0 引言

　　隨著計算機技術(shù)的飛快發(fā)展，如今的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要是基于 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)[1]，此類型的數(shù)控系統(tǒng)一般采用通用操作系統(tǒng)，存在CPU結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、硬件冗余不可裁剪且可靠性不高等諸多不足，很難滿足數(shù)控系統(tǒng)對強實時性和穩(wěn)定性的要求。近年來逐漸發(fā)展起來的嵌入式技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。基于微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)具有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點: 嵌入式系統(tǒng)功耗低、可靠性高；功能強大，性能價格比高；實時性強，支持多任務(wù)；占用空間小，效率高；面向特定應(yīng)用，可根據(jù)需要定制[2]。因此提出基于CORTEXA8微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)(WinCE7)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

　　設(shè)計采用ARM-CORTEXA8微處理器作為主CPU負責(zé)整個數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)管理調(diào)度。數(shù)控系統(tǒng)中上位機與嵌入式機床控制器之間采用無線通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線纜通信。數(shù)控系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA接受ARM以及外部RAM發(fā)送來的控制指令和數(shù)據(jù)信息并執(zhí)行插補運算，產(chǎn)生控制步進電機運轉(zhuǎn)的脈沖序列，然后通過接口將脈沖序列送到步進電機驅(qū)動器，實現(xiàn)對電機的控制[3]。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，采用微軟的最新一代嵌入式操作系統(tǒng)Windows Embedded Compact7（WinCE7），并根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的功能要求對內(nèi)核進行了相應(yīng)裁剪，提高了數(shù)控系統(tǒng)的實時性。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

　　穩(wěn)定、可靠的硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)運行的物理基礎(chǔ)，關(guān)系著整個數(shù)控系統(tǒng)性能的好壞。高配置的硬件系統(tǒng)是實現(xiàn)高性能數(shù)控系統(tǒng)的有力保障。合理的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可優(yōu)化系統(tǒng)資源配置，使系統(tǒng)性能得到更好發(fā)揮。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用TI公司的AM335X CortexA8處理器，運行主頻最高可達1 GHz，集成了1路千兆網(wǎng)口、CAN總線控制器、IIC控制器、LCD控制器、Power VR SGX530圖形處理器，非常適合工業(yè)控制。AM335X CortexA8處理器主要負責(zé) LCD、串口、無線通信和 USB 接口的處理及運行嵌入式 WinCE7 操作系統(tǒng)，實現(xiàn)譯碼、文件系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)、圖形顯示和 PLC編輯功能。FPGA內(nèi)在的并行機制決定了它的高速處理能力遠遠領(lǐng)先于其他串行執(zhí)行架構(gòu)的CPU，將其應(yīng)用在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中將大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，進而提高數(shù)控機床的加工精度[4]。FPGA作為精插補器在下位機系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)硬件插補以替代速度較慢的軟件插補，克服了傳統(tǒng)專用集成電路靈活性差、成本高的缺點。CPLD模塊主要負責(zé)系統(tǒng)操作面板、鍵盤、LED等信號的處理。

　　2.1 系統(tǒng)無線通信的實現(xiàn)

　　設(shè)計選用低功耗、易組網(wǎng)、在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。要實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的無線通信，ZigBee驅(qū)動的開發(fā)就顯得尤為重要。

　　嵌入式操作系統(tǒng)中本機設(shè)備驅(qū)動程序適合于集成到WinCE平臺上的設(shè)備，如LED和電源，WinCE以定制接口的方式來支持本機設(shè)備驅(qū)動，開發(fā)人員無需編寫設(shè)備驅(qū)動程序。流接口驅(qū)動程序是為連接到WinCE平臺的外圍設(shè)備而設(shè)計的驅(qū)動程序[5]。因此ZigBee驅(qū)動采用流接口驅(qū)動模式編寫，該驅(qū)動的主要作用是實現(xiàn)ZigBee模塊數(shù)據(jù)的收發(fā)、組網(wǎng)、入網(wǎng)、獲取RSSI值等。下面對基于流驅(qū)動開發(fā)模式下ZigBee驅(qū)動實現(xiàn)的幾個主要的流接口函數(shù)進行介紹。

　　(1)DWORD CC2531_Init(DWORD dWContext)

　　{

　　RETAILMSG(l,(TEXT(“CC2531_Init----\r\n”)));

　　Serlnit();

　　CC2531init();

　　}

　　此函數(shù)功能是實現(xiàn)模塊初始化串口寄存器使能和主要參數(shù)的設(shè)定。Serlnit( )函數(shù)的功能是完成物理地址的申請，虛擬地址到物理地址的映射和波特率設(shè)置。CC2531init()通過調(diào)用系統(tǒng)串口發(fā)送函數(shù)的方式來設(shè)置CC2531串口的波特率，停止位以及寄存器使能。

　　(2)BooL CC2531_IOControl(DWORD hopenContext，DW-

　　ORD dwCode，PBYTE PBufin，DWORD dwLenln，PBYTE PBu-

　　fout,DWORD dwLenout,PDWORD PdwActualout)

　　{

　　switch(dwCode)

　　{

　　case IO_CTL_CC2531_GDAIMA:

　　SendDate(0x l<< l);

　　case IO_CTL_CC2531_XITONGCANSHU:

　　SendDate(0x l<<2);

　　case IO_CTL_CC2531_DAOBUCANSHU:

　　SendDate(0xl<<3);

　　case IO_CTL_CC2531_RSSI:

　　SendDate(0xl<<4);

　　case IO_CTL_CC2531_REFNODE_REQUEST_CONFIG:

　　SendDate(0xl<<23);

　　……

　　……

　　}

　　}

　　此函數(shù)用于向設(shè)備發(fā)送命令。DeviceIOControl()函數(shù)實現(xiàn)操作系統(tǒng)對此函數(shù)的調(diào)用。參數(shù)dwCode用來告知驅(qū)動程序要執(zhí)行的操作。驅(qū)動設(shè)計中，定義了較簡單的幾個命令，如G代碼、嵌入式數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、刀補參數(shù)、RSSI值，其值分別為1、2、3、4。當(dāng)CC2531收到應(yīng)用程序與這幾個命令相關(guān)時，無線模塊就在網(wǎng)絡(luò)中收集與之相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給與機床相連無線模塊。

　　2.2 FPGA與ARM通信及配置接口設(shè)計

　　ARM微處理器系統(tǒng)與FPGA系統(tǒng)之間的通信接口包括串行與并行兩種，其中串行方式通過它們自身配置的接口實現(xiàn)，并行接口則根據(jù)提供的總線模式進行設(shè)計。FPGA與AM335X CortexA8之間數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸通過地址總線和數(shù)據(jù)總線方式完成，其接口示意圖如圖3所示，其中GPMC_A[11:0]為的12位地址總線；GPMC_D[l5:0]為16位數(shù)據(jù)總線；GPMC_WEn實現(xiàn)FPGA的寫使能傳輸且低電平有效；GPMC_OEn傳輸FPGA的輸出使能信號且為低電平有效；GPMC_CSn是傳輸FPGA的片選信號低電平有效；RESET傳輸給FPGA復(fù)位信號，高電平有效；INTO為FPGA傳輸給AM335X的中斷信號且低電平有效。

　　要實現(xiàn)基于FPGA的邏輯功能，必須首先完成對FPGA的配置。FPGA主要有專用配置芯片，被動串行配置，被動并行同步配置，被動并行異步配置和JTAG配置五種配置方式。設(shè)計采用微處理器的被動串行配置方案，配置簡化電路圖如圖4所示。

　　3 系統(tǒng)軟件平臺搭建

　　Windows Embedded Compact7(WinCE7)不僅支持X86和MIPS，同時支持最新的ARMv7架構(gòu)和多核處理器并能在Visual Studio 2008中無縫集成Platform Builder 2008，可以為開發(fā)者提供更高效的、流暢的開發(fā)體驗[6]。設(shè)計選擇Windows Embedded CE系列最新一代操作系統(tǒng) Windows Embedded Compact 7來進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

　　為了節(jié)約PC的磁盤空間和保證運行速率，首先，對操作系統(tǒng)進行裁剪，添加必要的特性，配置各個組件進行平臺設(shè)置。結(jié)合設(shè)計的需要，安裝VS2008時由于開發(fā)用到的語言是VC++語言其他開發(fā)語言無需安裝；在搭建Platform Builder時由于Cortex-A8微處理器的平臺遵從ARMv7架構(gòu)規(guī)范，安裝時只選“ARMv7 Architecture”即可。下面是Windows Embedded Compact7開發(fā)環(huán)境搭建步驟：(1)Visual Studio 2008，(2)MSDN Library for Visual Studio 2008，(3)Visual Studio 2008 SP1，(4)Microsoft Expression Blend，(5)Windows Embedded Compact 7，(6)Microsoft Virtual PC。接下來開發(fā)目標設(shè)備驅(qū)動程序，建立好定制的WinCE7映像文件，同時將目標文件下載到目標設(shè)備上進行調(diào)試。最后把定制好的操作系統(tǒng)內(nèi)核，利用 PlatformBuilder導(dǎo)出SDK。

4 系統(tǒng)測試和實驗結(jié)果

　　為了測試所設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)的FPGA在線配置性能，實驗用開發(fā)軟件生成兩種具有不同邏輯功能的RBF文件。待數(shù)控系統(tǒng)完成正常啟動后，測試程序能否實現(xiàn)兩種不同邏輯功能文件的配置，測試結(jié)果如圖5所示。

　　實驗機床選擇南京華訊機械制造有限公司HPI-3047數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，實驗環(huán)境為生產(chǎn)車間工作環(huán)境。利用 Packet Sniffer 軟件抓取數(shù)控系統(tǒng)無線通信數(shù)據(jù)包如圖6所示。

　　實驗結(jié)果表明，設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)FPGA模塊能夠?qū)崿F(xiàn)在線配置及功能升級。ZigBee無線通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)上位機與機床嵌入式控制器之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，無線模塊通信性能穩(wěn)定可靠，完全能夠取代傳統(tǒng)的線纜通信，降低了企業(yè)成本，提高了機床執(zhí)行效率。

5 結(jié)論

　　數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計采用了實時操作系統(tǒng)WinCE7與高性能微處理器CORTEXA8，是嵌入式技術(shù)、微處理器技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的完美結(jié)合，系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)高實時性加工的要求。把無線通信技術(shù)運用到數(shù)控系統(tǒng)通信中取代傳統(tǒng)的線纜通信，有利于降低企業(yè)對通信方面的人力財力投資。運用運算速度快、設(shè)計靈活、可靠性高的FPGA作為硬件插補器，提高了系統(tǒng)插補速度。設(shè)計順應(yīng)了低功耗、低成本、實時性好和機床通信無線化的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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　　[2] 湯陽.基于WindowsCE的開放式數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

　　[3] 朱曉潔，舒志兵.基于ARM+FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)[J].機床與液壓，2008，36(7)：311-313.

　　[4] 邵明，李光煬，楊惠靈.基于FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)功能模塊設(shè)計[J].機床與液壓，2010，38(16)：68-71.

　　[5] WILSON Y J.Windows CE device driver development[Z].Dr.Dobb′s Journal of Software Tools for Professional Progra-mmer，1998.

　　[6] 尹成.Windows CE7開發(fā)實戰(zhàn)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2012.