雙核嵌入式磨料水射流機床控制系統設計研究
2018-3-7 來源：上海第二工業大學 上海大學機器人 作者：楊淑珍 俞濤
摘要: 在分析高壓磨料水射流機床的工作原理的基礎上，研究了基于 SPEAr600 的雙核嵌入式磨料水射流機床控制系統設計。具體內容包含雙核 CPU 的選取，雙核系統硬件結構框圖以及基于 SPEAr600 雙核 CPU 設計的高壓磨料水射流機床數控系統結構，并詳細介紹了數控系統的軟件層次結構和功能模塊。新的雙核設計大大提高了數控系統的性能，而且很大幅度上降低了成本和功耗，可以借鑒用于其他雙核或多核數控系統設計。
關鍵詞: 數控系統; 磨料水射流; 雙核; 嵌入式; SPEAr600
0 引言
近年，在多媒體以及手機領域廣泛采用雙核、四核甚至八核的同時，在數字控制領域卻很少使用雙核處理器。隨著處理器價格的不斷降低，周邊軟件的完善 ，目前雙核系統開始逐漸走入嵌入式數控領域。雙核處理器技術引入數控系統是提高數控性能的有效方法。因為處理器的實際性能是指處理器在每個時鐘周期內其所能夠處理指令數的總量，如果增加一個內核，處理器的每個時鐘周期內可執行的單元數則將增加一倍。
也就是原來一個核同時處理插補，同時又要處理圖形加工路線的仿真，現在可以分配到兩個內核處理。另外，多核處理器的另一個重要優勢就是可以降低隨著單核處理器頻率上升所帶來的熱量及功耗的上升。多核心處理器有助于為更加先進的軟件和硬件系統提供卓越的性能，可以設計出更高性能的控制系統。
本文基于 SPEAr600 雙核 CPU 探討和研究了磨料水射流 機 床 控 制 系 統 的 設 計，下 面 做 詳 細 分 析 和研究。
1 、高壓磨料水射流機床工作原理
圖 1 所示為磨料水射流機床系統組成，高壓磨料水射流機床由壓力系統、控制系統、磨料供給系統和機械系統構成。控制系統是整個機床的核心，也是我們需要研究的對象，它負責指揮和協調各個系統共同工作，包含增壓系統的控制、水和磨料的混合，噴嘴的運動控制以及射流噴射和停止等 I/O( 輸入/輸出) 開關控制，最終產生高壓射流并使噴嘴按指定路徑完成對待加工工件的不同工序，如拋光、切割和清洗等。壓力系統由低壓供水系統、低壓油系統和增壓系統組成。
低壓水經過低壓油驅動的增壓系統增壓，注入高壓水發生器，由高壓水發生器蓄壓再釋放形成高壓水或超高 壓 水。高壓水發生器可 將水 壓 增 至 100 ～800MPa，高壓水經由切割臺噴嘴高速噴出，即形成高壓水射流。為提高切割能力，磨料供給系統也可同時往水流中按比例混合高硬度磨料粒子，再經由噴嘴一同噴出，形成高壓磨料水射流。水射流噴射過程中會加速磨料粒子，通過高速驅動質量大、硬度高的磨料粒子，可形成更高更強的切割效能因此，高壓磨料水射流和高壓水射流相比動能更大，切割效能也更強。而且噴嘴可在數字控制系統的管理和控制下根據預先編制好的 G 代碼文件沿指定路徑運行，實現復雜的工藝工序。
圖 1 磨料水射流機床系統組成
2 、基于 SPEAr600 的雙核數控系統
2． 1 設計需求分析
通過對磨料水射流機床的工作原理可分析出控制系統的設計需求。其一是實現邏輯控制功能: 包含多種有關邏輯方法的控制功能，如邏輯控制、定時控制、計數控制和順序控制等。其二是圖形處理功能，如加工路徑的仿真、刀補的仿真以及通過更人性化的處理更復雜、更高精度甚至三維的圖形仿真、路徑規劃功能。AＲM926EJ-S 的單核的工作頻率也可高達333MHz，內置的 MMU 可以支持虛擬存儲器管理，系統支持開源免費的嵌入式 Linux OS 系統，這樣可以使開發成本更低。
目前該處理器大量應用于各類家用電器，邏輯復雜的可編邏輯控制器( PLC) ，多接口的醫療實驗室/診斷設備以及無線接入設備等，因此，基于它的高性價比優勢，SPEAr600 被選作為本數控系統的微處理器。
2． 3 系統硬件架構設計
基于本文第 2 章的需求分析，系統采用圖 2 所示的雙核系統的硬件結構框圖。把雙核系統劃分為Com Core( 即 Common Core，通用功能 Core，主要實現人機接口，又叫 HMICore) 和 Master Core( 核心功能Core，主要實現運動控制，也叫運動控制 Core) 。兩個控制 單 元 的 核 心 處 理 器 是 基 于 AＲM 內 核 的AＲM926EJ-S@ 333MHz。
圖 2 雙核系統的硬件結構框圖
AＲM926EJ-S 系統是單核系統的運算處理中心，可以用來實現不同的數控功能，如信號處理、邏輯運算與控制、運動軌跡、刀補計算、插補運算和程序執行等，因此，單核的性能也直接影響到整個系統的處理能力，它是 由 嵌 入 式 處 理 器 以 及 相 關 的 外 設 接 口組成。
Com Core 主要用于處理通用需求，即需求一和需求二，包含邏輯控制和圖形處理功能，也就是通常所說的 HMI，人機接口部分。而 Master Core 用來處理核心需求，即需求三和需求四，包含運動控制功能和數據處理功能。
每個 AＲM926EJ-S 的單核工作頻率可達 333MHz，指令運算達 1． 25DMIPS /MHz，可以實現快速的內存存取，同時支持單周期的乘法器和硬件除法。Com Core具有 5 通道的 DMA，可以快速的從內存交換數據，更好的提升圖形的處理效率，完成高精度的仿真，刷新更流暢。Master Core 內嵌了 8KB 的 SＲAM，使數據交換高速，便捷而且可靠，便于大量的插補數據交換和存取。片內高達 32KB 的內嵌 ＲOM，集成的靜態存儲器控制器，可以支持外擴 SＲAM、CF、NOＲ、NAND 等外部存儲器件，可以存取數控系統加工過程中產生的不同格式的文件。
系統多達 8 個定時器，其中包括 1 個系統滴答時鐘定時器、4 個 16 位定時器，其中 2 個高級定時器可用于 PWM 輸出，2 個 16 位基本定時器。包含 2 個看門狗定時器，其中一個是獨立看門狗定時器，第二個可以用來監視第一個看門狗定時器。
另外系統支持 13 個通信接口，包括 3 個 I2S 接口、2 個串行通信接口( 可用于 ＲS485 接口和 ＲS232接口) 、2 個 SMI 接口、1 個 CAN 接口和 3 個 USB2． 0全速接口( 2
個 Host 接口和 1 個 Device 接口) 。
2． 4 雙核通信機制設計
圖 3 所示為雙核數據交換與協同，根據信號傳遞的響應時效和數據量需求的不同，設計雙核之間交互的通道有以下 5 種: 數據通道( 消息) 、狀態通道( 消息) 、命令通道( 中斷) 、DMA 周期性高速數據通道和PWM 插補通道。
圖 3 雙核數據交換與協同
數據通道( 消息) 負責傳輸運動控制所需的各類參數，如噴頭起始速度、加速度、運行速度、速度限制和刀補半徑等。Com Core 在機床開始運行前會根據整個電動機運動過程的需要，計算出上述參數，然后主動發起通信請求，將這些參數發送給 Master Core，Master Core 對參數進行校驗，發給 Com Core 確認信息后，然后按照參數進行電動機運動控制操作。
狀態通道( 消息) 負責實現兩個 CPU 之間 I/O 端口狀態的映射，它將 Master Core 端口狀態、當前 PWM工作狀態等信息發送給 Com Core，實現雙核之間狀態的同步。數據通道( 消息) 和狀態通道( 消息) 都是通過串口交叉互聯的方式通過消息傳遞實現數據交換。
其實時性要求較低，且數據量不大。命令通道( 中斷) 負責實現兩個 CPU 之間高實時控制命令的快速傳遞。Com Core 通過芯片管腳電平的切換直接發送控制指令，通過外部中斷的方式直接控制 Master Core 的端口切換，快速實現運動控制命令，如啟動、加減速切換和停止等高實時的命令。
DMA( Direct Memory Access，直接內存訪問) 周期性高速數據通道，負責實現高實時的周期性的大量數據交換。如噴頭實時位置信息、刀具運行軌跡信息和仿真圖形坐標位置。
它的特點是不需消息觸發，自動周期性的把工作數據從 Master Core 端發送到 ComCore 端，實現對機床工作狀態的實時反饋。
實際使用中并不局限于 DMA 之間傳輸數據，也可以在 DMA 與UAＲT 通道之間實現快速傳遞。
PWM 插補通道是指 Master Core 通過該通道發送PWM 脈沖給 Com Core，Com Core 對反饋的脈沖進行計數，根據實時的脈沖數判斷運動狀態并依此做出運動控制的改變。該通道的高實時性保證了運動控制中控制器發送脈沖數量計數的高度準確性，它是控制器實現 DDA 插補或圓弧插補等復雜插補算法所必需的。
3、磨料水射流機床控制系統設計
3． 1 基于 SPEAr600 的雙核數控結構
通過對高壓磨料水射流機床工作原理進行分析，結合本文所提出的硬件體系機構，采用基于雙核的分布式控制方案圖 4 所示為基于 SPEAr600 的高壓磨料水射流機床數控結構。由 Master Core 完成數控系統的核心功能，負責整個數控系統的數據處理以及運動控制，包括插補、電動機控制等實時任務的響應和執行都在 Master Cor。
圖 4 基于 SPEAr600 的高壓磨料水射流機床數控結構
而另一個 Com Core 嵌入式微控制器主要負責實現數控應用層的邏輯控制與圖形處理，實現人機交互接口工作。G 代碼界面、軌跡跟蹤、文件存儲以及刀補預處理等實時性較低模塊都在 Com Core 執行。Master Core 和 Com Core 之間通過消息和共享內存的方法進行通信，消息主要用于事件和中斷對象的交互，而共享內存用于大量數據的交換。整個數控系統還可以通過以太網 Ethernet 和遠程的監控 PC 主機或車間級管理 PC 主機相聯系，也可通過 CAN 總線連接第三方 CAN 設備進行數據操作和管理。
嵌入式 Linux 系統，版本為 2． 6． 31。對于作為運動控制核心 Master Core，為了滿足數控系統的強實時要求，本系統采用嵌入式 Linux + 實時內核 ＲTAI 相結合的方式來獲得更好的實時效果。
3． 2 系統 Demo 演示
圖 5 所示為目前在 Demo 板上演示的數控仿真界面 ，系統采用在嵌入式Linux上運行MinGUI系統實現用戶 GUI 人機接口，鑒于篇幅，本文這里不做詳細討論。與傳統的基于 PC 數控或者分布式嵌入式數控相比，基于雙核的數控系統硬件上大大節約了空間和成本，降低了功耗，并且在性能上仍能滿足高實時的數控系統需求。
圖 5 Demo 板上的數控仿真界面
4、 機床軟件設計
雙核的軟件結構設計為應用層、驅動層和操作系統層三層。圖 6 所示為高壓磨料水射流機床數控的軟件功能結構設計，最上層為應用層，為各種功能的應用軟件的實現; 中間為驅動層，包含各種外設的驅動，如串口、USB 接口、以太網口和 CAN 接口等; 最底層為經過裁剪的嵌入式 Linux 內核。應用層的功能模塊并不通過通信接口進行數據交互，而是以共享內存和消息的方法進行數據交互。通信應用功能模塊主要用于和外部相關設備做數據交換使用。
圖 6 軟件功能結構設計
Com Core 的應用層功能又分為七部分，各部分由獨立任務管理，可作為一個功能線程實現，具體如下。
1) 人機接口( Debug) : 主要負責處理串口終端和JTAG 調試接口的數據交換和處理。
2) 人機界面: 人機界面負責水射流數控系統和用戶的交互接口，如自動操作、手動操作、I/O 狀態顯示、加工參數設置、噴嘴軌跡跟蹤、加工代碼存儲和編輯等子功能之間的人機交互。同時還包括以上各個自動或手動功能運行中形成軌跡跟蹤以及狀態的即時反饋，實時的反映在人機界面上，定時刷新; 另外還包括對用戶的輸入進行響應和動作執行。
3) 代碼解釋: 通過對預存、輸入或者自動轉換生成的的磨料水射流加工 G 代碼文件進行自動處理，可以根據語法規則對用戶的切割代碼進行語法和語義檢查，并自動進行譯碼。
實現將文本形式存在的 G 代碼數據進行分離與提取，轉變成為加工數據和數控指令，最后將處理結果存入電動機驅動輸入緩沖區，等待調用。
4) 刀補預處理: 依據預先設定的直徑對磨料水射流噴嘴進行自動補償。
5) 噴嘴路徑規劃: 通過內部的 CAPP 算法，自動對工件加工路徑進行重排，最優路徑選取，自動生成多工件的加工代碼。
6) 文件管理: 基于 Linux 操作系統的文件管理功能可實現對內嵌 FLASH、外接 USB 設備的數據存取。
7) 通信應用: 各種通信外部設備的應用層實現，包含 CAN 總線、以太網數據交換、串口數據交換和USB 數據交換的應用等。
Master Core 功能實現包括下面七個部分，除了通信應用功能對于實時性要求較低以外，其他六個子功能都具有較高的實時要求，具體包含以下幾個部分。
1) 運動控制接口: 運動控制接口主要是指與運動設備連接的接口應用，如電動機的驅動、變頻器的驅等運動有關的外設與嵌入式處理器接口需要的相關應用程序。
2) 電動機控制: 是指實際實現電動機運動的應用程序，具體包含如何實現插補，插補結束后以脈沖形式輸出到電動機驅動器，再如何驅動電動機，最后實現機床指定的運動。
3) 模 擬量輸入: 實現模擬量的采集，如水壓、油壓、噴嘴位置和磨料缸的剩余磨料等相關模擬量信號的輸入。
4) I / O 控制: 是指如何實現數控 I / O 離散量的輸入、輸出，其中主要包括閥門的管理控制、噴嘴的開關、水泵啟停和信號指示燈的開關等。
5) 插補: 是指向運動控制器輸出預先經軌跡運算后的 X 與 Y 方向的進給量，在我們的磨料水射流數控系統中，設置為 DDA 的直線插補與圓弧插補。
6) PWM 輸出: PWM 就是脈沖寬度調制，它是一項利用控制微處理器的數字輸出來對模擬電路實現調制的技術，本文用它來進行電動機的速度控制。
7) 通信應用: 與 Com Core 的功能相同。
5 、結語
本文基于 SPEAr600 研究了雙核 CPU 在磨料水射流機床控制系統中的應用，對機床控制系統的硬件架構、軟件結構和功能設計以及基于磨料射流機床的整體數控系統結構設計進行了詳細的分析和探討。
雙核乃至多核系統是未來數控系統的發展趨勢。SPEAr600 中的 ARM926EJ-S 具有靈活的指令集和數據緩存控制，緊密耦合的內存接口以及內存管理單元; 基于多層 AHB 高速系統總線在滿足數控的高實時要求的同時大大降低了系統的成本，而全面的片上內置外設接口，也減少了數控系統電路設計中的元器件配置，使數控系統電路功耗更低。相比原先使用的分布式數控系統，成本可以節約 60% ，功耗可以降低75% 。本文可借鑒用于其他雙核或多核數控系統，有較高的應用價值。
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