導(dǎo)語：嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：研究基于嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)。采用單CPU架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)基于linux和ARM，軟件平臺采用Linux，從而豐富了ARM處理器的片上資源。為滿足數(shù)控系統(tǒng)高精度控制需求，基于Xenomai對Linux完成了實(shí)時性改造，并對系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以確保數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Linux系統(tǒng)；嵌入式；數(shù)控系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)路徑

裝備制造業(yè)對數(shù)控機(jī)床的要求逐漸提高，設(shè)備總體功能和性能離不開高效的數(shù)控系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)具備小型化、低功耗、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)中，可根據(jù)實(shí)際需要對計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)智能控制、遠(yuǎn)程控制、故障檢測等功能，作為數(shù)控機(jī)床的控制中樞，目前主流數(shù)控系統(tǒng)多采用單核ARM平臺，數(shù)控系統(tǒng)性能的提升受到單核處理器自身不足的限制，因此對于多核平臺的應(yīng)用成為優(yōu)化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的有效手段。

1現(xiàn)狀分析

數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺的構(gòu)建目前多通過上位機(jī)同下位機(jī)協(xié)調(diào)工作的方式實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)的主要功能在于代碼解釋、數(shù)據(jù)處理等，控制具體的運(yùn)動以及采集信號則由下位機(jī)負(fù)責(zé)完成，但這種方式存在開發(fā)周期過長、成本較高，難以滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的控制需求，隨著嵌入式微處理器的發(fā)展與完善，可在同一個處理器上完成所有的數(shù)控任務(wù)，同時通過外圍接口電路的設(shè)計，顯著簡化了數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范化研發(fā)過程，使系統(tǒng)具備較高的拓展性和穩(wěn)定性［1］。

2系統(tǒng)設(shè)計

2．1系統(tǒng)硬件設(shè)計。在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中使用了S3C2440A，基于ARM920T核的S3C2440A嵌入式微處理器提供完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，無需配置額外組件，能夠降低整體系統(tǒng)成本，該芯片上集成了豐富的資源，系統(tǒng)硬件設(shè)計具體如圖1所示。操作系統(tǒng)及軟件程序都運(yùn)行在S3C2440A上，系統(tǒng)總線上掛接存儲設(shè)備（NANDFLASH，256M），用于存貯各數(shù)控程序、文件系統(tǒng)等，采用同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（SDRAM，64M）作為內(nèi)存，開機(jī)后，操作系統(tǒng)及數(shù)控程序在開機(jī)后會被依次裝入SDRAM中運(yùn)行，前期硬件可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，對伺服電動機(jī)的控制則通過濾波處理4路PWM（分別控制x，y，z軸及主軸轉(zhuǎn)速）實(shí)現(xiàn)，PWM信號經(jīng)反相器轉(zhuǎn)換成兩路差分信號后再通過運(yùn)算放大器電路得到具有負(fù)極性幅值的PWM信號，經(jīng)濾波放大得到模擬量電壓信號［－10V，10V］，從而實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動器轉(zhuǎn)矩指令的控制（電動機(jī)在PWM輸出占空比超過一半時正轉(zhuǎn)）。采用FPGA進(jìn)行擴(kuò)展，轉(zhuǎn)換編碼器信號（相差90°相位）為計數(shù)脈沖信號和方向信號后，經(jīng)過FPGA的雙向計數(shù)器輸出后得到當(dāng)前編碼器的計數(shù)值，控制單元通過讀取相應(yīng)地址即可完成編碼器信號的采集，從而實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制［2］。2．2軟件平臺的建立。軟件平臺是數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，搭建工作在PC機(jī)上完成，采用Fedora9系統(tǒng)（RedHat公司）作為交叉開發(fā)環(huán)境，編譯工作通過在PC機(jī)上指定的交叉編譯器（arm－l4inux－gcc工具）完成，使其可在ARM處理器中運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上即可完成Bootloader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)的移植過程，系統(tǒng)的軟件平臺如圖2所示。主要由引導(dǎo)裝載程序、Linux內(nèi)核、GUI（圖形用戶接口）等構(gòu)成，作為軟件平臺的核心Linux內(nèi)核的功能在于調(diào)度進(jìn)程、內(nèi)存管理及通信等；系統(tǒng)運(yùn)行所需的文件和數(shù)控軟件都包含在文件系統(tǒng)內(nèi)；引導(dǎo)裝載程序（u－boot）的作用功能在于硬件設(shè)備的初始化處理、內(nèi)存空間映射表的建立等，以便于操作系統(tǒng)的后續(xù)運(yùn)行；GUI提供了豐富的接口，顯著降低了軟件實(shí)現(xiàn)的難度［3］。2．3實(shí)時性改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)。由于Linux內(nèi)核時鐘粒度較為粗糙且不支持完全的搶占，且IRQ中斷需經(jīng)常關(guān)閉，導(dǎo)致Linux的實(shí)時性較差，為滿足實(shí)時多任務(wù)控制要求需對其進(jìn)行改進(jìn)，本文采用雙內(nèi)核法對Linux進(jìn)行實(shí)時擴(kuò)展，將一個硬件抽象層加入到Linux內(nèi)核與硬件間（使系統(tǒng)有兩個內(nèi)核），負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有的硬件中斷，根據(jù)進(jìn)程對實(shí)時性的要求分配給實(shí)時內(nèi)核或Linux內(nèi)核進(jìn)行處理和調(diào)度，采用該方法的Xenomai專注于實(shí)時性，兼容性較好可支持多平臺使用，采用基于ADEOS的Xenomai使linux更好的滿足工業(yè)實(shí)時性的需求，同時使操作系統(tǒng)建的靈活性和可擴(kuò)展性得以提升，各操作系統(tǒng)運(yùn)行于獨(dú)立的域中，重點(diǎn)在于重新編譯Linux內(nèi)核及制作Xenomai庫，具體的實(shí)時擴(kuò)展工作流程為：先下載好Xenomai源代碼，在Xe－nomai＿root中執(zhí)行scripts（腳本子目錄）中prepare－kernel．sh，為linux內(nèi)核源代碼（位于linux＿tree目錄中）打上Xeno－mai補(bǔ)丁，指定目標(biāo)平臺為ARM架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成Linux內(nèi)核的配置及相關(guān)所需Xenomai選項(xiàng)的選?。ㄈ缡欠耜P(guān)閉FPU或開啟n－ativeAPI等），makebzImage命令在獲取正確的config文件后即可執(zhí)行，通過編譯實(shí)現(xiàn)最終嵌入式實(shí)時Linux內(nèi)核（支持enomai）的獲取，通過對Xenomai源碼進(jìn)行編譯即可使用其API編寫實(shí)時任務(wù)，從而得到相應(yīng)的實(shí)時庫文件，再將庫文件拷貝到／lib目錄中（位于目標(biāo)平臺文件系統(tǒng)），從而完成了數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時化改造過程［4］。

3數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制部分負(fù)責(zé)完成對實(shí)時性要求較高的相關(guān)數(shù)控加工任務(wù)，管理部分負(fù)責(zé)提供實(shí)時性要求低的外圍支持。3．1控制模塊的實(shí)現(xiàn)。該模塊決定著系統(tǒng)的加工性能，需在讀取相應(yīng)數(shù)控程序代碼的基礎(chǔ)上完成一系列的處理，伺服電動機(jī)的驅(qū)動器接收到最終數(shù)據(jù)后，對電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程進(jìn)行控制完成加工任務(wù)，其中位置控制對實(shí)時性的要求最高，可采用Xenomai提供的API編寫實(shí)現(xiàn)，以位置控制模塊為例具體實(shí)現(xiàn)過程如下［5］。（1）首先調(diào)用實(shí)時任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)（位于XenomaiAPI中），函數(shù)在線程創(chuàng)建成功后返回0，具體的函數(shù)表達(dá)式如下：rt＿task＿create（task，constchar＊name，intstksize，intprio，mode）；（2）位置控制的處理函數(shù)表示如下：voidcontrol＿process（void）｛／＊程周期設(shè)為1000μs＊／rt＿task＿set＿periodic（NULL，TM＿NOW，1000000）；while（1）／＊處理位置控制的代碼＊／……｝（3）運(yùn)行位置控制線程所調(diào)用的函數(shù)表示如下：rt＿task＿start（（void＊）control＿process，void＊arg）；接下來開始運(yùn)行control＿process（）函數(shù)，利用Xenomai的實(shí)時管道實(shí)現(xiàn)各控制模塊的數(shù)據(jù)通信（實(shí)時性要求高），創(chuàng)建如下：intrt＿pipe＿create（constchar＊name，intminor，pool－size）讀寫管道數(shù)據(jù)時實(shí)施層調(diào)用函數(shù)如下：ssize＿trt＿pipe＿read（void＊buf，size＿tsize，timeout）；ssize＿trt＿pipe＿write（constvoid＊buf，size＿tsize，intmode）；3．2管理模塊的實(shí)現(xiàn)。采用Linux提供的系統(tǒng)調(diào)用API實(shí)現(xiàn)管理任務(wù)的處理，各管理模塊的連接通過友好的交互界面實(shí)現(xiàn)以便于用戶操作，本文采用Qt／Embedded實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。嵌入式領(lǐng)域的開源GUI項(xiàng)目中的Qt／Em－bedded支持多平臺，基于C＋＋面向?qū)ο?，提供各種圖形用戶界面所需元素，窗口間相互依存關(guān)系在編程時可通過C＋＋的繼承來實(shí)現(xiàn)，能夠使界面程序代碼的重復(fù)部分得以有效降低；窗口中各控件間的通信則可使用Qt中的信號槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)，簡化界面程序編寫過程［6］。

4系統(tǒng)測試

為檢測本文所設(shè)計系統(tǒng)的有效性，對系統(tǒng)各模塊的功能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明系統(tǒng)具備友好的人機(jī)界面，在PC機(jī)上搭建的軟件平臺能夠根據(jù)實(shí)際需要調(diào)度進(jìn)程、管理內(nèi)存等保證了通信質(zhì)量，系統(tǒng)運(yùn)行所需的文件和數(shù)控軟件都包含在文件系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)合提供豐富接口的GUI，使數(shù)控系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)的實(shí)時性得以有效提高，為縮短插補(bǔ)周期、提高加工效率打下基礎(chǔ)，通過Xenomai提供的API編寫可有效實(shí)現(xiàn)代碼解釋、刀具補(bǔ)償、速度規(guī)劃、邏輯運(yùn)算及位置控制等子模塊的功能，具備較高的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

5總結(jié)

本文主要研究了基于嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，采用單CPU架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)基于Linux和ARM，系統(tǒng)的硬件平臺采用FPGA實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制與應(yīng)用接口的外圍擴(kuò)展，軟件平臺采用Linux系統(tǒng)，從而豐富了ARM處理器的片上資源，為滿足數(shù)控系統(tǒng)高精度控制需求，基于Xenomai對Linux完成了實(shí)時性改造，從而使系統(tǒng)的實(shí)時多任務(wù)控制要求得以有效滿足，并利用Xenomai提供的豐富API對系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以確保數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，使其具備較高的靈活性和可靠性。

作者:趙明 單位:煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院