雙核嵌入式磨料水射流機床控製係統設計（jì）研究
2018-3-7 來源：上海第（dì）二工業大學 上海大學機器人（rén） 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（le）基於（yú） SPEAr600 的雙核嵌入式磨料水射流機床控製係（xì）統設計。具體（tǐ）內容包含雙核 CPU 的選取，雙核係統硬件結構框圖以及基於 SPEAr600 雙核 CPU 設計的高壓磨料水射流機床數控係統結構，並詳（xiáng）細介紹了數控係統（tǒng）的軟件（jiàn）層次結構和功能模塊。新的雙核設計大大提高（gāo）了數（shù）控（kòng）係統的性能，而且很大幅度上降低了成本和功耗，可（kě）以借鑒用於其他（tā）雙核或多核數控係統設計（jì）。
關鍵詞（cí）: 數控係統; 磨料水（shuǐ）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，在數字控製（zhì）領域卻很少使用雙核處理器。隨（suí）著處理器價格的不斷降（jiàng）低，周邊軟件的完善 ，目前雙（shuāng）核係統開始逐漸走入（rù）嵌入（rù）式（shì）數控領域。雙核處理器技（jì）術引入數控係統是提高數控性（xìng）能的有效（xiào）方法。因為處（chù）理器的實（shí）際性能是指（zhǐ）處理（lǐ）器在每個（gè）時鍾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（gè）時（shí）鍾周期內可執行的單（dān）元數則將（jiāng）增加一倍。
也（yě）就是原來一個核同時處理插補，同時又要處理圖形（xíng）加工路線的仿真，現在可以（yǐ）分配到兩（liǎng）個內核處理。另（lìng）外，多核處理器的另一個重要優勢就（jiù）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（hé）心處理器有助於為更加先（xiān）進的軟（ruǎn）件和硬件係統（tǒng）提供卓越的性（xìng）能，可以設計出更高性（xìng）能的控製係統。
本文基（jī）於 SPEAr600 雙核 CPU 探討和研究了磨料水射流 機 床 控 製 係（xì） 統（tǒng） 的 設 計，下 麵 做 詳 細 分 析 和研究。
1 、高壓磨料水射（shè）流機（jī）床（chuáng）工作（zuò）原理
圖 1 所示為磨料水射流機床係統組（zǔ）成，高壓磨（mó）料水射流機床由壓力係統、控製係（xì）統、磨料供給係統和機械係統構成。控（kòng）製係統是整個機（jī）床的核心，也是我們需要研究的對象，它負責指揮和（hé）協調各（gè）個係統共同工作，包含增壓係統的控製、水和磨料的混合，噴嘴的運動控製以及射流（liú）噴射和停（tíng）止等 I/O( 輸入/輸出) 開關（guān）控製，最終產生高（gāo）壓射流並使噴嘴按指定路徑完成對待（dài）加工（gōng）工件的不同（tóng）工序，如拋光、切割（gē）和清洗（xǐ）等。壓（yā）力係統（tǒng）由低壓供水係統、低（dī）壓油係統和增壓係統組成。
低壓水經過低壓油驅動的增壓係統增壓，注入（rù）高壓水發生器，由高壓水發生器蓄壓再釋放形成高壓（yā）水或超高（gāo） 壓 水。高壓水發生器可 將水（shuǐ） 壓 增（zēng） 至（zhì） 100 ～800MPa，高（gāo）壓水經（jīng）由切割（gē）台噴嘴高速噴出，即形成高壓水（shuǐ）射流。為提（tí）高切割能力，磨料供給係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（liào）水射流。水射流噴（pēn）射過程中會加速磨料粒子，通過高速驅動質量（liàng）大、硬（yìng）度高的磨（mó）料（liào）粒子，可形成更高更強（qiáng）的切割效能因此，高壓磨（mó）料水射流和高壓水射流相比動能更（gèng）大，切割效能也更強。而且噴嘴可在（zài）數字控製係統的管理和控製（zhì）下根據預先編製好的（de） G 代碼文件沿指定路徑運行，實現複雜的工藝工序。
圖（tú） 1 磨料水射流機床（chuáng）係統組成
2 、基於 SPEAr600 的雙核數控係統
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製（zhì）係統的設計需求。其一是實（shí）現邏輯控製功能: 包含多種有關邏輯方法的控製功能，如邏輯控製、定時控製、計數控製和順序（xù）控製等。其二是圖形處理功能，如加工路徑的仿真、刀補的仿真以及（jí）通（tōng）過更人性化（huà）的處理更複雜、更高精度甚至三維的圖形（xíng）仿真、路徑規（guī）劃功能。AＲM926EJ-S 的單核的工作頻（pín）率也可高達333MHz，內置的 MMU 可以（yǐ）支持虛擬存儲器管理，係統支（zhī）持開源免費的嵌入式 Linux OS 係統，這樣可以使開發（fā）成本更低。
目前該處理器（qì）大量應用於各類家（jiā）用電器，邏（luó）輯複雜的可編邏輯控製器( PLC) ，多接口的醫療實驗室/診斷（duàn）設（shè）備以及無線接入設備等，因此，基於它的高（gāo）性價比優勢，SPEAr600 被選作為本數控（kòng）係統的微處理器。
2． 3 係統（tǒng）硬件架構（gòu）設計
基於（yú）本文第 2 章的需求分析，係統采用圖 2 所示的雙核係統的硬件結構（gòu）框圖。把雙核係統劃分為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（gōng）能Core，主要實現運動控製，也叫運動（dòng）控（kòng）製 Core) 。兩個控製 單 元 的 核 心 處（chù） 理 器 是 基 於 AＲM 內 核 的AＲM926EJ-S@ 333MHz。
圖 2 雙（shuāng）核係（xì）統的硬件結（jié）構框圖
AＲM926EJ-S 係統是單核係統的運算處理中心，可以用來實現（xiàn）不同的數控功能，如信號處理、邏輯運算與控製、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係統的處理能力，它是 由 嵌 入 式 處（chù） 理 器 以 及 相（xiàng） 關 的 外 設 接 口組成。
Com Core 主要用於處理通用需求，即需求一和需求（qiú）二，包含邏輯控製和圖形處理功能，也就是通常所說的 HMI，人機（jī）接口部分。而（ér） Master Core 用來處理核心需求，即需求三和需求四，包含運動控製功能和數據處理功能。
每個 AＲM926EJ-S 的單核工作頻率可達（dá） 333MHz，指（zhǐ）令運算達（dá） 1． 25DMIPS /MHz，可以實（shí）現快（kuài）速的（de）內存存取，同時支（zhī）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（hǎo）的提升圖形的處理（lǐ）效率，完成高精（jīng）度的仿真（zhēn），刷（shuā）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，便於大量的插補數據交換和存取。片內高達 32KB 的內（nèi）嵌 ＲOM，集成的靜態存儲器控製器，可以支持（chí）外（wài）擴 SＲAM、CF、NOＲ、NAND 等外部存（cún）儲器件（jiàn），可以存取數控係統加工過程中產生的不同格式的文件。
係統多達 8 個定時器（qì），其中包括 1 個（gè）係統（tǒng）滴答時鍾定時器（qì）、4 個 16 位（wèi）定時器，其中 2 個高級定時器可用於 PWM 輸出，2 個 16 位基本定時器。包含 2 個看門狗定（dìng）時器，其中一個是（shì）獨立看門狗定時（shí）器（qì），第二（èr）個可以用來監視第一個（gè）看門（mén）狗定時器。
另（lìng）外係統支持 13 個通信接口，包括 3 個 I2S 接口、2 個串（chuàn）行通信接口( 可用於 ＲS485 接口和 ＲS232接口) 、2 個 SMI 接（jiē）口、1 個 CAN 接口和 3 個 USB2． 0全速接（jiē）口( 2
個 Host 接（jiē）口和 1 個 Device 接口（kǒu）) 。
2． 4 雙核通信機製設計
圖 3 所示為雙核數據交換（huàn）與協同，根據信號（hào）傳遞的響（xiǎng）應時效和數據量需求的不同，設計雙核之間交互（hù）的通道有以（yǐ）下 5 種: 數據通道( 消息) 、狀態通道（dào）( 消息) 、命令通道( 中斷) 、DMA 周期（qī）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（shù）據通道( 消息) 負責（zé）傳（chuán）輸運動控製所需的各類參（cān）數，如噴頭（tóu）起始速度、加速度、運行速（sù）度、速度限製和（hé）刀補半徑等。Com Core 在（zài）機床開始運行（háng）前會根據整個電動機運動（dòng）過程的需要，計算出上述參數（shù），然後主動發起（qǐ）通信請（qǐng）求，將這（zhè）些參數發送給 Master Core，Master Core 對參數進行校驗，發給 Com Core 確（què）認信息後，然後按照參數進行電動機運（yùn）動（dòng）控（kòng）製（zhì）操作。
狀態通道( 消息) 負責實現兩（liǎng）個 CPU 之（zhī）間 I/O 端口狀態的映射，它將 Master Core 端口（kǒu）狀態、當前 PWM工作狀態等信息發（fā）送給 Com Core，實現雙核之間狀態（tài）的同步。數據通道( 消息（xī）) 和狀態通道( 消息（xī）) 都是通過串口交叉互聯的方（fāng）式通過消息傳（chuán）遞（dì）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（xiàn）兩個 CPU 之間高（gāo）實時（shí）控製命（mìng）令的快速傳遞。Com Core 通過芯片（piàn）管腳電平的切換（huàn）直接發送控製指令，通過外部中斷的（de）方式直接控製 Master Core 的端（duān）口切換，快（kuài）速實（shí）現運動控製命令，如啟動、加減（jiǎn）速（sù）切換和停止等高實時的命令。
DMA( Direct Memory Access，直接內（nèi）存訪（fǎng）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（shí）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（qī）性的把工作數（shù）據從 Master Core 端發送到 ComCore 端，實現對機床工作狀態的實時（shí）反饋（kuì）。
實際使用（yòng）中並不局限於 DMA 之間傳輸數據，也可以在 DMA 與UAＲT 通道之間實現（xiàn）快速傳遞。
PWM 插補通道是指 Master Core 通過該（gāi）通道發送PWM 脈衝給 Com Core，Com Core 對（duì）反饋的脈衝進行（háng）計數，根據實時的脈衝數判斷運動狀態並（bìng）依此（cǐ）做出運動控製的（de）改變。該通道的高實時（shí）性保證了運（yùn）動控製中控製（zhì）器發送脈衝數量（liàng）計數的高（gāo）度準確性，它是控製器實（shí）現 DDA 插補或圓弧插補等複雜插補（bǔ）算法所必需的。
3、磨料水射（shè）流機床控（kòng）製係統設計
3． 1 基於 SPEAr600 的雙核（hé）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係機構，采用基於雙（shuāng）核的分布式控製方案圖（tú） 4 所示為（wéi）基於 SPEAr600 的高壓磨料水射流機床數控（kòng）結構。由 Master Core 完成（chéng）數控係統的核心功能，負責整個數控係統的數據處理以及運動控製，包括插補、電動機控製等實（shí）時任務的響應和執（zhí）行都在 Master Cor。
圖 4 基於 SPEAr600 的高壓磨料水（shuǐ）射流機床數控結構
而另一個 Com Core 嵌入式微控製器主要負責實現數控應用層的邏輯控（kòng）製與圖形處理，實現人機（jī）交互接口工（gōng）作。G 代碼界麵、軌跡跟蹤、文件存（cún）儲以及刀補預處理等實（shí）時（shí）性較低模塊（kuài）都在 Com Core 執行。Master Core 和 Com Core 之間通過消息和共（gòng）享內存的方法進行通信，消息主要用於（yú）事件和（hé）中斷（duàn）對象（xiàng）的交互，而共享內存用於大量數據的交換。整個數控係統還可以通過以太網 Ethernet 和遠程的監控 PC 主機或車（chē）間級管理 PC 主機（jī）相（xiàng）聯係，也可通過 CAN 總線連接第三方 CAN 設（shè）備進行數據操（cāo）作和（hé）管理。
嵌入式（shì） Linux 係統，版（bǎn）本為 2． 6． 31。對於作為運動（dòng）控製核心 Master Core，為（wéi）了滿足數控係統的強實時要求，本（běn）係統采用嵌（qiàn）入式 Linux + 實時內核 ＲTAI 相結合的方式來（lái）獲得更好的實時效果。
3． 2 係統 Demo 演示
圖 5 所示為目前（qián）在 Demo 板上演示的（de）數控仿（fǎng）真界麵 ，係統采用在嵌入式Linux上運行MinGUI係統實現用戶 GUI 人機接口，鑒於篇幅，本文（wén）這裏不做詳細討論。與傳統（tǒng）的（de）基於 PC 數控（kòng）或者分布式嵌入式數（shù）控相比，基於雙核的數控係統硬件上大大（dà）節約了空間和成本，降低了功耗，並且在性能上仍能滿足高實時的數控係統需求。
圖 5 Demo 板上的數控仿真界麵（miàn）
4、 機床軟件設計
雙核的軟（ruǎn）件結構（gòu）設計為應用層、驅動層和操作係統層三層。圖 6 所示為高壓磨料水射流機（jī）床數控的軟件功能結構設計，最上層為應用層，為各種功能（néng）的應用軟件的實現（xiàn）; 中間為（wéi）驅動層（céng），包含各種外設的（de）驅動，如串口、USB 接口、以太網口和（hé） CAN 接口等; 最底層為經過裁剪的嵌入式 Linux 內核。應用（yòng）層的（de）功（gōng）能模塊（kuài）並不通過通信接口進行數據交互，而是以共享（xiǎng）內存和消息的（de）方法進行數據交（jiāo）互（hù）。通（tōng）信應用功（gōng）能模塊主要用（yòng）於和外部相關設（shè）備做數據交換使用。
圖 6 軟（ruǎn）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（lǐ），可作（zuò）為一個功能線（xiàn）程（chéng）實現，具體如下。
1) 人機接口( Debug) : 主要負責處（chù）理串（chuàn）口終端和JTAG 調試接口的（de）數據交換和（hé）處理。
2) 人機（jī）界麵: 人機界麵負責水射流數控（kòng）係統和（hé）用戶的交（jiāo）互接口，如自動（dòng）操作、手動操作、I/O 狀（zhuàng）態顯示、加工參數設置（zhì）、噴嘴軌跡跟蹤、加工代碼存儲和（hé）編輯等子功能（néng）之間的人機交互。同時還（hái）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麵上，定時刷新; 另外還包括對用（yòng）戶的輸入進行響應和動作執（zhí）行。
3) 代碼解釋: 通過對預存、輸入或者自動轉換（huàn）生（shēng）成的的磨料（liào）水射流加工 G 代碼文件進行自動處理，可以根據語法（fǎ）規（guī）則對用戶的切割代碼進行語法和語（yǔ）義檢查，並自動進行譯碼。
實現將文本形式存在的 G 代碼數據進行分離與提取，轉變（biàn）成為加工數據和數（shù）控指令，最後將處理結果存入（rù）電動機驅動輸入緩衝（chōng）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（lù）徑（jìng）進行重排，最優路徑選取，自動生成多工（gōng）件（jiàn）的加工代碼。
6) 文件（jiàn）管理: 基於 Linux 操作係統的文件管理功（gōng）能可實現（xiàn）對內嵌 FLASH、外接 USB 設備的數據（jù）存取。
7) 通信應用: 各種通信（xìn）外（wài）部設備的應用層實（shí）現，包含 CAN 總線（xiàn）、以太網數據交換、串口數據交（jiāo）換和USB 數據交換的應用等。
Master Core 功能（néng）實現包括下麵七個部分，除了通信應用功能對於實時性要求較低以外，其他（tā）六（liù）個（gè）子功能都（dōu）具有較高的實（shí）時要求，具體包含以下幾個部分。
1) 運動控製接口: 運動控製接口主要是指與運動設備連接的接（jiē）口（kǒu）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) 電動機控製: 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，插補結束後以脈衝形式輸出到電動機（jī）驅動（dòng）器，再如何驅動（dòng）電動機，最後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（yóu）壓、噴嘴位置和磨料缸的剩餘磨料等相關模擬量信號的輸（shū）入（rù）。
4) I / O 控製: 是指如何實現數控 I / O 離散量的輸（shū）入、輸出，其中主要包括閥門的管理控製（zhì）、噴嘴的開（kāi）關（guān）、水泵啟停和信號（hào）指（zhǐ）示燈的開關等。
5) 插補: 是指向運動控製器輸出預先經軌跡運算後的 X 與 Y 方向的進給（gěi）量，在我們的磨（mó）料（liào）水射流數控係統中（zhōng），設置為 DDA 的直線插補與圓弧（hú）插補。
6) PWM 輸出: PWM 就是脈衝寬度（dù）調製（zhì），它是（shì）一項利用控製微處理器的數字輸出來對模擬電（diàn）路實現調製的技術，本文用它來進行（háng）電動機（jī）的速度控製。
7) 通信應用: 與 Com Core 的功能相同。
5 、結語（yǔ）
本文基於 SPEAr600 研究了雙核 CPU 在磨料水射流機床控製係統中的應用，對（duì）機床控製係（xì）統的硬件架構、軟件結（jié）構和功能設計（jì）以及基於磨料射流機床的整體（tǐ）數控係（xì）統結構（gòu）設計進行了詳（xiáng）細的分析和探討。
雙核乃至多核係統是未來數控係統的發展趨勢。SPEAr600 中的 ARM926EJ-S 具有靈活的指令集和數據緩存控製，緊密耦合的內存接口以及內存管理單元; 基於多層 AHB 高速係統總線在（zài）滿足數控的高實時要求的同時大大（dà）降低了係統的成本，而全麵的片上內置外設接口，也（yě）減少（shǎo）了數控係統電路設（shè）計中的元器件配置，使數控係統電路功耗更低。相比原先使（shǐ）用（yòng）的分布式數控係統，成本（běn）可以節約 60% ，功耗可以降低75% 。本文可借鑒用於其（qí）他雙核或多核數控係統，有較高的應用價值。
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