基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统设计

　　摘要：提出了一种基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统设计方案。详细介绍了ARM系统的软硬件设计，基于FPGA的硬件精插补实现方法以及数控系统的加减速控制策略。该系统将ARM运行速度快、计算精度高的优点和FPGA内部逻辑的在线可重构性等特点相结合，提高了资源利用率和实时性，增强了数控系统的灵活性。仿真和实践结果表明，整个控制系统具有实时性好、低成本、高性能等优点。

　　0 引言

　　现有的数控系统中多采用工控机加运动控制卡的计算机数控系统方案进行运动控制器的设计。随着工控机整体功能日趋复杂，对运动控制系统的体积、成本、功耗等方面的要求越来越苛刻。现有计算机数控系统在运动控制方面逐渐呈现出资源浪费严重、实时性差的劣势。此外，数控系统的开放性、模块化和可重构设计是目前数控技术领域研究的热点，目的是为了适应技术发展和便于用户开发自己的功能。本文基于ARM和FPGA的硬件平台，采用策略和机制相分离的设计思想，设计了一种具有高开放性特征的嵌入式数控系统。该数控系统不仅具备了以往大型数控系统的主要功能，还具备了更好的操作性和切割性能，而且在开放性方面优势更为突出，使数控系统应用软件具有可移植性和互换性。

　　1 基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统整体方案

　　基于ARM和FPGA的嵌入式数控系统结构如图1所示。按照模块划分的思想，本文将控制器分为人机交互、插补算法和通信三部分。系统中 ARM采用三星公司推出的16／32位RISC微处理器S3C2440A，它采用了ARM920T内核，核心频率高达400MHz。FPGA采用 Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S250E。

　　
图1 基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统结构

　　2 S3C2440A控制系统

　　ARM作为数控系统的控制核心主要负责对从数据存储器中读取或直接从上位PC或网络获得的零件加工代码和控制信息进行译码、运算、逻辑处理，完成加工数据的粗插补以及人机界面和数据通信。ARM系统是整个数控系统的控制核心，在嵌入式操作系统的管理下，采用分时处理的方式实现整个系统的信息处理和粗插补运算，通过键盘、触摸屏等输入装置输入各种控制指令，对数控系统的实时运行状态通过LCD、指示灯等显示，实现人机友好交互。基于 S3C2440A控制器有各种通信接口，包括RS232、RS485、以太网口、USB等接口模块。通过这些接口实现文件传输和网络控制。

　　嵌入式数控的软件系统总体结构如图2所示。系统的软件结构主要分为两部分：操作系统软件和数控应用软件。由于数控系统是个实时多任务系统，实时性要求很高，为保证各个任务的协调执行，本系统采用了μC／OS-II实时操作系统作为软件平台。

　　
图2 嵌入式数控的软件系统总体构图

　　要实现该操作系统在S3C2440A微处理器平台上的正常运行，需要修改与处理器类型有关部分的代码，操作系统移植需要完成的工作是改写三个文件，即改写文件0S_CPU．H、0S_CPU_A．ASM和OS_CPU_C．C。其中0S_CPU．H包括了用#define语句定义的，与处理器相关的变数、宏和类型。0S_CPU_A．ASM中定义了几个汇编语言函数，包括中断服务程序的中断向量地址等。如果某些C编译器允许在C语言中直接插入汇编语言语句，就不一定需要，用户可以把所需的汇编语言代码直接放到OS_CPU_C．C文件中。