基于TI DSP作为主控制芯片，在FPGA上作为辅助控制运动控制器硬件平台，TI的实时BIOS内核用于提供软件控制器控制器架构。动。解决方案可用于功能组件的二次开发和移植，以满足用户的不同需求。件源代码采用模块化设计，具有标准化的功能界面，具有良好的可维护性。过实验测试，可以满足开放性，实时性和可移植性的要求。控系统;软件架构;数字信号处理器; CLC BIOS号码：TN911？ 34文件代码：项目的标识符：1004？ 373X（2014）20？ 0065？ 05基于DSP和BIOS内核的运动控制器架构软件系统周晨？钟健李健？魏，你呢？ GuoAbstract：德州仪器（TI）BIOS实时内核用于控制器的硬件平台，以TI的DSP为主控芯片，FPGA为辅助控制器件。出了一种运动控制器的软件体系结构解决方案，可以根据不同用户的需求，进行二次开发和功能组件的移植。件源代码采用模块化设计，具有标准化的功能界面和良好的可维护性。验测试表明，它可以满足开放性，实时性和便携性的要求。键词：数控系统;软件架构; DSP; BIOS简介Motion作为CNC系统的中央控制组件控制器有一个基于单片机的解决方案，一个基于ARM FPGA / CPLD的控制过程作为辅助控制处理，一个处理基于DSP FPGA / CPLD作为辅助控制处理和其他硬件平台。不同的硬件平台上，软件系统规划模式可以采用各种实时操作系统内核，如μC/ OS™II，BIOS，RT，Linux，VxWorks等，从而得出模式各种软件系统的架构[1]。TI公司的TMS320C6713 DSP芯片是主控芯片 FPGA作为辅助控制芯片的硬件平台解决方案。数据速率和高速浮点运算一般提供单芯片的无可比拟的优势。用CCS开发平台和TI DSP芯片，您可以使用不是开源的实时BIOS内核，它在开发命令行应用程序方面更专业与ARM硬件平台的开放相比，中小尺寸。时操作系统内核源代码，使用DSP硬件平台和主BIOS运动控制器的稳定性，更好，节省操作系统测试和迁移时间实时，缩短开发周期，使其成为合理有效的解决方案[2]。了实现平台高效的模块化CNC功能组件的开发，维护和可移植性，本文档提出了一种用于分层和接口架构的软件解决方案。
解决方案可用作模板，以满足不同用户的基本功能和二次开发需求。用系统框图运动控制器硬件实现平台本文档中使用的运动控制器的运动控制器系统图[3]如图1所示。中，运动控制器的DSP TMS320C6713系列包括一个浮点运算单元，可让您快速有效地完成零件加工路径的插补计算。
内置的外部扩展和EDMA和EMIF总线扩展提供了显着的数据吞吐量。DSP的主频率为225 MHz，相应的指令周期为4.4 ns，运行速度高达1800 MIPS / 1350 MFLOPS，可满足主要CNC系统控制器的需求。小型[4]。ACTEL A3P400系列FPGA是一款高密度器件，相当于400，000个门，具有可配置的I / O，兼容多种类型的数字电平。外，ACTEL提供的Libero嵌入式开发工具可提供各种通用软件模块，恒温阀芯如数字PLL和高速FIFO，从而节省时间并降低开发成本。是运动控制器外部通信总线接口的可靠且高效的硬件。划。1运动控制器的硬件结构图按系统的软件层次划分软件系统使用划分为三层结构[1];其层次结构如图2所示。2软件架构的层次结构用户界面层。以根据用户的特定需求开发各种功能的数字控制应用模块。个功能模块通过接口集成为系统软件中的组件。
文中开发的基本用户组件块及其功能将在下一节中详细介绍。件驱动层。用于管理连接到运动控制器板上的DSP的各种硬件设备的驱动程序，并为内核和用户应用程序层提供硬件访问接口。的硬件包括：FIFO通信缓冲器，CNC脉冲发生器，UART总线控制器，SERCOS总线控制器等。部模拟数字硬件设备使用专用FPGA或IC实现。3 BIOS内核配置界面分区用户应用软件任务用户应用软件组件模块可分为基本组件和扩展组件[5]。本组件提供基本的界面控制功能，如基本加工，维护，调试和CNC系统监控。根据用户的特定需求选择性地切割和安装扩展组件，包括用于编程的软件API，SERCOS总线，脉冲，TCP / IP，UART和其他功能。信协议包分析和格式转换。BIOS内核是一个实时多任务内核，可以在系统中的多个用户任务之间进行调度。文档中描述的基本用户组件任务分为图4.图4运动控制器的硬件结构图HMI任务的HMI通信数据包帧格式如表1所示。HIM任务如图5所示。信包的格式。信数据包的格式是固定的，但功能信息结构的格式不固定[6]。
试信息，G代码脚本信息的内容等不同的信息采用不同的信息格式。此，当用户添加新的功能组件时，他们可以通过编写新的信息格式和编码和分析方法来使用原始信息。发通信协议以允许移植和重用系统代码。1 HMI数据包帧格式图5 HIM数据包任务处理流程图。取根据不同的约定信息格式处理的HMI消息队列信息，并添加帧头，物理地址，控制代码等。据数据包的格式，生成一组数据帧并将其发送到EMIF总线，写入FPGA的UART传输FIFO并发送到相应的数字电平，以便传输到主机。分析器。过EMIF总线从FPGA中实现的UART总线的接收FIFO读取数据帧，并根据用户应用程序的约定分辨率在相应的信息中进行分析。息被加载到HMI接收信息队列中，等待处理和数据交换。任务已开始处理。户数据交换和处理任务用户数据交换和处理任务的流程如图6所示。统提供三个基本组件：G代码脚本解释器，命令shell调试维护和系统错误诊断。户可以根据具体需求集成新组件，并编写相应的组件接口编码和信息分析方法。G代码脚本解释器[7] CNC解释程序的G代码很多。些制造商采用一种方案，其中顶级计算机分析配置信息代码并将其发送到运动控制器。是，此解决方案将增加数据流量并增加通信时间。
统采用的系统如下：上位机以字符串格式将G代码脚本信息从数字控制器发送到运动控制器;运动控制器通过识别组合码来重新组合串并配置数控参数控制块。解决方案可以减少通信负载和通信延迟，但会增加DSP处理量。于DSP的操作速度在通信传输速率中明显受阻，因此该方案构成了合理的折衷。6用户数据处理和切换任务的流程图此命令在系统开发和维护阶段使用。旦系统集成了该功能，根据开发人员提供的维护说明手册，在主机上输入维护说明并返回系统数据结构的运行状态代码运动控制器的键可以帮助维护人员快速确定系统的故障。为CNC机床的每个加工轴提供电机测试接口。统错误诊断工具负责管理和存储数字控制系统必须监控和使用的重要模块信息。执行重要模块时，错误代码存储在设备中。
统错误诊断并在执行任务时发送到上位机。动控制任务运动控制任务是运动控制器的主要部分，也是BIOS内核处理的任务中的最高优先级任务。自不同供应商的控制器有不同的实现。了清楚地理解和传达这里描述的系统的运动控制程序，图7示出了运动控制行为和数据流程图。据图7中描述的运动控制行为，编程的运动控制任务程序的流程图在图3中示出。7运动控制和运动控制的数据流程图。
动控制的任务流程轨迹计算的处理。理路径计算控制器，集成数字控制配置参数和实时反馈数据，通过各种数值计算方法，执行各种数控插值计算并获得数据。通过脉冲编码格式或SERCOS通信总线发送到控制器的处理。CNC各轴的伺服电机控制电机的旋转和供给。动化管理。控CNC的每个轴的飞行员是实时管理的。取驱动器的运行状态并写入CN实时运行数据，该数据需要主机在CNC接收信息队列中进行实时监控，检查通过数据交换任务并将其发送到上位机进行监控。变频器运行异常的情况下，可以及时停止保护并发送操作的故障代码。件解决方案验证测试图9显示了该实验室开发的集成CNC系统测试平台。HMI板通过JTAG接口连接到调试主机1，运动控制板通过JTAG接口连接到调试主机2。HMI板通过RS 422总线连接到运动控制板，并通过UART协议进行通信[6，8]。为通过图像无法很好地显示引擎的轨迹和效果，而本实验的目的是检查整个软件系统架构的可行性，以及BUG补丁。此，建议使用硬件仿真和Matlab仿真验证方法。9运动控制测试平台采用圆弧插补测试方法，测试脚本通过G代码脚本格式导入主机，运动控制器读取数据包。据和分析测试脚本信息以进行处理和计算。存操作数据后，导入Matlab仿真软件生成轴承轨迹图，以模拟仿真引擎的真实轨迹。2显示了CNC测试脚本的处理跟踪数据。2测试处理路径数据图10示出了通过系统操作和原始测试数据获得的处理路径的轨迹。中虚线：测试脚本的数据调整曲线;实线：DSP计算的治疗数据的调整曲线。
过将从程序验证测试获得的模拟数据拟合图像与原始脚本测试数据进行比较，可以验证软件架构架构和基本用户组件是否可以在实验室的系统平台上可靠，可靠地运行，从而验证软件架构。计划的可行性。10过程路径测试和模拟导线结论本文档提供基于TI的C6713系列DSP FPGA可移植架构架构模式，作为硬件实现的硬件控制器平台。过对三层软件结构模型的描述以及基本用户组件和接口的任务划分，为用户功能和代码维护的二次开发提供了基础平台。件。过处理脚本测试验证了该方案的可行性和稳定性。
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