摘要：磨床是一種對控制精度要求較高的工件加工機(jī)器，磨床通過對砂輪和工件進(jìn)給位置的控制來實(shí)現(xiàn)對磨削量的控制，控制系統(tǒng)對進(jìn)給量控制精度的高低將會對磨床加工精度產(chǎn)生直接影響，傳統(tǒng)的基于運(yùn)動控制卡的磨床控制系統(tǒng)價格較為昂貴，且系統(tǒng)擴(kuò)展性差，為了解決上述問題，論文提出了一種基于雙CPU的磨床控制系統(tǒng)，以較低的價格實(shí)現(xiàn)磨床的高精度控制。

關(guān)鍵詞：磨床 ARM DSP 運(yùn)動控制

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

1引言

磨床是一種利用磨具對工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床，大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行磨削加工，對于這類磨床，控制系統(tǒng)通過改變砂輪和工件之間的相對位置來控制磨削量，因此對工件進(jìn)給量的控制對加工精度有著重要的影響，傳統(tǒng)的磨床控制系統(tǒng)大都以運(yùn)動控制卡作為控制核心，但運(yùn)動控制卡是基于PC總線的，使用運(yùn)動控制卡的時候必須得為其配備PC機(jī)，這就導(dǎo)致這種控制系統(tǒng)價格較為昂貴。本文提出了一種基于雙CPU的嵌入式磨床控制系統(tǒng)，采用ARM處理核心實(shí)現(xiàn)邏輯事物處理，采用DSP處理核心實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，通過雙CPU之間的數(shù)據(jù)共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙CPU的協(xié)調(diào)運(yùn)作，以此達(dá)到磨床的高精度控制。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

磨床控制系統(tǒng)要完成三個主要工作：首先是I/O邏輯控制，包括磨床的所有輸入輸出點(diǎn)的邏輯控制；其次是對伺服系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)砂輪進(jìn)給量的精確控制；最后是各個控制模塊之間的交互。設(shè)計(jì)雙CPU控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于分配好雙CPU的硬件資源及協(xié)調(diào)兩個CPU的關(guān)系，使其在充分利用現(xiàn)有資源的前提下，達(dá)到對磨床的高速、高精度的控制。本文使用ARM處理器實(shí)現(xiàn)磨床的邏輯控制，使用DSP處理器實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的控制，兩個處理器之間通過數(shù)據(jù)共享模塊進(jìn)行核間通信?；陔pCPU的磨床控制器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2核間交互設(shè)計(jì)

為了完成對磨床的控制任務(wù)，兩個處理器之間必須實(shí)現(xiàn)核間交互，通過核間交互來達(dá)到協(xié)同工作的目的，在本系統(tǒng)中雙CPU之間包括命令交互和數(shù)據(jù)交互兩個交互任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中我們將負(fù)責(zé)邏輯控制的ARM處理器當(dāng)作主處理器，將負(fù)責(zé)伺服系統(tǒng)控制的DSP處理器當(dāng)做從處理器。

命令交互主要是運(yùn)動控制命令的交互，主處理器根據(jù)控制邏輯得到伺服系統(tǒng)運(yùn)動控制命令之后通過命令交互模塊將命令信號從主處理器傳輸給從處理器，從處理器根據(jù)命令類型控制伺服系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作。論文采用共享虛擬內(nèi)存技術(shù)來實(shí)現(xiàn)雙CPU之間數(shù)據(jù)的交互，將本地內(nèi)存分為兩部分：局部內(nèi)存區(qū)與虛擬內(nèi)存區(qū)。局部內(nèi)存區(qū)完成本CPU的工作，虛擬內(nèi)存區(qū)完成雙CPU之間數(shù)據(jù)交換工作，虛擬內(nèi)存去主要用于存放伺服驅(qū)動器的控制參數(shù)，當(dāng)虛擬內(nèi)存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，就發(fā)起通信請求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

核間交互通過232串口通信方式實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)主要包括串口通信管理與數(shù)據(jù)幀處理。其串口通信管理由處理器硬件實(shí)現(xiàn)，在程序中只需對串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作及串口中斷控制，其數(shù)據(jù)傳輸由硬件自動完成。

2.3軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用雙CPU形式設(shè)計(jì)，對程序管理帶來不便。為解決這個問題，本設(shè)計(jì)采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì)：硬件驅(qū)動層、調(diào)度邏輯層和應(yīng)用邏輯層。其中：

（1）硬件驅(qū)動層，主要包括PWM驅(qū)動輸出、I/O驅(qū)動、SPI總線通信、伺服系統(tǒng)控制及電機(jī)位置信息采集的處理等。該層為調(diào)度邏輯層提供對受控目標(biāo)的接口，程序與具體硬件相關(guān)。

（2）調(diào)度邏輯層，主要完成調(diào)度算法的設(shè)計(jì)，包括應(yīng)用層軟件的調(diào)度控制、命令交互控制、數(shù)據(jù)共享控制等工作，是整個控制軟件的核心層。

（3）應(yīng)用邏輯層，主要完成具體的控制行為，包括ARM核心的邏輯控制程序和DSP核心的運(yùn)動控制程序，這部分程序需按照磨床的實(shí)際控制邏輯進(jìn)行編寫。

3結(jié)語

磨床控制系統(tǒng)既包括I/O邏輯控制部分，又包括伺服運(yùn)動控制部分。I/O邏輯控制中變量之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，需要考慮的問題較多，但計(jì)算量較少；而在伺服運(yùn)動控制部分控制邏輯簡單，但是需要進(jìn)行大量的復(fù)雜計(jì)算，并對響應(yīng)時間要求較高。針對這些問題，本文提出的基于雙CPU的磨床控制系統(tǒng)，其中ARM核心負(fù)責(zé)邏輯控制，DSP核心負(fù)責(zé)完成電機(jī)運(yùn)動速度的計(jì)算與指令脈沖信號（PWM信號）的輸出。通過上述設(shè)計(jì)就可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)磨床的高精度控制，所以本設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用價值。

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收稿日期：2015-02-09

作者簡介：孫樹見（1988—）男，安徽蚌埠人，在讀研究生，研究方向：運(yùn)動控制。