基于嵌入式技术的网络化DNC系统研究

0 引言

DNC是Direct Numerical Control或DistributedNumerical Control的简称，意为直接数字控制或分布式数字控制。DNA以数控技术、计算机技术、通信技术和网络技术等先进技术为基础把与制造过程相关的设备集成起来，从而实现了制造设备的集中控制管理，以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交换。该控制方式的技术特点充分体现了数字制造的方展方向，因此在数控加工中被广泛使用。本文结合DNC技术的发展趋势，设计了一套基于ARM和DSP的嵌入式数控机床控制系统。

1 系统硬件设计

该DNC控制系统主要分为三大部分：DNC服务器模块、ARM通信处理模块、DSP控制执行模块。其中DNC服务器是系统的控制中心，ARM是嵌入式机床控制系统的主处理器、运行操作系统和网络协议栈，负责接收远程DNC服务器的指令并进行相应处理，DSP控制执行模块主要负责具体的指令执行操作，直接控制机床的运行。三大模块有机结合便可构成一个完整的数控机床控制系统。其系统框图如图1所示。

DSP控制模块是机床控制系统的实际执行单元，DNC服务器以及ARM发送过来的指令最终都由DSP控制模块具体处理。高精度的多轴数控机床加工通常都会涉及到大量的运算处理，同时需要丰富的外设接口支持，为此，本系统选用了TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。这是一种新型32位定点DSP芯片，具有以下特点：

(1) 运算速度快，工作时钟频率达150MHz且功耗很低。

(2) 具有优化的CPU和哈佛总线结构，同时具有强大的操作能力、迅速的中断响应和处理能力。可以实现16×16位和32×32位相乘且累加操作。

(3) 系统中的两个增强的事件管理器模块提供了一整套用于运动控制和电机控制的功能和特性。每个事件管理模块均包含有通用定时器(GP)、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。

(4) 外围设备包括3个32位的CPU定时器和16通道12位ADC，它不仅具有串行外围接口(SPI)和两个串行通信接口(SCIs)，还具有改进的局域网络(e2 CAN)、多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行外围接口模式。

基于以上特点，该系统尤其适用于数字马达控制、工业自动化、电力转换系统及通信设备等。本系统中TMS320F2812主要用于数控机床的控制，可接收ARM传送过来的控制代码，并对代码进行译码和相应的运算，最终将代码转化为PWM脉冲编码以控制电机的运行；另外，该DSP还负责将接收的机床I／O板所采集的机床状态信息以及机床代码的接收和执行情况，通过RS485总线反馈给ARM，以作为ARM进行下一步操作的依据。

1.2 ARM通信处理模块

ARM通信处理模块是机床控制系统的核心模块，它既可以作为一个单独的控制单元，利用自身的人机交换模块进行代码编辑，以控制机床的运行；义可以通过工业以太网接收DNC服务器传送的机床代码指令来控制机床的运行。因此，ARM处理器在通信、任务处理、人机交互、系统稳定性等各方面都有较高的要求，同时，为了方便今后的系统升级，该系统还选用了三星公司的S3C2410处理器，该处理器是基于ARM9内核的32位RISC处理器，拥有强大的处理、控制功能以及丰富的外设接口，可以作为数控机床的主处理器来运行操作系统和网络协议栈。

ARM通信处理模块选用S3C2410(32-bitARM920T内核)，系统时钟使用外部12 MHz晶振，也可由S3C2410内部的PLL倍频至200 MHz。另外，还应配置键盘和LCD显示模块、2通道RS485通信接口以及10 MB以太网接口。

1.3 DNC服务器模块

DNC服务器模块是整个机床网络系统的控制指挥中心，以工业PC机构建，可运行windows xp操作系统，具有良好的人机界面和可操作性。开发工具选用的Visual C++是美国Microsoft公司推出的软件开发工具，目前已成为国内应用最广泛的高级语言之一，同其它软件开发工具相比，Vi-sual C++具有面向对象、能可视化开发等优点。由于该系统工具提供有面向对象的应用程序框架MFC(Microsoft Foundation Class：微软基础类库)，因而可以大大简化程序员的编程工作和模块的可重用性；由于众多的开发商支持，该工具已成为工业标准的MFC类库；同时它和C语言兼容的特点也大大方便了和外部嵌人式系统之间的连接。DNC服务器模块可协调整个机床网络的运行，便于实施机床车间的流水线操作。因此采用该DNC系统可大大提高生产效率，降低管理成本，同时其远程操作特点特别适合一些特殊的加工场合(如危险品的加工)。因此，该DNC系统具有广泛的应用前景。

2 系统软件设计

本系统的软件设计主要有DNC服务器软件设计、ARM通信处理模块软件设计、DSP控制模块软件设计等。其系统软件流程如图2所示。

当然，每台数控机床也可以作为一个独立的控制单元(图2中的虚线框部分)，可利用ARM通信处理模块自带的人机交互模块，来完成机床代码的编写以及反馈信息的显示。因此，该系统既可以独立运行，又可以组网运行，因而具有很强的灵活性。 [page]

2.1 DNC服务器软件设计

DNC服务器软件设计主要包括网络通信模块、代码文件编写管理模块、远程调用控制模块、反馈信息处理模块等。软件设计采用模块化、结构化设计思想，按照软件工程规范进行框架设计可使其具有良好的开放性、可移植性和可扩充性。软件各模块的结构关系如图3所示。

2.2 ARM通信处理模块的软件设计

ARM通信处理模块软件设计主要包括五个部分：以太网通信处理模块、代码编辑模块、信息显示模块、代码提取处理模块、RS485总线通信处理模块。机床可设定两种工作模式：组网工作模式和独立工作模式，默认情况下为组网工作模式。程序的设计包括操作系统和网络协议栈的移植等，操作系统采用的uc／osII是一款简单、高效的嵌入式实时多任务操作系统，该系统的源代码公开，并具有良好可移植性和扩展性，其稳定性和可靠性已经过实践检验，非常适合应用于控制系统领域。网络协议栈采用LWIP，这是一套用于嵌入式系统的轻量级(light weight) TCP／IP协议栈，包括TCP、UDP、ICMP、IP、ARP、DHCP协议等，它和uc／osII构成了ARM通信处理模块软件的设计主体。该软件的具体流程如图4所示。

2.3 DSP控制模块的软件设计

DSP控制模块的软件设计主要包括三个部分：RS485总线通信模块、机床代码译码模块、机床信息反馈模块。DSP模块主要通过RS485总线接收ARM模块传送的机床代码指令，并按照特定的译码方法进行译码，最终将其转化为电机控制的PWM脉冲宽度调制信号，以完成机床的具体控制；同时，它还应当将定时采集的机床状态信息通过RS485总线反馈给ARM模块，从而构成一个闭环控制系统。

3 结束语

本文结合DNC技术的发展趋势，给出了集先进的嵌入式技术、网络技术和应用于现代机床的控制技术与一体的网络化DNC设计方案，从而实现了整个系统高度的集成和工业级的稳定性能，同时十分方便系统升级。由于该机床控制系统提供了两种工作模式，因此还可根据用户具体要求进行软硬件的裁减，因而具有很强的灵活性，可广泛应用于各种机电控制领域。

参考文献:

[1]. TMS320F2812 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/.html.
[2]. RS485 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[3]. RISC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.