基于Linux的嵌入式数控系统底层软件设计

数控系统是一个复杂的控制系统,特别对于高端的数控系统,它不仅仅要求数控机床具有高加工精度、高可靠性和对复杂曲线的计算能力,而且也要求能给用户提供人性化的操作界面,因此,数控系统是一个计算机科学和机电系统相结合的复合体。 本研究课题以北京航空航天大学为广州数控设备有限公司研发的五轴数控系统作实践平台,本论文以该五轴数控系统为出发点,研究基于Linux的嵌入式数控系统底层软件设计。该数控系统采用ARM+FPGA+DSP+Linux嵌入式体系架构,在ARM平台上,移植了Linux操作系统,采用MiniGUI提供人机交互界面。 在嵌入式数控系统中,底层软件起着承上启下的作用,是下层硬件电路和上层应用程序(如:插补、译码等)之间的纽带,底层软件的方案关系到电路的设计方法,其方案的优劣,又关系到上层应用程序的稳定性和执行效率,因此底层软件在整个系统中有着重要的地位。本文从以下四个方面阐述该数控系统底层软件的设计。 一、数控系统是一个多任务和强实时性并存的系统,在目前的数控系统中,对此问题的解决方案主要有RTLinux操作系统和Linux+DSP两种。本文从内存管理、进程调度等方面深入分析了Linux和RTLinux的优劣,论述了Linux+DSP方案的可行性,并详细阐述了强实时性和弱实时性模块的划分方法。 二、为了使弱实时性模块和强实时性模块能分别在ARM和DSP上协调运行,本文分析了DSP HPI和ARM的硬件接口,根据DSP HPI的访问时序,设计出ARM和DSP的软件通讯方案。 三、为了给用户提供良好的人机交互界面,在Linux系统中移植了MiniGUI作图形界面。本文分析了MiniGUI与硬件的接口原理,从人机接口硬件设计出发,阐述了MiniGUI的移植,以及相应的Linux底层驱动的实现方法。 四、FPGA是ARM、DSP与伺服驱动器之间的桥梁,本文详尽论述了FPGA控制逻辑的实现,通过FPGA,实现ARM和DSP对伺服驱动器等进行闭环控制。 本文所论述的ARM+FPGA+DSP+Linux体系架构,突破了以前的ARM+FPGA+RTLinux体系架构的局限,增强了系统功能,加强了插补运算能力,可适用于大小加工中心数控系统。目前,该五轴数控系统控制部分的软硬件开发工作已基本完成,现处于完善阶段。