ARM+DSP嵌入式 Linux 数控系统设计方案

　　基于 ARM + DSP 的嵌入式 Linux 数控系统设计

　　李善锋，刘敬猛，徐东，陈柏成

　　（ 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

　　摘要： 提出一种以 ARM + DSP 等为硬件基础的嵌入式 Linux 数控系统设计方案，将数控系统按实时性分为实时模块和非实时模块，采用运动控制芯片 DSP 保证实时性，ARM-Linux 则运行实时性要求不高但功能复杂的数控任务。数控系统硬件上采用主从式双 CPU 结构，软件架构包括界面层、实时层和非实时层。该方案充分利用了 Linux 的健壮、开源、应用广泛和运动控制芯片 PCL6045 功能强大、算法成熟的优势完成高性能、低成本 3 轴联动数控系统的设计。实验结果表明： 该

　　数控系统实时性好、可移植性强。

　　关键词： ARM + DSP 结构; 嵌入式数控系统; Linux 操作系统

　　中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 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

　　随着嵌入式技术的发展，ARM、DSP 处理器性能日益强大，而体积、功耗、成本却不断降低; Linux 操作系统健壮开源、支持多平台、软件资源丰富，可方便移植到嵌入式系统中。目前 ARM-Linux 技术在嵌入式领域得到广泛应用。近年出现很多专用运动控制 DSP 芯片如 PCL6045、MCX314 等，运动控制功能强大、插补算法成熟、实时性好。在这一技术背景下，作者提出一种基于 ARM + DSP 结构的嵌入式 Linux 数控系统设计方法，对数控系统小型化、集成化及经济普及化有实际意义。

　　1 嵌入式 Linux 数控架构

　　传统数控系统中广泛采用的解决方案为基于 PC

　　机和运动控制板卡的结构实现方式： PC 机主要实现用户交互、文件管理以及通信等非实时数控操作; 运动控制板卡负责运动控制和机床 I /O 等数控系统中对实时性有严格要求的数控功能。这种结构将数控系统中各功能模块分为实时模块和非实时模块两类，由运动控制板卡来保证实时性要求，充分利用 PC 机软件丰富、功能强大的优势，可实现复杂空间插补算法，

　　数控系统软件功能大大增多增强，形成数控即软件的

　　概念。这种方案具有信息处理能力强、运动轨迹控制准确、开放程度高、通用性好等特点。但也存在以下缺点： 运动控制卡需要插入 PC 机主板的 PCI 或 ISA 插槽，因此每台数控装置都必须配置一台 PC 机作为上位机，无疑对设备的体积、成本和运行环境都有一

　　［1］

　　定限制，难以独立运行和小型化 。

　　嵌入式 Linux 数控系统借鉴传统 PC + 运动控制板卡方式，将数控系统也分为实时模块和非实时模块

　　分别实现。整个系统由硬件层、操作系统层和应用层组成。硬件层以 ARM-Linux 为总体控制核心完成数控系统中任务调度、NC 代码编译、人机交互、系统监视等非实时数控功能，以 DSP 芯片 PCL6045 为运动控制核心实现各种数控中的运动控制要求以保证实

　　时性。

　　硬件层之上是操作系统层，这一层又分为驱动层和内核层。开发过程中根据硬件配置，增加相应驱动程序，例如要添加相关存储设备、通信设备与 I /O 设

　　备等驱动程序。内核层包括进程管理、内存管理和文