（计算机应用技术专业论文）基于linux的嵌入式数控系统底层软件设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 数控系统是一个复杂的控制系统，特别对于高端的数控系统，它不仅仅要求数控机床 具有高加工精度、高可靠性和对复杂曲线的计算能力，而且也要求能给用户提供人性化的 操作界面，因此，数控系统是一个计算机科学和机电系统相结合的复合体。 本研究课题以北京航空航天大学为广州数控设备有限公司研发的五轴数控系统作实践 平台，本论文以该五轴数控系统为出发点，研究基于l i n u x 的嵌入式数控系统底层软件设 计。该数控系统采用a r m + f p g a + d s p + l i n u x 嵌入式体系架构，在a r m 平台上，移植 了l i n u x 操作系统，采用m i n i g u i 提供人机交互界面。 在嵌入式数控系统中，底层软件起着承上启下的作用，是下层硬件电路和上层应用程 序( 如：插补、译码等) 之间的纽带，底层软件的方案关系到电路的设计方法，其方案的 优劣，又关系到上层应用程序的稳定性和执行效率，因此底层软件在整个系统中有着重要 的地位。本文从以下四个方面阐述该数控系统底层软件的设计。 一、数控系统是一个多任务和强实时性并存的系统，在目前的数控系统中，对此问题 的解决方案主要有r t l i n u x 操作系统和l i n u x + d s p 两种。本文从内存管理、进程调度等 方面深入分析了l i n n x 和r t l i n u x 的优劣，论述了l i n u x + d s p 方案的可行性，并详细阐 述了强实时性和弱实时性模块的划分方法。 二、为了使弱实时性模块和强实时性模块能分别在a r m 和d s p 上协调运行，本文分 析了d s p h p i 和a r m 的硬件接口，根据d s p h p i 的访问时序，设计出a r m 和d s p 的软 件通讯方案。 三、为了给用户提供良好的人机交互界面，在l i n u x 系统中移植了m i n i g u i 作图形界 面。本文分析了m i b i g u i 与硬件的接口原理，从人机接口硬件设计出发，阐述了m i n i g u i 的移植，以及相应的l i n u x 底层驱动的实现方法。 四、f p g a 是a r m 、d s p 与伺服驱动器之间的桥梁，本文详尽论述了f p g a 控制逻辑 的实现，通过f p g a ，实现a r m 和d s p 对伺服驱动器等进行闭环控制。 本文所论述的a r m + f p g a + d s p + l i n u x 体系架构，突破了以前的a r m + f p g a + r t l i n u x 体系架构的局限，增强了系统功能，加强了插补运算能力，可适用于大小加工中 心数控系统。目前，该五轴数控系统控制部分的软硬件开发工作已基本完成，现处于完善 阶段。 关键词：l i n u x 数控p x a 2 7 0d s pf p g a 驱动程序 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c n ci sa c o m p l e xc o n t r o ls y s t e m ，e s p e c i a l l yf o ra d v a n c e dc n c i ti sn o to n l yr e q u i r e dt h a t t h e r ea r eh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o n 、h i g hr e l i a b i l i t ya n dt h ec a l c u l a t i n ga b i l i t yf o rc o m p l e xc u r v e s ， b u ta l s ot h a tp e r s o n a la n do p e r a b l ei n t e r f a c ei so f f e r e d t h e r e f o r e c n cs y s t e mi sac o m p l e x c o m b i n a t i o no f c o m p u t e rs c i e n c ea n de l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a ls y s t e m s 耽ep a p e ri sb a s e do n5 - e x i sc n cs y s t e mw h i c hi sd e v e l o p e db yb e i h a n gu n i v e r s t yf o r g s k c n c e q u i p m e n tc o ，l t d b a s e do n5 - a x i sc n cs y s t e m ，t h eb o t t o ms o f t w a r ed e s i g no f e m b e d d e dc n ci ss t u d i e di n t h i s p a p e r 1 1 1 ec n ch a su s e da r m + f p g a + d s p + l i n u x e m b e d d e ds t r u c t u r e l i n u xi sp o r t e di n t oa r ma n ds c h e d u l e sp r o c e s s o rt ow o r k m i n i g u ii s o f f e r e da st h eg u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) i nt h ee m b e d d e dc n c ，t h eb o t t o ms o r w a r eh a su n d e r t a k e nt h er o l et oc o n n e c ta p p l i c a t i o n s o f t w a r e ( f o re x a m p l e ，i n t e r p o l a t i o n 、c o d i n gc t e ) w i t hh a r d w a r e t h ed e s i g no f b o t t o ms o f t w a r e r e l a t e st ot h ed e s i g nm e t h o d so ft h ec i r c u i t w h e t h e rt h ed e s i g ni sg o o do rn o tr e a l a t e st ot h e s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h eu p p e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h e r e f o r e ，t h eb o t t o ms o f t w a r ei sv e r y i m p o r t a n ti nt h ee n t i r es y s t e m n ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no f t h eb o t t o ms o f t w a r ef r o mf o u r a s p e c t 8 1 、c n ci sas y s t e mt h a tm e e t sm u l t i t a s k sa n ds t r o n gr e a l t i m e i nt h ec n cs y s t e m s n o w a d a y s ，t h e r ea r et w od e s i g n st os o l v et h ep r o b l e m ，w h i c ha r er t l i n u xa n dl i n u x + d s en 持 p a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt h el i n u xa n dr t l i n u xf r o mm e m o r y m a n a g e m e n t 、s c h e d u l eo ft h ep r o c e s s o re i c 。t e l l st h ef e a s i b i l i t yo fl i n u x + d s p , a n di n t r o d u c e s t h ep a r t i t i o nm e t h o d so f s t r o n gr e a l t i m em o d e l sa n dt h ew e a kr e a l t i m em o d e l s 2 、i no r d e rt om a k et h es t r o n gr e a l t i m em o d e l sa n dt h ew e a kr e a l t i m em o d e l sw o r kw e l lo n a r ma n dd s p t h ep a p e ra n a l y z e st h eh a r d w a r ei n t e r f a c eb e t w e e nd s ph p ia n da r m a c c o r d i n g t ot h ea c c e s s i n gm e t h o d , s o f t w a r ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e mi sd e s i g n e d 3 、i no r d e rt oo f f e ru s e r st h ee x c e l l e n tg u lm i i l i g u ii sp o r t e dt ol i n u xo sa sg u i t h c p a p e ra n a l y z e st h ei n t e r f a c ep r i n c i p l e sb e t w e e nm i n i g u ia n dh a r d w a r e f r o mt h eh a r d w a r e d e s i g no f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h et r a n s p l a n to f m i i l i g u ia n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o do f l i n u x d r i v e r sa r ei n t r o d u c e d 4 、f p g ai sab r i d g eb e t w e e nd s pa n ds e r v e rm o t o r s t h ep a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i l sh o wt o d e s i g ne a c hc o n t r o ll o g i c a lm o d e li nf p g a t h r o u g hf p g a , a r ma n dd s p c a nc o n t r o ls e r v e r m o t o r sb yc l o s e dl o o p t h ca r m + f p g a + d s p + ij m s t r u c t u r ei n t r o d u c e di n t h ep a p e rb r e a k s t h r o u g ht h e l o c a l i z a t i o no fa r m + f p g a + r t l i n l l 】【a n de n h a n c e st h es y s t e mf u n c t i o na n dt h ei n t e r p o l a t i o n c a l c u l a t i o na b i l i t y n 忙s t r u c t u r ec a nb ea p p l i e dt ov a r i o u sm a c h i n i n gc e n t e r n o w a d a y st h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f5 - a x i sc n cs y s t e mp r i m a r i l yc o n f o r m st os y s t e mr e q u i r e m e n t a n d n o wi ti su n d e rt h ep e r i o do f b e i n gp e r f e c t e & 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 k e y w o r d s ：l i n u x ，c n c ，p x a 2 7 0 ，d s p ，f p g a ，l i n u x d r i v e r 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章引言 1 1 研究意义 自1 9 5 2 年诞生第一台数控机床起，数控机床的发展经历了数字控制( n c ) 、计算机数字 控制( c n c ) 两个阶斟“。数控系统也从第一代采用电子管起，历经了采用晶体管、小规模 集成电路、小型计算机技术，到1 9 7 4 年左右发展到采用微处理器的专用n c 阶段。9 0 年代 初期，数控系统迸入基于p c 机的阶段。基于p c 机的数控系统( c n c ) 又分为以下几种类 型【2 】： ( 1 ) p c 机嵌入n c 型 在传统的专用n c 中简单地嵌入p c 技术，n c 可以共享一些计算机的软硬件资源，而 计算机只参加辅助编程、分析、监控、生产管理和工艺编制等工作。由于这种数控系统的 n c 部分仍是专用结构，用户无法进入数控系统的核心，所以属于初步开放的数控系统。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型 这是完全采用p c 机为硬件平台的数控系统，运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 功能由配有专用控制芯片的独立的运动控制器完成，通常以p c 插件( 符合i s a 或p c i 总线 标准) 形式的硬件或通过网络连接的嵌入式系统实现。运动控制软件由n c 生产厂商设计， 用户无法修改。只是n c 的上层软件( 数控语言解释器人机界面等) 以p c 操作系统( 例如： w i n d o w s ) 为平台，因此这种数控系统只是在上位机层面上实现了开放性【3 】。 o ) 全软件型 这是完全采用p c 机软件控制的一种数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实 现，这是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户最大的选择和灵活性，已经 成为新一代c n c 的主流。 众所周知，目前最常用的w i n d o w s 桌面操作系统是多线程、抢先多任务的3 2 位操作 系统，实时性比较差。而实时控制又是数控系统的关键所在，它决定了数控机床的加工速 度和加工精度。因此有些数控系统采用原始的d o s 操作系统作为软件平台，可以满足一 般的实时性要求。但是，运行在实模式下的1 6 位单任务的d o s 操作系统没有发挥出3 2 位p c 机的优势，而且应用程序受6 4 0 k 内存限制，并可直接对硬件操作，系统可靠性也很 难保证f 4 】。而目前市场上基于w i n d o w s 的实时操作系统( 或软件) ，如w i n d o w s c e n e t 等 的价格又比较昂贵，不利于在数控机床行业的普及。 随着电子技术的飞速发展，数控系统逐渐朝嵌入式方向发展。嵌入式系统是近年发展 最快的技术之一，它一般由微电子芯片和嵌入在存储器里的操作系统等构成。嵌入式系统 历经了8 位单片机到1 6 位、3 2 位处理器的过程【习。如今以3 2 位嵌入式处理器的嵌入式系 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 统，不但发挥了成本低、体积小的特点外，还提高了集成度和可靠性，再配以具有浮点运 算功能的d s p ，能够在性能方面接近p c 机的数控系统，而成本方面比p c 机低的多【6 】。因 此，最近几年嵌入式数控技术开始在数控领域崭露头角。 另外，从数控系统发展的规律以及市场上的系统来看，走嵌入式系统的道路是个正确 的选择。世界上著名的系统厂商都采用嵌入式系统的道路：如f a n u c 、西班牙f a c t o r 、 日本松下、法国n u m 、西门子采用p c 机，但是核心模块，还是采用嵌入式结构，p c 只 实现系统的管理和界面功能1 7 1 。现在很多厂商相继推出了带有p c 的数控系统，但是核心 模块还是基于嵌入式的，因为p c 的可靠性很难保证，尤其在工业现场。嵌入式系统从系 统设计到生产制造，都有一套可以保证可靠性的手段，能从根源保证系统的可靠性。 目前的数控系统的操作系统平台，除了专用操作系统外，通用操作系统绝大多数使用 的都是d o s 或w i n d o w s ，这两种操作系统用于c n c ，尚有不少欠缺。d o s 本质上是一种 单任务操作系统，在d o s 下的多任务只能通过中断技术来实现。而且d o s 的系统接口简 单，造成软件的低水平重复开发，代码复用率低。而w i n d o w s 平台的不稳定性和非实时性 使其无法很好的用于工业控制。近几年，l i n u x 操作系统以其真正的多任务、源代码全开 放、极佳的稳定性、虚拟内存、共享库、按需求裁减、优秀的内存管理以及强大的网络支 持功能风靡全世界，在我国更是有过之而无不及。l i n u x 作为u n i x 系统的一个变种，在 继承了u n i x 稳定、开放、易于移植等优点的同时，源代码对用户是完全公开的【羽。 但是基于l i n u x 的数控系统正处于起步阶段，因此，无论在理论层面还是在技术层面， 都有许多问题值得探索和研究。本课题所研究开发的系统是在l i n u x 操作系统平台下的五 轴数控系统，在该系统中采用t i 公司的d s p 芯片做刀具运动差补运算【9 】，l a t t i c e 公司的 f p g a 做驱动器的闭环控制【l o 】，利用p x a 2 7 0 处理器协调控制以及提供用户操作界面。 1 2 国内研究现状 我国在9 0 年代中期已开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研发，代 表产品有华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。它们均是以p c 为平台，使用w m d o w s 9 5 或者w i n d o w sn t 操作系统，构成的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽有一定的开放 特性，但还不具备开放式数控系统的本质特征，主要问题在于没有解决开放式数控系统的 平台问题。各系统所采用的体系结构仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，其开 放性仍停留在p c 平台的开放层次上。其次是软件开发思想与技术落后，没有充分利用面 向对象、软件重用等软件工程的新理论、新技术1 1 2 】。 目前，国内对开放式数控系统的研究形成了以下几个方向：基于嵌入式软件的开放式 数控系统；基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统；基于w i n d o w s 的开放式数控系 统；基于c o m 组件技术的开放式数控系统等。 国内的数控系统大多用微机和工控机实现。在我国自主开发的数控系统里，比较著名 产品如下【1 3 】： 1 、华中数控系统有限公司的华中i 型( h n c 1 ) 高性能数控系统，以通用工控机为核心 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 的开放式体系结构，系统采用基于通用3 2 位工控机和d o s 平台的开放式体系结构，可充 分利用p c 的软硬件资源，二次开发容易，易于系统维护和更新换代、可靠性好。独创的 曲面直接插补算法和先进的数控软件技术。处于国际领先水平的曲面直接插补技术，将目 前c n c 上的简单直线、圆弧差补功能提高到曲面轮廓的直接控制，可实现高速、高效和 高精度的复杂曲面加工。采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，具有三维仿真、 校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。 2 、华中数控系统有限公司的华中- 2 0 0 0 型高性能数控系统，该系统是在国家八五科技 攻关重大科技成果华中i 型( h n c 1 ) 高性能数控系统的基础上开发的高档数控系统。该 系统采用通用工业p c 机、1 r i 叮真彩色液晶显示器，具有多轴多通道控制能力和内装式p l c ， 可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性价 比高、操作维护方便的优点，是适合我国国情的新一代高性能、高档数控系统。 3 、广州数控设备厂的g s k 9 8 0 t 车床控制系统。该系统采用高速微处理器，超大规模 可编程门阵列芯片，液晶画面、中文显示，高速切削螺纹倒角退尾，具有电子齿轮功能， 控制精度0 0 0 1 r a m ，配套该厂d a 9 8 交流伺服驱动构成普及型数控系统。如图1 为广州数 控开发的数控系统g s k 9 8 0 t a 。 圈19 8 0 t a 数控系统外观图 4 、大连大森数控技术有限公司的s h m c o s - 4 1 系统。其特点是拥有易于操作的液晶显 示盘，具有定位、切直线、切圆弧、切螺纹、等速切削和通讯等控制中心功能。自诊断保 护功能完善，可任设参考零位，方便操作，集成度高体积小，具有高可靠性。 5 、凯恩帝数控的k n dc n cs y s t e m 系统。该系统采用i n t e l8 0 x 8 6 c p u 、分辨率 0 0 0 1 r a m 、2 4 轴联动+ 主轴、配套交直流数字伺服步迸机、配套步迸电机时最大输出 5 1 2 k p p s 、螺距误差补偿、刀具补偿、用户宏程序、非圆曲线插补、内装式p m c 、梯形图 编程及调试、机床操作面板一体化设计、形功能、d n c 功能、单一复合型车削固定循环、 铣削固定循环( 钻、镗、攻丝) 、磨削固定循环、自动修正、任意丝杠与任意步进距角电 机直联。 第4 页武汉科技大学 硕士学位论文 在这五种类型的系统中，前两种基于p c 平台，后边三种都是基于单片机系统的。 1 3 国外研究现状 目前，数控技术在国外已经成为一种相对成熟的技术，国外数控产品厂商以日本法那 科( f a m ，c ) 和德国西门子( s i e m e n s ) 最为著名。其发展正逐步由专用型、封闭式、开 环控制模式向通用型、开放式、实时动态、全闭环控制模式发展。在集成化的基础上，国 外数控系统正在向超薄型、小型化发展；在智能化的基础上，综合了计算机、多媒体、模 糊控制、神经网络等学科，数控系统逐步向高速度、高精度、高效率方向发展：加工过程 中，数控系统可以自动修正、调节与补偿各项参数，现正在向在线诊断和智能化故障处理 发展；在网络化基础上，c a d c a m 与数控系统集成为一体，机床联网，逐步实现中央集 中控制的群控加工技术【l3 1 。 法那科的o i 系统。由于大批量生产和保密的需要，法那科自主设计基本硬件和软件， 采用专门自己流片的a s i c 。该系统可用于小型加工中心，小型铣床和小型平面磨床，可 控制4 轴，具有增强的p m c ，色彩丰富的叮l c d 和高可靠性。 西门子的s 删e r 8 0 2 系统。该系统的特点是结构紧凑，机床调试配置数据少， 简单而友好的编程界面，集成了所有的c n c 、p l c 、h m i 、f o 功能，操作面板提供了所 有的数控操作功能，编程和机床控制动作的按键以及8 英寸l c d 显示器，同时还提供1 2 个带有l e d 的用户自定义键。 单从对外公布的资料来看，这两型系统都没有应用嵌入式系统，但是从其特点上说， 它们的数控系统实际上已经具备了采用嵌入式系统的特点。 1 4 研究内容 数控系统是一个复杂的控制系统，特别对高端的数控系统，它不仅仅要求数控机床具 有高加工精度和对复杂曲线的计算能力，而且也要求能给用户提供人性化的操作界面和高 可靠性，因此，数控系统是一个计算机科学和机电系统相结合的复合体。 本研究课题以北京博创公司为广州数控研发的五轴数控系统为实践平台，该数控系统 采用a r m + f p g a + d s p 硬件体系架构。a r m 负责人机接口和弱实时性任务处理，在该 处理器上，利用l i n u x 操作系统对进程、内存、中断和各硬件接口进行管理，使用m i n i g u i 给用户提供图形化操作界面，通过u s b 、网络等接口和外界进行信息交流，把用户提供的 g 代码进行译码，把译码的结果发给d s p ；d s p 负责粗插补、细插补等运算量大的强实时 性任务，把计算的结果发给f p g a ，同时d s p 也处理f p g a 的闭环反馈信息；f p g a 负责 把手轮、主轴编码器的脉冲量转化为数字量，反馈给d s p ，或者由d s p 提供的数字量，转 化为脉冲量，通过伺服驱动器控制电机。 针对该五轴数控系统，在软件上向用户提供人性化操作界面以及实时的控制，在硬件 计算能力和接口上，实现五轴数控系统的控制性能要求。本研究主要从以下几点入手： 一、数控系统是一个多任务和强实时性并存的系统，在目前的数控系统中，对此问题 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 的解决方案主要有r t l i n u x 操作系统和l i n u x + d s p 两种。本文从内存管理、进程调度等 方面深入分析了l i n u x 和r t l i n u x 的优劣，论述了l i n u x + d s p 方案的可行性，并详细阐 述了强实时性和弱实时性模块的划分方法。 二、为了使弱实时性模块和强实时性模块能分别在a r m 和d s p 上协调运行，本文分 析了d s p h p i 和a r m 的硬件接口，根据d s p h p l 的访问时序，设计出a r m 和d s p 的软 件通讯方案。 三、为了给用户提供良好的人机交互界面，在l i n u x 系统中移植了m i n i g u l 作图形界 面。本文分析了m i n i g u i 与硬件的接口原理，从人机接口硬件设计出发，阐述了m i n i g u i 的移植，以及相应的l i n u x 底层驱动的实现方法。 四、f p g a 是a r m 、d s p 与伺服驱动器之间的桥梁，本文详尽论述了f p g a 控制逻辑 的实现，通过f p g a ，实现a r m 和d s p 对伺服驱动器等进行闭环控制。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章五轴数控系统总体设计 2 1 引言 数控系统是一个复杂的控制系统，特别对高端的数控系统，它不仅仅要求数控机床具 有高加工精度和对复杂曲线的计算能力，而且也要求能给用户提供人性化的操作界面和高 可靠性，因此，数控系统是一个计算机科学和机电系统相结合的复合体。本研究课题以北 京博创公司为广州数控研发的五轴数控系统为实践平台。下面分别从硬件设计和底层软件 设计两方面介绍该数控系统。 2 2 硬件模块设计 该五轴数控系统，在数控机床级别上属于加工中心。为了满足用户的多方面需求，在 该数控系统的硬件配置上，均采用目前高端的配置。该数控系统功能模块构架设计，大致 划分为如下几部分： 控制模块：控制模块的主处理器采用i n t e l 公司的x s c a l ep x a 2 7 0 ，片上运行l i n u x 操 作系统，负责l c d 、串口、以太网和u s b 接口的处理，实现译码、文件系统、网络、图 形显示和p l c 等功能。 d s p 模块：主处理器采用t i 公司的d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 1 9 ，该模块负责插补和电机运 动控制，通过h p i 接口与p x a 2 7 0 进行通信，并且通过自身的外部总线( e m i f ) 与 f p g c p l d 模块通信。 f p g a c p l d 模块：采用l a t t i c e 公司的f p g a 和c p l d 。负责控制伺服驱动器、编码 反馈和机床i 0 信号处理。 人机接口模块：采用单片机a t m a g e 8 l ，负责键盘、l e d 等信号处理，通过串行口与 p x a 2 7 0 通信。 各模块之间的关系如图2 1 所示： 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 圈2 1总体结构图 2 3 电路板结构 电路板主要分为6 块：主系统板，主接口板，i o 接口板，系统母板，操作面板，键 盘扩展板。 主系统板：实现a r m 、d s p 和f p g a 核心电路部分。因为各处理器管脚甚多，都采 用b g a 封装，需要多层板，为节约成本，所有集成在一块板子上。 主接口板：实现u s b 、网络、s d 卡、串口等接口，以及与伺服驱动器、编码器的接 口。 i o 接口板：实现和机床p l c 接口电路。p l c 代码运行于l i n u x 系统中，通过l i n u x 中的软p l c 译码，实现对p l c 电路的控制。 系统母板：连接主接口板和机床加i 接口板。 操作面板：实现键盘控制部分和l c d 电路。 键盘扩展板：扩展操作面板的键盘，键盘扩展板按键，该板按键的主要功能是控制机 床运行。 主系统板和主接口板实物照片如图2 2 所示： 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 圈2 2 主系统板和主接口板实物照片 2 4 模块设计 2 4 1 控制模块介绍 控制模块的核心是处理器p x a 2 7 0 ，片上运行l i n u x 操作系统，负责l c d 、串口、以 太网和u s b 接口的处理，实现译码、文件系统、网络、图形显示和p l c 等功能。 1 、a r m 处理器p x a 2 7 0 1 1 】 p a x 2 7 0 是i n t e l 公司的产品，由a r m 处理器衍化而来，a r m 公司自1 9 9 0 年正式成 立以来，在3 2 位r i s cc p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于 a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造商 出售知识产权，其设计的芯片内核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导 体厂家和整机厂商的大力支持，如i n t e l 、t i 、d e c 、a t m e l 等，在3 2 位嵌入式应用领域获 得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场。在低功耗、低成 本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经 武汉科技大学 硕士学位论文第9 页 超过5 0 多家。 x s c a l e 微体系结构提供了一种全新的、高性价比、低功耗且基于a r m v 5 t e 体系结构 的解决方案，支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 扩充。i n t e lx s c a l e 处理器的处理速度是以前 i n t e ls t r o n g a r m 处理速度的两倍，其内部结构也有了相应的变化： 数据c a c h e 的容量达到3 2 k b ： 指令c a c h e 的容量达到3 2 k b ； 微小数据c a c h e 的容量达到2 k b ： 为了提高指令的执行速度，超级流水线结构增至7 级； 新增乘力日法器m a c 和特定的d s p 型协处理器c p 0 ，以提高对多媒体技术的支持； 动态电源管理，使x s c a l e 处理器的时钟可达1 g h z 、功耗1 - 6 w ，并能达到1 2 0 0 m i p s 。 x s c a l e 微处理器架构经过专门设计，核心采用了英特尔先进的o 1 8 1 2 m 工艺技术制造； 具备低功耗特性，适用范围从o 1 m w 1 6 w 。同时，它的时钟工作频率将接近1 g h z 。超 低功率与高性能的组合使i n t e lx s c a l e 广泛的应用于下列领域： 开放应用平台包括无线系统、消费产品以及成像设备等； 实时嵌入式应用包括存储设备、汽车、工业和网络设备等； 安全系统包括信用卡和s i m 卡等； 基于x s c a l e 架构，i n t e l 到目前为止一共开发三个系列的处理器，其中包括p x a 2 5 x 、 p x a 2 6 x 以及最新的p x a 2 7 x 。 2 、p x a 2 7 0 地址分配 在该数控系统中，p x a 2 7 0 在c p u 内部集成了系统需要的s d r a m 控制器、u s b 控制 器和u a r t 控制器等。为了方便扩展其他的外设，c p u 提供了6 个片选信号，每个片选信 号分配在不同的存储空间，通过片选信号，访问外部设备。其地址空间的映射和分配如下 图2 3 所示： o x o c 0 0 0 x 1 8 0 0 0 0 0 x 1 4 0 00 0 0 x 1 0 0 0 0 x 0 c i x ) 0 0 0 0 o x 0 8 0 0 0 x 0 4 0 0 0 0 0 x 0 0 0 00 0 0 0 g e s e r v e d ( 6 4 m b y t e ) t e w v e d ( 6 4 m b y t e ) s t a t i cc h i ps e l e c t5 ( 6 4 m b y t e ) s t a t i cc h i ps e t e c t 4 1 6 4 m b y t e ) s t a t i ca l j ps e l e c t3 ( 6 4 m b y t e ) s t a t i cc h i ps e l e c t2 ( 6 4 m b y t e ) s t a t i cc h i ps e l e c tk 6 4 m b y t e ) s t a t i cc h i ps e l e c t0 ( 6 4 m b y 缸) 图2 3p x a 2 7 0 外设片选的地址分配 保留 保留 保留 保留 l ，o 板 f p g a d s p h p i n o rf l a s h 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 p x a 2 7 0 处理器的外围设备配置包括： 3 2 m bn o rf l a s h 6 4 m bn a n df l a s h 6 4 m bs d r a m 串口、u s b 、以太网、s d 卡 6 4 0 4 8 0 ，8 41 f tl c d 3 、控制模块软件介绍 为了给用户提供人性化的操作界面，发挥p x a 2 7 0 处理器的性能，提供良好的多任务 调度环境，所以在p x a 2 7 0 上移植了l i n u x 操作系统，该数控系统的l i n u x 版本为2 6 9 。 l i n u x 上运行的图形界面采用飞漫公司的m i n i g u i t l 4 1 。用户可以通过m i n i g u i 提供的 人机交互界面，了解数控系统的运行情况，如刀具运动轨迹、刀具位置、i o 状态，另外 可以通过m i n i g u i 打开u 盘、网口、s d 卡等设备，从其获取数控运行程序( g 代码) 。 通过网络或者存储设备获取g 代码程序以后，在l i n u x 的后台执行译码程序，把数控 g 代码翻译为坐标值和功能号等，然后通过d s p 的h p i 接口，把包含功能号、坐标值等的 数据结构，按照固定格式写入d s p 的r a m 缓冲区，d s p 再对应地调用相应程序完成差补 数据的生成。 2 4 2d s p 模块介绍 d s p 模块的核心是处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 9 1 ，该模块主要负责插补，通过h p i 接口与 p x a 2 7 0 进行通信，并且通过自身的外部总线( e m m ) 与f p g a 模块通信。 1 、t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 介绍 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 是t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 6 7 x x 系列浮点d s p 中最新的一款芯片，每 周期可以执行8 条3 2 位指令；支持3 2 6 4 位数据；具有3 0 0 m h z 、3 3 n s 指令周期的运行速 度和2 4 0 0 m i p s 或18 0 0 m f l o p s 的处理能力。它具有强大的外设支持能力3 2 位e m i f 可 以很方便地和s r a m 、e p r o m 、f l a s h 、s b s r a m 和s d r a m 等同步和异步存储器或者 5 1 2 m 字节的外部存储空间连接。 2 、硬件连接简介 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 处理器的外围设备包括： 2 m bn o rf l a s h 1 m bn v s r a m 3 2 m bs d r a m 为了防止运行中途数控系统掉电，或者其他原因引起的芯片供电不足，使d s p 处理器 重启，导致工件加工中断。为了能使在电源故障修复以后，能接着以前的工序继续加工， 在设计中添加了n v s r a m 存储器，在检测到供电不足时，n v s r a m 自动把s r a m 的数 控复制到e e p r o m 。 n v s r a m 外部接口和s r a m 很近似，读写信号控制都是由片选( c e ) ，读使能( o e ) ， 写使能( w e ) 来控制，时序标准与s r a m 完全相同【l 5 1 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 n v s r a m 与s r a m 不同的就是n v s r a m 需要外接一个电容( v c a p ) ，当外部电源突 然断掉时，可以通过电容放电提供电源，把s r a m 里面的数据拷贝到e e p r o m 里面( 如 图5 所示) 。通常，n v s r a m 的操作都在s r a m 中进行，只有当外界突然断电或者认为需 要存储的时候才会把数据存储到e e p r o m 中去，当检测到系统上电后，会把e e p r o m 中 的数据拷贝到s r a m 中，系统正常运行。 3 、d s p 模块软件介绍 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 在上电时，会自动检测芯片的b o o t 管脚。如果芯片b o o t 管脚为低电平， 则从d s p 的h p i 引导；反之则从外部f l a s h 引导。在使用f l a s h 引导时，芯片自动复制f l a s h 的前1 k 内容到内部r a m 中并执行【”l 。因此d s p 的代码要分为两部分：b o o t 代码和算法 代码。 1 1 b o o t 代码 b o o t 代码的主要作用是对系统初始化，复制f l a s h 的所有代码到外部p , j , j v l ，最后跳转 到外部r a m 执行。因为d s p 芯片仅仅复制f l a s h 的前l k 内容执行，所以复制f l a s h 的代 码到外部r a m 的实现代码需要用汇编编写。 2 ) 算法代码 算法代码的主要作用是把p x a 2 7 0 给的译码数据，进行插补运算，把插补结果发给 f p g a ，通过f p g a 控制伺服驱动器。 在算法代码中主要包括三部分数据：p x a 2 7 0 和d s p 的交换数据，插补坐标位置数据， 临时变量数据。 在该数控系统中，p x a 2 7 0 和d s p 的交换数据存放在d s p 的内部r a m 中，p x a 2 7 0 通过h p i 进行访问。插补坐标数据放在n v s r a m 中，当系统掉电时，可以保存数据，在 系统重新启动后，继续以前的步骤运行。 在b o o t 跳转到算法代码以后，首先对系统进行必要的初始化，代码如下： f p g a _ i n i t0 ： i n i t i n t e r r u p t0 ； 0 u s e r v om s g _ i n i t ( & q u e e n s e r v o _ m s g ) ： q u a i 瑚t o d s p _ i n i t u e e n m t o d s p ) ； c o o r d i n a t ei n i t ( & c o o r d i n a t e v a l u e ) ： f p g a 初始化 d s p 中断初始化 l l x f f 脉冲队列初始化 l q u 对d s p 写数据缓冲区初始化 坐标初始化 在f p g a _ i n i t ( ) 函数中，首先对f p g a 的脉冲发生控制寄存器初始化，然后初始化f p g a 的内部t i m * * 为4 r i m ，f p g a 以4 m s 的间隔触发d s p 的外部中断，当d s p 发生中断时， d s p 向f p g a 写数据。 初始化完毕以后，系统进入无限循环，检测a r m 发送的功能号数据，如果缓冲区中 有数据，则执行插补程序，插补完得到每4 n m 中伺服电机运行的步数，然后把数据写入脉 冲队列。 当f p g a 对d s p 中断时，d s p 把脉冲数和单个脉冲的周期发送给f p g a ，让f p g a 再 控制电机运行。具体的流程在以后的模块之间的通讯章节中会详细阐述。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 3f p g a ，c p l d 模块介绍 f p g m c p l d 模块的核心是l a t t i c e 公司的f p g a 和c p l d 。其作用负责控制伺服驱动 器、编码反馈和机床i o 信号处理。下面将详细介绍各部分。 1 、f p g a 选择l a m c e x p 系列的l f x p l o f 2 5 6 【。l a t t i c e x p 系列f p g a 集成逻辑门、 嵌入式存储器和f o 于单一片子