一．項目背景

      2001年，我國機床工業產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，由于外資在華機械企業主要承擔制造車間的角色，技術來源主要依靠其母公司，而原本就實力有限的內資企業在完全開放的市場競爭中堅持自行研制開發將冒很大風險，為了節省投入，提高產品的形象，多數內資企業將盡可能與外方合作，采用國際同行的技術進行生產。由于國外企業將不愿轉讓技術，更愿意通過在華舉辦由他們控制的企業來與內資機械企業爭奪中國用戶的訂單，國內用戶也有了更多的便利采購外資產品，從而部分處于成長初期的重要產品自主產業的培育壯大將更困難。
      在這種嚴峻的形式下，我們必須發憤圖強，開發出適合我國國情的具有自主知識產權的數控系統。本文是以廣州數控與博創合作項目為背景，經過一年來不懈的努力，順利完成了研制任務。

二．嵌入式數控系統體系結構設計

      通常一個數控系統的總體框圖如圖1所示，由控制系統、伺服驅動系統和伺服電機組成。控制系統生成的坐標軸運動指令，由FPGA進行細插補，最后形成脈沖串的形式發送給伺服驅動系統，最后伺服驅動系統形成運動指令控制伺服電機運轉。

圖1 數控系統的總體結構 

      本文以一個三軸開環數控系統為應用研究對象，擬設計一套基于ARM嵌入式微處理器和FPGA的嵌入式數控系統，即圖1 的控制系統部分。
      因為微處理器的運算資源和FPGA的邏輯資源還是有限的，而且微處理器擅長的是串行的數據處理，而FPGA擅長的是并行的邏輯處理，因此項目中對功能實現的軟硬件進行了劃分。從硬件設計者的角度上去分析，整個電路板系統可以分為板級系統和芯片級系統。板級系統由微處理器子系統，FPGA子系統，DA轉換子系統，信號隔離與轉換子系統，電源子系統構成。結構框圖如圖2所示。

圖2 板級系統框圖 

      由于篇幅所限，所以本文進對微處理器子系統進行簡要介紹。微處理器子系統包括ARM子系統、存儲器子系統和LCD接口、通信接口和串行接口，組成框圖如圖3所示。圖中虛框內為博創系統核心模塊UP-SOM44B0。

圖3 微處理器子系統框圖

     其中，ARM是一種嵌入式處理器，主要負責運算，存儲器負責程序和數據的存儲以及文件系統，通信接口負責加工程序的下載和上傳，并行接口實現與FPGA的通信，串行接口實現對DA轉換器的控制存儲器子系統包括FLASH、SDRAM和NVRAM。FLASH存儲程序和文件，SDRAM存儲系統運行時的程序和數據，NVRAM存儲實時的系統狀態。通信接口實現與PC機的基于RS232標準的數據通信。并行接口實現與FPGA的數據通信，串行接口實現對DA轉換器控制。

三．軟硬件聯調和機床加工試驗

      經過測試，本系統的IO輸出信號可以驅動機床一般使用的繼電器。可以實現如下的功能：主軸正反轉和停，冷卻液的開關控制，潤滑油的開關控制，正向反向換刀，刀架制動，主軸制動。卡盤和尾座功能由于機床沒有裝備，所以沒有進行測試。
普通IO輸入信號可以接受機床的信號有：刀架到位信號，刀架鎖緊信號，減速信號，零位信號，循環啟動信號,主軸轉速到達信號和刀架選通信號等等。

四．展望

      最近5年，中國的數控機床無論在產品種類，數量和質量上都取得了長足的進步，我國企業的數控機床占有率逐年上升，在大中企業已有較多的使用，在中小企業甚至個體企業中也普遍開始使用，逐漸占有國內市場，并出口多個國家。隨著我國加入WTO，今后幾年我國機床出口將實現平穩、持續增長。但是，數控系統這個關鍵技術就目前來講仍然只有少數幾個國家掌握，由于國外企業將不愿也不可能轉讓技術，國內用戶只有采購外資產品，從而導致國內數控產業難以壯大。#p#分頁標題#e#
      基于博創嵌入式核心模塊UP-SOM44B0的數控系統在技術取得了前所未有的突破，使數控系統在技術上已經不是不可逾越的高山，為中國的數控發展奠定了良好的基礎，從此中國擁有了屬于自己的具有自主知識產權的新一代開放式數控系統平臺，并在廣州數控得到了良好的應用。相信在不久的將來，我們將用有多種機床類型的配套數控系統，我們有信心也有能力做到這一點，對其未來充滿信心。