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基于ARM与Linux的开放式数控系统具体实现

2018-01-11张占昭

数字技术与应用 2017年11期
关键词:数控系统

张占昭

摘要:随着嵌入式系统的深入发展,在工业控制的每个系统应用越来越广泛,数控系统也不列外。本文从数控系统的软件和硬件两个方面入手,分析对比了ARM系列产品的优缺点,并选型了ARM9,分上下两层进行了设计;进而实现了基于Linux数控系统软件,分别描述了数控系统软件总体的架构、开发方式的设想以及软件开发的具体步骤,通过硬件和软件的具体实现,旨在提升数控系统的效率。

关键词:Linux;数控系统;ARM

中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2017)11-0062-01

数控技术从产生到发展壮大已经有60多年的历史,同时随着计算机技术的快速发展,基于PC计算机的数控系统得到了前所未有的发展壮大,但同时带来了一系列问题,其中最大的问题是智能化、智慧化程度不够,换句话说就是基于PC计算机的数控系统无论从硬件设计还是软件开发环境都不能满足智慧数控系统的要求,本文旨在利用计算机方面的ARM和Linux技术来解决上述问题,同时提升数控系统的性能以满足市场需求。

1 基于ARM的数控系统硬件实现

通过对ARM系列产品对比分析,在本系统中我们选择了ARM9,它可以完全满足硬件系统设计的需要,并且具备高性价比和低功耗等特点,技术上采用哈佛架构,存储器和寄存器统一编址,指令更加节省;高速Cache容量更大,流水线级数更多,指令由原先的16位升级为32位,处理能力更强; ARM9支持流行的实时操作系统诸如:Linux各种版本。

系统硬件设计采用上下两层设计方式,底层采用ARM的最小工作模式,尽量减少底层硬件设计,这样做的好处是如果以后系统升级将十分方便,也就是說,系统升级时尽量不动底层硬件设计,用户只需调整自己产品部分即可,方式是将ARM9核心部分用外部总线和用户产品连接在一起,用户产品通过各种接口与产品的功能模块(如触摸屏、键盘、液晶显示、USB等)进行对接。

数控系统通过接口将现场数据信息输入输出,与ARM9通讯,这是整个系统设计的关键,其次是冲头、电机位置、速度、计算插补、数据输入/输出整个数控系统流程。数据输入/输出的方式采用将ARM9的三总线(数据总线、地址总线、控制总线)、读写控制逻辑、中断控制系统、定时计数器系统等封装起来作为一个总接口与外界联系,数控系统的网络接口采用工业总线的方式传送。数据信息的采集用的是各种传感器如位置、速度等。

2 基于Linux的数控系统软件实现

数控系统需要有良好的交互性和友善的图形界面,所以这里选择MiniGui这个能给Linux系统提供良好图形界面的软件,MiniGui软件由著名开发商开发,支持图形界面的所有GUI ,且得到了大量Linux嵌入式系统开发者的认可,技术上给予了支持,MiniGui和C++的函数库能够无缝的对接,函数库可以很好支持图形界面设计,对几乎所有的智能设备,特别是一些手持设备以及智能路由网络设备。MiniGui软件在占用数控系统硬件资源中是最小的一个,使用内存空间可控制在1M左右,这对于图形界面系统十分理想,也是其他软件无法达到的;MiniGui软件接口设计可以和数控硬件系统接口无缝连接,图形化接口更简单、快捷,处理图形操作效率更高,非常适合工业自动化控制;MiniGui软件通过配置可以实现跨操作系统操作,简单来说就是移植性极强,方式是兼容性极强的API接口。

在这里要提出一个Linux嵌入式系统新开发方案,为了提升开发效率,最好的解决方法是使用C/S模式,传统开发Linux嵌入式系统是每个程序员需要在PC机上要么装Linux操作系统,要么在虚拟机下装Linux操作系统,然后开发出的程序分别调试运行,在放在一起调试运行,这样既浪费人力物力,效率还低,如果采用C/S模式即服务器/客户机,方法是架设一台Linux服务器,程序员通过局域网连接在一起,程序可以及时互通,协议可使用FTP,然后服务器通过串口、模拟串口、USB接口亦或者点对点网络将已经通过GCC或者Make编译的文件下载到宿主机,这样一来,所有程序员开发的程序出口就统一了,大大提升了程序开发效率。

Linux嵌入式数控系统第一步从Linux官方网站下载一个符合要求的(网站上有具体说明),然后初始化裁剪、配置、编译运行;第二步将Linux嵌入式系统移植到之前设计好的ARM硬件上;第三步数控系统硬件驱动程序开发,包括字符型硬件、网络型硬件、块型硬件(之前已经被描述为文件);第四步开发Linux数控系统软件中的API,就是一些模块功能函数;第五步人机图形界面的开发,利用MiniGui软件;第六步每个功能模块具体算法攻坚,如插补算法、 3D图形描绘算法等。

3 结语

本文实现了基于ARM与Linux的开放式数控系统,结合ARM与Linux在嵌入式系统中的具体优势,在普通PC计算机的平台下,给出了具体实施开放式数控系统的解决方案和策略,目的是提升现行数控系统性能的同时,给数控系统的技术研究加入新的计算机技术(ARM与Linux),使其更加智能化智慧化。

参考文献

[1]张爱玲.现代数控原理与控制系统[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]马广云.ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[3]张春晓.基于实时Linux平台的CNC系统研究与实现.南京航空航天大学[D].2003.

[4]蔡光起,史家顺.开放式数控系统的现状与发展[J].机械制造,2005,43(6):18—21.

Abstract:With the development of embedded system, more and more widely used in industrial control system, CNC system is not out of the list. This paper from two aspects of hardware and software of CNC system, advantages and disadvantages of the ARM series of products, and the selection of ARM9, divided into two layers of the design; so as to realize the NC system software based on Linux, describes the specific steps of CNC system software architecture, development ideas and software the development, through the realization of hardware and software, to enhance the efficiency of CNC system.

Key Words:Linux;Numerical control system;ARMendprint

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