博创嵌入式核心模块UP-SOM44B0在数控系统中的应用

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一．项目背景
2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。由于国外企业将不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。
: F2 j- k, r3 l4 ?9 Y" R在这种严峻的形式下，我们必须发愤图强，开发出适合我国国情的具有自主知识产权的数控系统。本文是以广州数控与博创合作项目为背景，经过一年来不懈的努力，顺利完成了研制任务。
二．嵌入式数控系统体系结构设计
$ x  T9 N; q) Y3 B# g( M2 _通常一个数控系统的总体框图如图1所示，由控制系统、伺服驱动系统和伺服电机组成。控制系统生成的坐标轴运动指令，由FPGA进行细插补，最后形成脉冲串的形式发送给伺服驱动系统，最后伺服驱动系统形成运动指令控制伺服电机运转。

图1 数控系统的总体结构
; e7 c, H# E% z4 a7 S" ?本文以一个三轴开环数控系统为应用研究对象，拟设计一套基于ARM嵌入式微处理器和FPGA的嵌入式数控系统，即图1 的控制系统部分。
$ L/ _$ n2 S" x3 @. M, n! g因为微处理器的运算资源和FPGA的逻辑资源还是有限的，而且微处理器擅长的是串行的数据处理，而FPGA擅长的是并行的逻辑处理，因此项目中对功能实现的软硬件进行了划分。从硬件设计者的角度上去分析，整个电路板系统可以分为板级系统和芯片级系统。板级系统由微处理器子系统，FPGA子系统，DA转换子系统，信号隔离与转换子系统，电源子系统构成。结构框图如图2所示。
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* L  ~7 e4 ^% u  }7 u- C图2 板级系统框图
* T* ?: k0 j5 H3 }6 {8 T: _由于篇幅所限，所以本文进对微处理器子系统进行简要介绍。微处理器子系统包括ARM子系统、存储器子系统和LCD接口、通信接口和串行接口，组成框图如图3所示。图中虚框内为博创系统核心模块UP-SOM44B0。

) M/ N  B, B3 ?5 @7 A' p  ~/ Z图3 微处理器子系统框图
4 W8 O1 r1 \9 H% G其中，ARM是一种嵌入式处理器，主要负责运算，存储器负责程序和数据的存储以及文件系统，通信接口负责加工程序的下载和上传，并行接口实现与FPGA的通信，串行接口实现对DA转换器的控制存储器子系统包括FLASH、SDRAM和NVRAM。FLASH存储程序和文件，SDRAM存储系统运行时的程序和数据，NVRAM存储实时的系统状态。通信接口实现与PC机的基于RS232标准的数据通信。并行接口实现与FPGA的数据通信，串行接口实现对DA转换器控制。
三．软硬件联调和机床加工试验
经过测试，本系统的IO输出信号可以驱动机床一般使用的继电器。可以实现如下的功能：主轴正反转和停，冷却液的开关控制，润滑油的开关控制，正向反向换刀，刀架制动，主轴制动。卡盘和尾座功能由于机床没有装备，所以没有进行测试。
7 ]5 O- w9 @( M" x普通IO输入信号可以接受机床的信号有：刀架到位信号，刀架锁紧信号，减速信号，零位信号，循环启动信号,主轴转速到达信号和刀架选通信号等等。
) ?+ M- I5 \; p) {四．展望
最近5年，中国的数控机床无论在产品种类，数量和质量上都取得了长足的进步，我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用，逐渐占有国内市场，并出口多个国家。随着我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。但是，数控系统这个关键技术就目前来讲仍然只有少数几个国家掌握，由于国外企业将不愿也不可能转让技术，国内用户只有采购外资产品，从而导致国内数控产业难以壮大。
$ {1 t) U, b0 S2 E8 s* t  \基于博创嵌入式核心模块UP-SOM44B0的数控系统在技术取得了前所未有的突破，使数控系统在技术上已经不是不可逾越的高山，为中国的数控发展奠定了良好的基础，从此中国拥有了属于自己的具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台，并在广州数控得到了良好的应用。相信在不久的将来，我们将用有多种机床类型的配套数控系统，我们有信心也有能力做到这一点，对其未来充满信心。
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