基于 ARM + DSP 的嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設計

　　李善鋒，劉敬猛，徐東，陳柏成

　?。?北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

　　摘要： 提出一種以 ARM + DSP 等為硬件基礎的嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設計方案，將數(shù)控系統(tǒng)按實時性分為實時模塊和非實時模塊，采用運動控制芯片 DSP 保證實時性，ARM-Linux 則運行實時性要求不高但功能復雜的數(shù)控任務。數(shù)控系統(tǒng)硬件上采用主從式雙 CPU 結構，軟件架構包括界面層、實時層和非實時層。該方案充分利用了 Linux 的健壯、開源、應用廣泛和運動控制芯片 PCL6045 功能強大、算法成熟的優(yōu)勢完成高性能、低成本 3 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的設計。實驗結果表明： 該

　　數(shù)控系統(tǒng)實時性好、可移植性強。

　　關鍵詞： ARM + DSP 結構; 嵌入式數(shù)控系統(tǒng); Linux 操作系統(tǒng)

　　中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 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

　　隨著嵌入式技術的發(fā)展，ARM、DSP 處理器性能日益強大，而體積、功耗、成本卻不斷降低; Linux 操作系統(tǒng)健壯開源、支持多平臺、軟件資源豐富，可方便移植到嵌入式系統(tǒng)中。目前 ARM-Linux 技術在嵌入式領域得到廣泛應用。近年出現(xiàn)很多專用運動控制 DSP 芯片如 PCL6045、MCX314 等，運動控制功能強大、插補算法成熟、實時性好。在這一技術背景下，作者提出一種基于 ARM + DSP 結構的嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)設計方法，對數(shù)控系統(tǒng)小型化、集成化及經濟普及化有實際意義。

　　1 嵌入式 Linux 數(shù)控架構

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

　　機和運動控制板卡的結構實現(xiàn)方式： PC 機主要實現(xiàn)用戶交互、文件管理以及通信等非實時數(shù)控操作; 運動控制板卡負責運動控制和機床 I /O 等數(shù)控系統(tǒng)中對實時性有嚴格要求的數(shù)控功能。這種結構將數(shù)控系統(tǒng)中各功能模塊分為實時模塊和非實時模塊兩類，由運動控制板卡來保證實時性要求，充分利用 PC 機軟件豐富、功能強大的優(yōu)勢，可實現(xiàn)復雜空間插補算法，

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

　　概念。這種方案具有信息處理能力強、運動軌跡控制準確、開放程度高、通用性好等特點。但也存在以下缺點： 運動控制卡需要插入 PC 機主板的 PCI 或 ISA 插槽，因此每臺數(shù)控裝置都必須配置一臺 PC 機作為上位機，無疑對設備的體積、成本和運行環(huán)境都有一

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　　定限制，難以獨立運行和小型化 。

　　嵌入式 Linux 數(shù)控系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng) PC + 運動控制板卡方式，將數(shù)控系統(tǒng)也分為實時模塊和非實時模塊

　　分別實現(xiàn)。整個系統(tǒng)由硬件層、操作系統(tǒng)層和應用層組成。硬件層以 ARM-Linux 為總體控制核心完成數(shù)控系統(tǒng)中任務調度、NC 代碼編譯、人機交互、系統(tǒng)監(jiān)視等非實時數(shù)控功能，以 DSP 芯片 PCL6045 為運動控制核心實現(xiàn)各種數(shù)控中的運動控制要求以保證實

　　時性。

　　硬件層之上是操作系統(tǒng)層，這一層又分為驅動層和內核層。開發(fā)過程中根據(jù)硬件配置，增加相應驅動程序，例如要添加相關存儲設備、通信設備與 I /O 設

　　備等驅動程序。內核層包括進程管理、內存管理和文

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