基于ARM处理器的数控雕刻机控制系统设计

　　传器本文介绍的基于ARM处理器的数控雕刻机系统，在克服这些问题的基础上，使操作更加人性化、简洁化。

　　1数控雕刻系统总体设计数控雕刻机是一种能够装载数控雕刻程序自动控制雕刻机运动的加工系统，它通常由雕刻机控制计算系统、数控装置、主轴控制系统和进给控制系统组成。雕刻程序计算系统由计算机和雕刻软件组成，如所示，数控雕刻机系统是一种典型的数控系统，在系统中，PC机上已经开发出了相应的软件，可以把需要雕刻的文字、图像进行数字化，系统控制程序根据这些数据，产生一系列连续的数控指令，用来控制主轴转速、进给速度、换刀、运动暂停等。雕刻软件根据设计图样和刀具自动算出刀具的运动位置，即刀位点，并将它们写入雕刻程序。数控系统从雕刻程序中读取刀位点之后自动计算各个坐标轴的运动分量，连续发送脉冲给电机，以控制各个轴的运动，最终完成图像等的雕刻。

　　上轴控制雕刻机控制计算机进给控制雕刻机力具2.1数控雕刻系统硬件结构框图基于ARM的数控雕刻机控制系统主要由上位机、处理器控制板、硬件加密、键盘、数模转换几部分组成，具体如所示，上位机主要是通过相应的雕刻软件计算出需要雕刻图像的G代码，然后把这些数据代码通过PCI总线放到双端口RAM中去，主控制器STM32F103ZET6主要是把双端口RAM里面的数据取出来，计算出道具的位置然后送到道具控制器里面去，同时它要通过键盘完成人机交互，软件设计时可以根据处理器的实际资源使用情况，让它承担更多的计算工作，减少上位机的工作量，提高了整个雕刻机的实时性，控制器还会实时采集刀具的现场情况，根据实际工作现场做出相应的措施。硬件加密主要防止系统被人复制，起到产权保护的作用，同时由于整个系统中有3.3V的子系统，也有5.0V的子系统，它还可以在硬件上减小不同电源系统之间产生的干扰，提高系统的稳定性。

　　PCI总线接口电路数控雕刻系统中用到的PCI接口芯片是CH365，这款芯片是一种通用的PCI总线接口芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断操作。CH365将32位高速PCI总线转换为简易的类似于ISA总线的8位主动并行接口，用于制作成本的基于PCI总线的计算机板卡，以及将原来基于ISA总线的板卡升级到PCI总线上来，它的主要特点是实现基于32位PCI总线的从设备、转换为主动并行接口。数控雕刻系统的PCI接口电路如所示。

　　图中的AD是地址、双向数据复用信号线，CBE是总线命令、字节使能复用线，PAR是奇偶校验信号，IDSEL是初始化设备选择信号，FRAME是帧周期开始信号，IRDY是发起设备准备好信号，同时主板的PCI插槽想系统提供三种不同的电源。

　　PCI接口与DRAM接口电路双端口RAM有两路相互独立的数据、地址总线，可以同时有两个CPU对它进行操作，数控雕刻机系统利用了双端口的这种功能，工作在PC机上面的软件根据需要雕刻的图像，产生G PC丨接口电路代码，然后把这写数据代码放到双端口RAM中缓存，由于PC机的运行速度快，一次行可以产生大量的数据，工作在数控雕刻机系统上面的MCU（STM32F103）从双口RAM读取数据，通过运算后将结果送到刀具控制器PCL6045上去，采用这种方式，可以保证PCL6045能连续得到数据，且不用频繁向PC发出中断请求或由PC机频繁查询PCL6045的状态，PC机系统和数控系统均可高效运行。采用的双端口RAM是IDT公司生2.2.3控制器电路数控雕刻机系统上面的控制器采用的是ST公司生产的基于ARM公司Cortex-M3内核的ARM处理器STM32F103-ZET6.这款ARM处理器具有很高的性价比，外设相当丰富，夕卜设总线上时钟频率可以达到9MHz，这是目前市面很多RAM9处理器都不能达到的频率，这样高的速度能够满足数控雕刻机系统的实时性要求。这款处理器内部集成了512K的Flash，不用外扩ROM就可以存储大量程序代码，这款处理器内部还集成了多达6路的串口，一个CAN控制器，共有3组18路12位的ADC，可以保证数控雕刻机现场数据采集，同时这款处理器加了处理器的运算能力，数控雕刻机系统外扩了1M的SRAM，由于控制雕刻机工作的时候，需要接受来自PC机的大量的数据，外扩的这1MSRAM就是用来存储这些数据的。同时处理器还需要跟前端的双端口RAM进行通信，相当于STM32F103ZET6上面挂了两片RAM.虽然处理器上面带了DAC，但由于自带的DAC精度和速度都不能满足数控雕刻机的要求，所以文章中外接了一片4通道16位的DAC，它通过SPI总线挂载处理器上面，STM32系列处理器含有非常丰富的总线，每种总线都有好几组，其中SPI就有3组。

　　数控雕刻机系统的控制器电路如所示，图中启动模式部分是用于控制STM32的启动方式的，STM32系列处理器有三种启动方式，分别是从主Flash里面启动，系统Flash里启动，RAM里面启动，其中主Flash就是存放用户自己写的应用代码，选择这种启动方式，上电就可以执行用户程序；系统Flash里面是ST公司出厂就固化的代码，在通过串口或者CAN下载程序的时候，就需要选择这种启动方式，系统Flash里面的程序和上位机的程序进行通信就可以把用户程序下载到用户空间去，从RAM里面启动主要是用在调试的时候，把用户代码放在RAM中，就选择这种启动方式。

　　2.2.4数模转换电路数控雕刻机系统需要模拟信号对现场进行实时控制，文章控制器电路所设计的系统采用了数模转换电路，选用的DA器件是LINEAR公司生产的LTC2654I，这是一款16位高速4通道工业级的DA芯片。这部分具体电路如所示，图中的5V电源部分使用1H的电感，隔离了来至其它部分的干扰，这款DA最后输出的是电压信号，为了提高这些电压信号的驱动能力，系统采用电压串联负反馈电路进行处理，图只画出了其中一路，运算放大器采用的是LM324，这部分电路有很大的输入阻抗，输出阻抗很小，因此带负载的能力很强。

　　2.2.5刀具运动控制电路文章中设计的数控雕刻系统的运动控制部分采用的是曰本NPM公司生产的四轴运动控制芯片PCL645，这款芯片目前是业界功能最强大的专用DSP运动控制芯片，可内部直线插补，圆弧插补和多段曲线运动，用来控制步进电机交流伺服和直流伺服。它跟处理器的接口框图如所示，在这里是直接把它挂在处理器的数据总线上，但是由于PCL645只有A到A4这样5根地址线，文中设计时把CPU的其它地址线以及片选信号经过CPLD进行加密，由这些信号线经过―定的逻辑运算得到PCL645的片选信号。

　　用于控制接口模式，文中设计稳信一体化工控机在铁路高速货车转向架生产检测系统中的应用上海稳信计算机信息有限公司1应用背景随着国民经济的快速发展，中国铁路货运吞吐量一直位居世界前列，这对承载货运通行的新型货车提出新的设计和发展要求。传统货车其转向架已不能满足新型提速货车的需要，因此，研制开发一系列新型货车转向架，提高货车在抗菱刚度、高速转向稳定性和平衡性能力，降低零部件的非正常磨耗效果，提升货运车辆的安全运行是非常必要的。

　　本文介绍国内原铁道部下属某机车公司和某大学共同研制的高速货车转向架检测系统，采用稳信一体化工控机，成功应用于中国铁路系统北车集团和南车集团下属30多家货车生产工厂和车辆段，2002年至今硬软件及其系统使用情况良好，达到了预期的效果。

　　2转向架检测系统参数和要求在生产线上，系统能够自动并快速测量各参数，包括：对角线差、修正对角线长度之差、轴距差等参数；参数能够自动生成报表并输出到打印机报表存档；系统配备高精度的标定转向架，能随时进行系统误差修正；自动记录检测结果作为产品生产质量控制的依据；作为现有交叉支撑转向架组装工装的配套检测设备。

　　测量系统由稳信一体化工控机、测量装置、信号采集装置、气动装置及打印机组成。系统原理如图所示。

　　3系统采用一体化工控机性能要求抗电磁干扰能力强、防尘、抗震动、耐高低温；MTBF长达5万小时以上，使用寿命长，符合现场24小系统原理图时连续长时间无故障稳定工作运行的质量要求；15"高亮度长寿命液晶屏幕，集成键盘和鼠标触摸板，操作方便；主机支持操作系统及应用软件一键恢复功能，大幅度缩短系统维护时间，操作简单，易于自行维护。

　　经过七年多时间的现场运行和不断完善，采用稳信一体化工控机为硬件数据处理平台的检测系统已成功检测了几万台各种状态的转向架，经严格检测后的产品已全面装备到新一代高速货运机车中。检测结果表明，该系统测量准确、精度高、速度快，完全满足安全生产的需要，确保了产品的质量。

　　读取盘写X启动命令I结柬I运动控制流程图STM32F103ZET6这款处理器的外的据（上接第92页）3数控雕刻机系统软件设计由于在系统中ARM处理器主要起一个辅助的作用，具体就是根据双端口RAM里面的数据，对数据进行简单的处理，向PCL6045发出相应的控制指令，完成整个雕刻工作，同时ARM处理器还要采集现场的情况，根据采集到的数据判断雕刻机工作是否正常，其中对PCL6045的控制程序框图如所示，PCL6045内部有很多的寄存器用来控制运动，比如速度、运动模式等等，在写程序的时候，只需要操作这些寄存器就可以了。设相当丰富，所以它的各种寄存器也就十分多，ST公司为了方便用户使用这一些列CPU，把对CPU外设的操作制作成了一个软件库，用户在写程序的时候，只需要调用库里相应的函数就可以很方便地操作CPU的外设资源，文中设计的系统采用ST公司的3.3.0版本标准外设库进行软件设计的，开发环境采用的是Keil公司的MDK集成编译器。

　　4结束语基于ARM处理器的数控雕刻机系统，硬件采用嵌入式实时控制微处理器STM32F103ZET6，同时跟PC机通过PCI总线进行通信，满足雕刻机控制系统实际使用需要，目前该系统已被国内某大型雕刻机设备生产商所采用，已经由成都中嵌科技有限公司进行实际生产。