摘要：提出了一種基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設計方案。詳細介紹了ARM系統(tǒng)的軟硬件設計，基于FPGA的硬件精插補實現(xiàn)方法以及數(shù)控系統(tǒng)的加減速控制策略。該系統(tǒng)將ARM運行速度快、計算精度高的優(yōu)點和FPGA內(nèi)部邏輯的在線可重構性等特點相結合，提高了資源利用率和實時性，增強了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性。仿真和實踐結果表明，整個控制系統(tǒng)具有實時性好、低成本、高性能等優(yōu)點。

　　0 引言

　　現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)中多采用工控機加運動控制卡的計算機數(shù)控系統(tǒng)方案進行運動控制器的設計。隨著工控機整體功能日趨復雜，對運動控制系統(tǒng)的體積、成本、功耗等方面的要求越來越苛刻。現(xiàn)有計算機數(shù)控系統(tǒng)在運動控制方面逐漸呈現(xiàn)出資源浪費嚴重、實時性差的劣勢。此外，數(shù)控系統(tǒng)的開放性、模塊化和可重構設計是目前數(shù)控技術領域研究的熱點，目的是為了適應技術發(fā)展和便于用戶開發(fā)自己的功能。本文基于ARM和FPGA的硬件平臺，采用策略和機制相分離的設計思想，設計了一種具有高開放性特征的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)不僅具備了以往大型數(shù)控系統(tǒng)的主要功能，還具備了更好的操作性和切割性能，而且在開放性方面優(yōu)勢更為突出，使數(shù)控系統(tǒng)應用軟件具有可移植性和互換性。

　　1 基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)整體方案

　　基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結構如圖1所示。按照模塊劃分的思想，本文將控制器分為人機交互、插補算法和通信三部分。系統(tǒng)中 ARM采用三星公司推出的16／32位RISC微處理器S3C2440A，它采用了ARM920T內(nèi)核，核心頻率高達400MHz。FPGA采用 Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

　　
圖1 基于ARM+FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結構

　　2 S3C2440A控制系統(tǒng)

　　ARM作為數(shù)控系統(tǒng)的控制核心主要負責對從數(shù)據(jù)存儲器中讀取或直接從上位PC或網(wǎng)絡獲得的零件加工代碼和控制信息進行譯碼、運算、邏輯處理，完成加工數(shù)據(jù)的粗插補以及人機界面和數(shù)據(jù)通信。ARM系統(tǒng)是整個數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，在嵌入式操作系統(tǒng)的管理下，采用分時處理的方式實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息處理和粗插補運算，通過鍵盤、觸摸屏等輸入裝置輸入各種控制指令，對數(shù)控系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)通過LCD、指示燈等顯示，實現(xiàn)人機友好交互。基于 S3C2440A控制器有各種通信接口，包括RS232、RS485、以太網(wǎng)口、USB等接口模塊。通過這些接口實現(xiàn)文件傳輸和網(wǎng)絡控制。

　　嵌入式數(shù)控的軟件系統(tǒng)總體結構如圖2所示。系統(tǒng)的軟件結構主要分為兩部分：操作系統(tǒng)軟件和數(shù)控應用軟件。由于數(shù)控系統(tǒng)是個實時多任務系統(tǒng)，實時性要求很高，為保證各個任務的協(xié)調(diào)執(zhí)行，本系統(tǒng)采用了μC／OS-II實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺。

　　
圖2 嵌入式數(shù)控的軟件系統(tǒng)總體構圖

　　要實現(xiàn)該操作系統(tǒng)在S3C2440A微處理器平臺上的正常運行，需要修改與處理器類型有關部分的代碼，操作系統(tǒng)移植需要完成的工作是改寫三個文件，即改寫文件0S_CPU．H、0S_CPU_A．ASM和OS_CPU_C．C。其中0S_CPU．H包括了用#define語句定義的，與處理器相關的變數(shù)、宏和類型。0S_CPU_A．ASM中定義了幾個匯編語言函數(shù)，包括中斷服務程序的中斷向量地址等。如果某些C編譯器允許在C語言中直接插入?yún)R編語言語句，就不一定需要，用戶可以把所需的匯編語言代碼直接放到OS_CPU_C．C文件中。