基于ARM的數(shù)控算法圖示儀設(shè)計

摘 要：設(shè)計一種研究數(shù)字控制(尤其是各種數(shù)字插補算法及其性能和狀態(tài)的研究)的專用數(shù)字圖示儀，其適用于數(shù)控人才培養(yǎng)。該圖示儀能對控制芯片發(fā)出的各類脈沖和電平信號實時捕獲，并進行分析，通過圖形的形式形象地將插補算法，脈沖信號以及運動軌跡之間的關(guān)系以一組按比例縮放的脈沖序列和一個坐標(biāo)圖的形式顯示出來。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，功能實用等特點。
關(guān)鍵詞：ARM；數(shù)控；數(shù)字圖示；脈沖插補；運動軌跡

0 引 言
在數(shù)字控制的研究中經(jīng)常需要檢測多軸驅(qū)動器輸出脈沖，以了解算法、插補脈沖、運動軌跡及其三者之間的關(guān)系。采用普通示波器雖然可以查看脈沖，但由于多數(shù)示波器是基于兩軸設(shè)計的，對三軸和多軸的情況進行觀察時操作很不方便，并且不能反映出脈沖和運動軌跡之間的關(guān)系。此外，在數(shù)控人才培訓(xùn)的過程中，初學(xué)者通過軌跡仿真這一過程來理解和分析整個機床各機構(gòu)的工作原理具有一定的困難，要再進一步分析插補脈沖和機床運動之間的關(guān)系難度更大。
在此設(shè)計了一種基于ARM嵌入式處理器的專用數(shù)字圖示儀，能幫助僅具有基本操作知識的使用者，直觀清楚地了解插補過程中各軸脈沖的關(guān)系和對應(yīng)算法下刀具運動的軌跡。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)以采用NXP公司的ARM7 LPC2136高速處理器作為核心處理硬件，該處理器體積少，功耗低，價格便宜，性能較高，I／O資源豐富，運算速度滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)功能的設(shè)計要求，系統(tǒng)的硬件組成劃分為面板控制模塊、液晶顯示模塊、核心處理單元和運動控制模塊4大部分，如圖1所示。

面板控制模塊是由電位器、琴鍵開關(guān)和扭置開關(guān)等組成的簡單電路，供使用者進行輸入設(shè)置和調(diào)整。ARM處理器通過A／D采樣和電平檢測，獲取電位器分擔(dān)的電壓和各個開關(guān)的狀態(tài)，從而獲取輸入信息。之后根據(jù)輸入信息處理，及時調(diào)整液晶屏幕上的顯示，實現(xiàn)示波調(diào)整和觀測內(nèi)容切換的功能。液晶顯示模塊采用的是金鵬電子生產(chǎn)的OCM 128×128液晶顯示屏，其成本低，體積小，信號處理簡單，驅(qū)動技術(shù)成熟，十分適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。液晶屏的地址和數(shù)據(jù)共用數(shù)據(jù)總線，通過專用端口(如 C／D，CE，RD，WR等)控制數(shù)據(jù)和命令的輸入與輸出，其接口關(guān)系和時序簡單明確，在ARM處理器上編寫驅(qū)動程序十分簡單。運動控制模塊基于專用運動控制芯片MCX314，它擁有4軸(x，y，z，μ軸)驅(qū)動能力。MCX314芯片向步進電動機驅(qū)動器輸出高低電平來控制電機的轉(zhuǎn)動方向；輸出變頻脈沖信號來控制電機的轉(zhuǎn)速。在一定的頻率范圍內(nèi)，芯片輸出脈沖頻率越高，電機的轉(zhuǎn)速越高。ARM處理器對MCX314的輸出脈沖進行捕獲，獲取脈沖的時延，準(zhǔn)確測得各軸的頻率值，再通過軟件算法將插補脈沖與刀具的運動速度和運動方向結(jié)合起來，產(chǎn)生運動軌跡數(shù)據(jù)，通過顯示器模擬出來。從而直觀地顯示出脈沖插補和運動軌跡的對應(yīng)關(guān)系，達到預(yù)期的實驗效果。
系統(tǒng)的具體實現(xiàn)上，MCX314輸出的信號分別為方向信號(高低電平)和脈沖信號，PP代表脈沖；PM代表方向；z，y，z分別對應(yīng)各方向軸。液晶屏采用 I／O方式驅(qū)動，ARM處理器由P0．12～PO．15端口輸出控制信號，由P0．16～P0．23端口寫入或讀取數(shù)據(jù)。顯示波形的縱向增益、橫向增益、觸發(fā)電平及波形的擴展分別通過4個不同的電位器控制，ARM處理器對電位器上的電壓進行A／D采樣獲取輸入信息。另外，還設(shè)計了脈沖、特性和電壓測試，以擴展該數(shù)字圖示儀的應(yīng)用場合。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
軟件系統(tǒng)由運行在實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ上的兩個任務(wù)和獨立于操作系統(tǒng)的一個中斷服務(wù)程序組成。顯示更新任務(wù)負(fù)責(zé)將傳人數(shù)據(jù)以圖形方式及時準(zhǔn)確地顯示在顯示屏上；操作檢測任務(wù)負(fù)責(zé)將外界各項操作的電平信號轉(zhuǎn)換為一定格式的數(shù)據(jù)傳遞給操作系統(tǒng)的其他任務(wù)，以便下一步處理；脈沖捕獲中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)計算運動控制芯片發(fā)送的脈沖頻率，并檢測方向電平的狀態(tài)，確定電機轉(zhuǎn)動方向。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2 所示。