基于ARM和CPLD的开放式数控系统设计

 随着工业自动化技术和数控技术的飞速发展，数控系统的功能得到了极大的扩展。用户对数控系统提出可联网、开放性等更高的要求。开放性是数控系统未来的发展趋势。开放式数控系统的核心是建立一种对数控系统的软硬件开发商、机床制造商和最终用户都开放的体系结构和标准，使数控系统不依赖于特定的厂家，达到可互联、可互操作、可重组和可互换的目的[1]。基于工业PC的开放式数控系统已得到广泛运用，它能够快速开发出独具特色的软件系统，具有良好的人机界面，但资源利用率不高、体积较大、携带不方便。ARM、CPLD和DSP等微处理器的快速发展，为开放式数控系统的发展提供了新的实现方法[2]。
    ARM具有较强的事务管理功能，可以运行具有良好人机界面的多线程应用程序，其优势主要体现在程序控制上。CPLD具有较强的逻辑运算能力，可用于进行插补运算及运动控制等。Windows CE是嵌入式实时操作系统，其独特体系结构和运行机制使其能够快速响应外部中断，并调度相关程序进行处理[3]，可以满足数控系统的实时性要求。本文提出一种基于ARM9和CPLD的开放式数控系统。该系统中ARM9移植了Windows CE嵌入式操作系统，通过开发应用程序实现信息输入、运动显示和粗插补等功能； CPLD实现精插补和运动控制。整个系统具有结构紧凑、集成度高、可靠性强和友好人机交互等特点。
1 系统设计
1.1 系统硬件设计
    本系统ARM采用SAMSUNG公司的S3C2410，CPLD采用ALTERA公司FLEX6000系列的EPF6016。系统硬件结构如图1所示。

    S3C2410内部资源丰富，可嵌入Windows CE操作系统，并进行复杂的信息处理。系统以LCD和触摸屏为人机交互装置，采用10 MB的以太网接口芯片CS8900A，可连接到Internet或局域网。在PC机上生成的CAD文件通过以太网或SD卡输入到处理器中。系统采用NANDFLASH存储数据和程序。
    EPF6016是ALTERA公司为大容量设计提供的一种低成本可编程交织式门阵列，共有16 000个可用门、1 320个逻辑单元、117个I/O引脚，每个I/O引脚都有独立的三态输出使能控制。EPF6016接收ARM的插补指令进行精插补，输出控制信号，并采集编码器的反馈信号和限位开关零点开关的状态信号。
    本系统将EPF6016直接连接到S3C2410的存储总线上。S3C2410与EPF6016之间依靠24位数据总线和8位地址总线进行指令和数据的传输，提高了通信效率。S3C2410与EPF6016之间的总线还包括了片选信号线、读写控制信号线和中断信号线。
1.2 系统软件开发
    本系统软件开发包括Windows CE应用程序开发和CPLD程序开发。采用Ｃ#语言开发Windows CE应用程序，采用VHDL语言开发CPLD程序。系统软件结构如图2所示。

    Windows CE应用程序是基于多线程的。应用程序包括信息输入、译码、运动显示、故障管理、电机启动停止和插补等功能模块，每个功能模块都是一个独立的线程。信息输入、译码是非实时任务，线程优先级设为默认值251；故障管理、电机启动停止是实时非周期性任务，属于弱实时任务，线程优先级设为247，即用户态实时级别；插补、运动显示是实时周期性任务，属于强实时任务，线程优先级设为3，即核心态实时级别。

本文关键字：数控  嵌入式系统-技术，单片机-工控设备 - 嵌入式系统-技术