引言

随着科学技术和制造技术的不断发展进步，数字控制的雕刻机渐渐成为雕刻行业的专用工具。数控雕刻机从加工原理上讲是一种钻铣组合加工，是一种典型的机电一体化产品，在模具雕刻、广告制作、装潢等行业有着广泛的市场应用。

目前市场上的数控雕刻机控制器硬件平台所用的微处理器主要包括：以8位单片机为内核，这类产品的价格低廉，设计比较简单，但是有功能单一、性能差、效率低、存储容量小、独立工作能力较弱、实用性能不强、定位精度不高、人机交互复杂、操作不方便等缺陷；以DSP为内核，这类雕刻机具有较强的性能及效率，实时性较强，成本适中，但是功能还是比较少，同样缺少独立工作能力，无法满足人机交互界面、外围电路接口、网络等方面的要求。

本文提出了利用32位ARM9处理器与FPGA相结合来取代上述单片机与工控机的联机控制，以Windows CE.net操作系统为平台，由ARM完成速度控制， FPGA完成轨迹控制。在轨迹控制中结合了步进电机的转矩-频率特性，使电机的轨迹精确而且平稳。整个控制系统一体化完成从原始数据读取到最终控制信号的输出，彻底摆脱了对工控机的依赖；通过控制键盘设置不同的脉冲当量及电机运行参数，可与适用于各种场合的雕刻机床相配合使用，控制精度高、通用性强。

控制系统设计

一个嵌入式系统必定是由嵌入式硬件和嵌入式软件组成；嵌入式硬件主要包括嵌入式处理器、外设控制器、接口电路等；嵌入式软件主要包括启动程序、嵌入式操作系统、应用软件等。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心；嵌入式操作系统是嵌入式软件的核心。

硬件系统

硬件系统主要由以下三个部分组成：

(1)处理器(ARM9)：作为控制器的处理器，在ARM上移植了Windows CE.net操作系统，人机互动方面要完成对LCD显示的控制和读取控制键盘的控制命令；在雕刻方面要完成对原始数据的读取（通过USB接口）、预处理、分析和计叠层电感算，并将计算结果传递给FPGA，与FPGA协同完成对步进电机的控制。

(2)FPGA：对接收到ARM发出的数据进行插补运算，并根据插补结果计算出控制步进电机的脉冲数目和延时，最终完成对步进电机的控制实现三轴联动的雕刻。

(3)人机交互界面：人机交互界面主要包括了键盘和LCD。几乎所有关于雕刻的信模压电感厂息都实时的显示在LCD上；机床的脉冲当量以及雕刻最大速度和加速度等参数则是通过键盘设定的，同时在雕刻中键盘还可以根据需要输入特殊指令。

硬件系统总体框架如图1所示。整个硬件核心为基于ARM920T的三星S3C2440处理器，搭配有64MB SDRAM作为系统的内存，128MB FLASH作为系统的外存，相当于硬盘，以便在断电后保存各种系统程序以及调试下载电路。外围辅助设备包括USB接口：大部分加工文件保存在U盘中，需要读取时从U盘调入，以节省FLASH存储空间；触摸式LCD：用来提供系统的显示以及操作；网络接口：用来提供网络服务，方便远程更新程序；控制键盘：用来提供加工时所需的操作，包括点控、起停和加减速等。与上位机通信通过串口或者USB接口，可实现在线调试或者在上位机中显示实时信息。FPGA与ARM以及过桥板相连，从ARM中获取数据并转换成控制信号，经过桥板放大电路放大，发送到步进电机的控制电路中。

图1 硬件系统总体框架

软件系统

系统的软件选用了嵌入式实时多任务操作系统Windows CE.net。根据雕刻机控制系统的需求，系统任务模块可以分为：人机界面模块，USB接口模块和雕刻控制模块。其中人机界面模块包括LCD显示和键盘指令的读取；通过USB接口模块读取原始设计数据；雕刻控制模块对读取的数据分析计算后完成速度控制和轨迹控制。软件结构图如图2所示。

控制系统中，ARM通过对设计数据的分析和计算完成速度控制，FPGA通过插补运算完成轨迹控制。控制系统应用程序流程图如图3所示。

大电流电感

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