基于ARM11和FPGA全功能数控系统技术方案

本发明专利技术公开了基于ARM11和FPGA全功能数控系统。主控制器包括加工程序的输入和显示，并将输入的数控加工代码进行格式检查和编译，然后进行刀具补偿计算，并将计算结果通过并行总线发送给运动控制子系统，并且能够实时查询运动控制器子系统的运行状态和处理运动控制器发送的请求；运动控制器包括通过并口总线接受来自主控系统的圆弧、直线目标位移数据及速度、加速度和IO控制命令，同时系统的工作状态反馈给主控制器。本发明专利技术的有益效果是能够提供高速高精控制的运动控制器及平台。

Full function CNC system based on ARM11 and FPGA

The invention discloses a full function CNC system based on ARM11 and FPGA. The main controller comprises a processing program input and display, and the NC code input format check and compile, then the tool compensation calculation, and the calculation results through parallel bus sent to the motion control subsystem, and is capable of transmitting real-time query processing subsystem and motion controller motion controller request; motion controller including arc, linear target velocity and acceleration and displacement data and IO control commands from the main control system through parallel bus, and the system state feedback to the main controller. The beneficial effect of the invention is that the motion controller and platform can be provided with high speed and high precision control.

【技术实现步骤摘要】
基于ARM11和FPGA全功能数控系统
本专利技术属于数控
，涉及基于ARM11和FPGA全功能数控系统。
技术介绍
数控系统的工作原理是通过键盘、USB等方式接收机床加工零件的各种数据信息，然后经过译码形成工件轮廓轨迹，对这些轮廓添加刀具偏移距离使之成为机床加工的走刀轨迹，之后对走刀轨迹进行速度和插补计算，最终转换成符合加工要求的脉冲参数控制各运动轴动作。从实时性的角度，数控系统可以分为实时性较弱的上位机和实时性要求比较严格的运动控制器。目前的数控系统主要依靠进口，国产的硬件设备和软件基础相应比较薄弱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于ARM11和FPGA全功能数控系统本专利技术所采用的技术方案是使用ARM11处理器和现场可编程门阵列(FPGA)作为系统的硬件基础，通过Linux+Xenomai的实时多任务操作系统构建数控系统软件开发平台。其由主控制器和运动控制器组成；其中，主控制器功能为：加工程序的输入和显示，并将输入的数控加工代码进行格式检查和编译，然后进行刀具补偿计算，并将计算结果通过并行总线发送给运动控制子系统，并且能够实时查询运动控制器子系统的运行状态和处理运动控制器发送的请求；运动控制器的功能为：通过并口总线接受来自主控系统的圆弧、直线目标位移数据及速度、加速度和IO控制命令，同时系统的工作状态反馈给主控制器；主控制器控制软件以基于Xenomai实时性的嵌入式Linux系统为基础，形成能够支持多任务的实时性软件平台；以NiosII软核为软件基础构建可以实现高速高精控制的运动控制器软件平台。进一步，主控制器最小系统包括核心芯片s3c6410、电源、时钟、复位电路、DDRAM、NANDFlash和JTAG电路，主控系统的外设接口包括8寸TFTLCD、以太网口、USB、SD卡和数控键盘；采用2片16位的DDRAM芯片K4X51163PEL组成32位的DDRAM使用，s3c6410处理器与DDRAM连接中，CS、/CS是差分时钟输入信号，CKE是时钟使能信号，/CS作为芯片的片选信号，RAS、/CAS、/WE是芯片读写的命令信号，L(U)DM是数据输入掩码信号，L(U)DQS为数据选通信号，LDQS对应高8位数据，UDQS对应低8位数据，s3c6410处理器的低位数据线DATA[15..0]和DM[1..0]相组合控制的低位DDRAM，高位数据线DATA[31..15]和DM[3..2]相组合控制高位的DDRAM，ADDR[15..0]作为DDRAM的地址信号，Nandflash型号为K9LBG8U0，s3c6410与Nandflash的连接中，Nandflash的存储片选信号为CS[3..2]，指令锁存使能信号为FCLE，片选使能信号为FALE，片选读/写使能信号为FREN/FWEN；运动控制器通过并口总线模块与上位机通讯，接受来自上位机译码和刀补之后计算生成的直线、圆弧轮廓数据、速度控制参数和I/O控制命令，同时控制器通过该模块将当前的工作状态发送给上位机；NiosⅡ软核作为控制器的核心模块，首先要读取数据存储模块中的位移、速度和加速度数据，根据要求完成速度控制和粗插补计算，然后将单个插补周期的位移增量发送到精插补模块，精插补模块将收到的位移增量数据转化为脉冲和方向信号输入到驱动中，控制电机协调进给；同时NiosII读取编码器模块中电机位置数据并存储，以便上位机读取；运动控制器核心芯片型号为EP4CE15F17C8N，s3c6410处理器与EP4CE15F17C8N并口总线连接，在EP4CE15F17C8内构建双口RAM实现数据的存储并作为运动控制器端的数据接口，同时s3c6410端选择32位外部存储模块控制器与之相连。进一步，主控制器的主控系统软件分成Linux实时性操作系统和数控系统功能软件两大部分；主控系统采用基于Xenomai的实时性Linux软件平台，Linux内核采用基于分时技术的任务调度方式处理实时性要求不高的任务；由于Xenomai内核支持实时任务抢断机制，实时性任务可以交由Xenomai内核处理，这样数控系统任务就可以由分时共享和实时任务中断抢占相结合的方式调度实现；Linux实时性操作系统中，BooLoader负责完成上电启动后数控系统硬件和软件的初始化和实时Linux内核的引导工作，数控键盘和LCD负责人机交互工作，并口驱动完成主控系统和运动控制器之间的数据交换，网口驱动完成数控系统与外界的远程通信功能，通过U盘下载外界平台的开发的数控加工程序；数控系统功能软件包括：1.数控加工代码的输入、存储，代码的编辑和解释；2.在经过解析的数控代码的基础上，按照要求进行刀补计算并且生成刀补数据；3.主控系统输入输出的检测；4.将刀补数据、速度参数、操作指令等信息传递给运动控制器，读取运动控制系统的操作状态；5.进行网络管理，可以从网络中下载数控加工代码、操作指令等功能，可以上传数控机床当前状态；6.可以将U盘中数控代码读入并且可以将数控系统状态写入U盘。进一步，运动控制器包含基于FPGA和NiosII运动控制系统软件，包括主程序和定时中断程序两部分；主程序主要完成从上位机接收刀补数据和参数指令数据同时将自身状态数据发送到上位机，根据上位机传递的刀补和参数指令数据完成速度控制运算和粗插补计算从而得到精插补数据；定时中断程序实现将精插补数据传递到精插补模块中并且控制精插补计算的启动和停止，读取并且根据上位机要求处理外部输入输出信号，读取编码器模块反馈电机的位置数据，精插补模块将精插补数据转换成脉冲和方向信号并将此信号传递给伺服电机控制数控机床协调进给。本专利技术的有益效果是能够提供高速高精控制的运动控制器及平台。附图说明图1是系统硬件组成示意图；图2是三轴数控系统硬件总体设计方案；图3是三轴数控系统硬件总体设计方案；图4是s3c6410与DDRAM连接图；图5是s3c6410与Nandflash的连接图；图6是s3c6410与SD卡的连接图；图7是s3c6410与网口连接图；图8是s3c6410与LCD连接图；图9是运动控制器硬件构成；图10是s3c6410与FPGA连接图；图11是FPGA最小系统；图12是FPGA与SDRAM连接图；图13是主控系统软件架构；图14是运动控制器软件架构。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术以ARM11和FPGA为基础的全功能数控系统的构建方案：硬件上以三星公司的ARM11芯片s3c6410和Altera公司的FPGA芯片为基础，再配合外围电路，构成满足功能需求的数控系统硬件平台；上位机控制软件以基于Xenomai实时性的嵌入式Linux系统为基础，形成能够支持多任务的实时性软件平台；以NiosII软核为软件基础构建可以实现高速高精控制的运动控制器软件平台。本专利技术数控系统由主控制器和运动控制器两大部分组成，其总体结构如图1所示。主控制器功能为：加工程序的输入和显示，并将输入的数控加工代码进行格式检查和编译，然后进行刀具补偿计算，并将计算结果通过并行总线发送给运动控制子系统，并且能够实时查询运动控制器子系统的运行状态和处理运动控制器发送的请求。运动控制器的功能为：通过并口总线接受来自主控系统的圆弧、直线目标位移数据及速本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于ARM11和FPGA全功能数控系统，其特征在于：由主控制器和运动控制器组成；其中，主控制器功能为：加工程序的输入和显示，并将输入的数控加工代码进行格式检查和编译，然后进行刀具补偿计算，并将计算结果通过并行总线发送给运动控制子系统，并且能够实时查询运动控制器子系统的运行状态和处理运动控制器发送的请求；运动控制器的功能为：通过并口总线接受来自主控系统的圆弧、直线目标位移数据及速度、加速度和IO控制命令，同时系统的工作状态反馈给主控制器；主控制器控制软件以基于Xenomai实时性的嵌入式Linux系统为基础，形成能够支持多任务的实时性软件平台；以Nios II软核为软件基础构建可以实现高速高精控制的运动控制器软件平台。

【技术特征摘要】
1.基于ARM11和FPGA全功能数控系统，其特征在于：由主控制器和运动控制器组成；其中，主控制器功能为：加工程序的输入和显示，并将输入的数控加工代码进行格式检查和编译，然后进行刀具补偿计算，并将计算结果通过并行总线发送给运动控制子系统，并且能够实时查询运动控制器子系统的运行状态和处理运动控制器发送的请求；运动控制器的功能为：通过并口总线接受来自主控系统的圆弧、直线目标位移数据及速度、加速度和IO控制命令，同时系统的工作状态反馈给主控制器；主控制器控制软件以基于Xenomai实时性的嵌入式Linux系统为基础，形成能够支持多任务的实时性软件平台；以NiosII软核为软件基础构建可以实现高速高精控制的运动控制器软件平台。2.按照权利要求1所述基于ARM11和FPGA全功能数控系统，其特征在于：所述主控制器最小系统包括核心芯片s3c6410、电源、时钟、复位电路、DDRAM、NANDFlash和JTAG电路，主控系统的外设接口包括8寸TFTLCD、以太网口、USB、SD卡和数控键盘；采用2片16位的DDRAM芯片K4X51163PEL组成32位的DDRAM使用，s3c6410处理器与DDRAM连接中，CS、/CS是差分时钟输入信号，CKE是时钟使能信号，/CS作为芯片的片选信号，RAS、/CAS、/WE是芯片读写的命令信号，L(U)DM是数据输入掩码信号，L(U)DQS为数据选通信号，LDQS对应高8位数据，UDQS对应低8位数据，s3c6410处理器的低位数据线DATA[15..0]和DM[1..0]相组合控制的低位DDRAM，高位数据线DATA[31..15]和DM[3..2]相组合控制高位的DDRAM，ADDR[15..0]作为DDRAM的地址信号，Nandflash型号为K9LBG8U0，s3c6410与Nandflash的连接中，Nandflash的存储片选信号为CS[3..2]，指令锁存使能信号为FCLE，片选使能信号为FALE，片选读/写使能信号为FREN/FWEN；所述运动控制器通过并口总线模块与上位机通讯，接受来自上位机译码和刀补之后计算生成的直线、圆弧轮廓数据、速度控制参数和I/O控制命令，同时控制器通过该模块将当前的工作状态发送给上位机；NiosⅡ软核作为控制器的核心模块，首先要读取数据存储模块中的位移、速度和加速度数据，根据要求完成速度控制和粗插补计算，然后将单个插补周期的位移增量发送到精插补模块，精插补模块将收到的位移增量数据转...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷红梅，王鸿翔，姜海林，汪木兰，
申请(专利权)人：淮安信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32