ARM+DSP嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　基于 ARM + DSP 的嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　李善鋒，劉敬猛，徐東，陳柏成

　?。?北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

　　摘要： 提出一種以 ARM + DSP 等為硬件基礎(chǔ)的嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將數(shù)控系統(tǒng)按實(shí)時(shí)性分為實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊，采用運(yùn)動(dòng)控制芯片 DSP 保證實(shí)時(shí)性，ARM-Linux 則運(yùn)行實(shí)時(shí)性要求不高但功能復(fù)雜的數(shù)控任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)硬件上采用主從式雙 CPU 結(jié)構(gòu)，軟件架構(gòu)包括界面層、實(shí)時(shí)層和非實(shí)時(shí)層。該方案充分利用了 Linux 的健壯、開(kāi)源、應(yīng)用廣泛和運(yùn)動(dòng)控制芯片 PCL6045 功能強(qiáng)大、算法成熟的優(yōu)勢(shì)完成高性能、低成本 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 該

　　數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、可移植性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞： ARM + DSP 結(jié)構(gòu); 嵌入式數(shù)控系統(tǒng); Linux 操作系統(tǒng)

　　中圖分類(lèi)號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1001 － 3881 （ 2012） 13 － 094 － 4

　　Design of Embedded Linux CNC System Based on ARM and DSP

　　LI Shanfeng，LIU Jingmeng，XU Dong，CHEN Baicheng

　?。?School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

　　Abstract： A novel embedded Linux CNC system based on ARM and DSP was introduced． The CNC system was divided into real-time modules and non real-time modules． The motion control DSP chip can ensure real time，and the ARM-Linux was used to run non real-time complex CNC tasks． The hardware structure was dual-CPU of master /slave mode，and the software architecture contained in-terface layer，real-time layer and the non real-time layer． The design of high-performance and low-cost three-axis CNC system takes advantage of Linux‘s robust，open-source and the chip PCL6045 owned powerful function and sophisticated algorithms． The experi-mental result indicates that the embedded Linux CNC system has perfect real-time and portability．

　　Keywords： ARM + DSP structure; Embedded CNC system; Linux operational system

　　隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，ARM、DSP 處理器性能日益強(qiáng)大，而體積、功耗、成本卻不斷降低; Linux 操作系統(tǒng)健壯開(kāi)源、支持多平臺(tái)、軟件資源豐富，可方便移植到嵌入式系統(tǒng)中。目前 ARM-Linux 技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年出現(xiàn)很多專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制 DSP 芯片如 PCL6045、MCX314 等，運(yùn)動(dòng)控制功能強(qiáng)大、插補(bǔ)算法成熟、實(shí)時(shí)性好。在這一技術(shù)背景下，作者提出一種基于 ARM + DSP 結(jié)構(gòu)的嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)小型化、集成化及經(jīng)濟(jì)普及化有實(shí)際意義。

　　1 嵌入式 Linux 數(shù)控架構(gòu)

　　傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用的解決方案為基于 PC

　　機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制板卡的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式： PC 機(jī)主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)交互、文件管理以及通信等非實(shí)時(shí)數(shù)控操作; 運(yùn)動(dòng)控制板卡負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)床 I /O 等數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求的數(shù)控功能。這種結(jié)構(gòu)將數(shù)控系統(tǒng)中各功能模塊分為實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊兩類(lèi)，由運(yùn)動(dòng)控制板卡來(lái)保證實(shí)時(shí)性要求，充分利用 PC 機(jī)軟件豐富、功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間插補(bǔ)算法，

　　數(shù)控系統(tǒng)軟件功能大大增多增強(qiáng)，形成數(shù)控即軟件的

　　概念。這種方案具有信息處理能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、開(kāi)放程度高、通用性好等特點(diǎn)。但也存在以下缺點(diǎn)： 運(yùn)動(dòng)控制卡需要插入 PC 機(jī)主板的 PCI 或 ISA 插槽，因此每臺(tái)數(shù)控裝置都必須配置一臺(tái) PC 機(jī)作為上位機(jī)，無(wú)疑對(duì)設(shè)備的體積、成本和運(yùn)行環(huán)境都有一

　　［1］

　　定限制，難以獨(dú)立運(yùn)行和小型化 。

　　嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng) PC + 運(yùn)動(dòng)控制板卡方式，將數(shù)控系統(tǒng)也分為實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊

　　分別實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)由硬件層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成。硬件層以 ARM-Linux 為總體控制核心完成數(shù)控系統(tǒng)中任務(wù)調(diào)度、NC 代碼編譯、人機(jī)交互、系統(tǒng)監(jiān)視等非實(shí)時(shí)數(shù)控功能，以 DSP 芯片 PCL6045 為運(yùn)動(dòng)控制核心實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控中的運(yùn)動(dòng)控制要求以保證實(shí)

　　時(shí)性。

　　硬件層之上是操作系統(tǒng)層，這一層又分為驅(qū)動(dòng)層和內(nèi)核層。開(kāi)發(fā)過(guò)程中根據(jù)硬件配置，增加相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序，例如要添加相關(guān)存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備與 I /O 設(shè)

　　備等驅(qū)動(dòng)程序。內(nèi)核層包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和文

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