:
    控制模块:控制模块的主处理器采用市面上流行的三星S3C2410处理器，片上运行嵌人式Linux+Xenomai操作系统，负责信息存储、LCD显示、串口传输、USB接口的处理，实现译码、文件系统、图形显示和PLC等功能。控制模块采用市面流行的MINI2440开发板实现控制功能，该开发小板集成了三星S3C2440微处理器、并使用两片外接的SDRAM芯片，两片共64Mb并连在一起形成32位的数据总线宽度;配备2Mb的NOR FLASH和128Mb的NAND FLASH，支持两种FLASH启动，有利于开发阶段的调试和系统文件的烧写。
    键盘模块:采用AVR单片机，负责键盘扫描、LED灯点亮等信号处理，通过串行口与ARM进行通信。
    FPGA模块:该模块采用AITERA的FPGA控制。负责输入输出接口控制、编码器反馈和机床I/O信号处理。FPGA模块与键盘模块一起集成设计在核心板上，采用4层板设计，留出各个JTAG接口，利于集中调试和烧写。
    电源及接口模块:该模块主要用于核心板和控制板的供电及I/O接口处理。该模块设置在I/O接口板上，该板同样采用4层板设计，配置各种外部连接和调试插头。