大連西門子閥門定位器代理商 大連西門子閥門定位器代理商
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1 基于ARM和FPGA的數控系統
機床數控系統由控制系統、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，被發送到伺服驅動系統。然后由伺服驅動系統形成伺服電機的運轉控制令。從而使伺服電機完成相應的動作。
圖1是基于ARM+FPGA的數控系統的FPGA部分結構框圖，下載接口、配置器件及FPGA 3個部分組成了FPGA自身的開發調試環境。可以方便地與PC組成開發調試平臺。機床控制單元MCU使用32位的ARM嵌入式處理器。運行uC／0S實時操作系統，實現控制系統的大量分析和計算工作。比如G代碼解析，根據加工要求形成坐標軸的運動指令以及數控系統的人機界面等。FPGA除了完成對運動指令進行細插補之外。同時還實現了數控系統鍵盤電路的掃描模塊、編碼計數器模塊和驅動器控制模塊的功能。本文要介紹的數控系統內置式PLC也是在FPGA內部實現的。
圖1 數控系統中的FPGA結構框圖
2 用FPGA實現PLC的軟硬件架構
為了有更好的人機界面。更符合工程習慣。采用與主流商業PLC兼容的編程語言進行編程。內置式PLC可以接受終用戶輸入的PLC指令表(一個特定的子集)。并終實現相應的邏輯控制功能。FPGA內部是硬件邏輯。顯然無法識別PLC指令，因此，為了實現這種構想。必須設計一套指令集。該指令集定義了FPGA可以執行的小操作的集合。然后根據指令集來設計編譯器和FPGA內部的PLC邏輯。其軟硬件架構如圖2所示。PLC指令被編譯后，生成FPGA可執行的指令代碼。然后將指令代碼下載到FPGA內部，由執行邏輯對代碼進行逐條執行。終實現PLC的邏輯控制功能。
圖2 基于FPGA的PLC軟硬件架構
PLC核心邏輯是一個狀態機。可以根據不同的輸入指令執行不同的操作。在設計中。首先應確定需要執行的指令集合，即狀態機的指令集設計。然后根據指令集來設計編譯器和PLC邏輯功能。PLC指令編譯器源程序使用C語言編寫。這樣。此編譯器可以方便地移植到PC、ARM或別的任何支持C編程的平臺上。基于圖2中的軟硬件架構的PLC不能獨立運行。需要MCU對其進行相應的設置和輔助。如圖3所示。在MCU端。需要一個專門處理與PLC接口的任務(對于多任務操作系統)或程序。
圖3 PLC邏輯的工作過程
在MCU端，可以提供相應的PLC人機界面，提供PLC梯形圖或指令表的編輯、編譯甚至排錯界面，當編譯完成后。生成可供FPGA內部的PLC邏輯執行的“PLC中間操作碼”。當要執行PLC功能時，首先MCU配置FPGA處于“代碼下載狀態”。并由MCU將編譯后的代碼下載到FPGA的RAM中：下載完成后。MCU將FPGA設置為“PLC運行狀態”。開始依次讀入輸入和輸出端口的狀態。并根據所要執行的指令更新狀態。后輸出刷新狀態。FPGA還有一個“監控狀態”。此時。ARM處理器可以直接設置PLC的輸入輸出10寄存器的值。并可以單步運行PLC中間操作碼。ARM結合返回信息。并配合相應的界面，即實現了對PLC的調試。
3 PLC邏輯的EDA設計方法
新型FPGA器件及新的EDA設計軟件和工具是這種數控系統內置式PLC實現方式的前提。沒有EDA設計流程和方法的支撐。是很難完成相應設計工作的。
圖4是典型的EDA設計流程。主要包括設計輸入、功能仿真、綜合與優化、映射和布局布線以及后的下載驗證等環節。EDA設計流程中。重要的環節便是仿真。因為所設計的對象在FPGA內部很難在硬件上進行測試。必須利用諸如Active—HDL。ModelSim等仿真工具進行功能仿真、綜合后仿真以及布局布線后仿真。設計過程和仿真過程是交叉同步進行的。而且設計一個模塊。即對一個模塊的功能進行仿真，確保其正確后，才可以集成到更高層面的設計中去。仿真的主要任務就是檢驗HDL是否能滿足設計所提的要求。檢驗的方式是編寫測試平臺。在測試平臺上給模塊輸入條件。觀察或檢驗其輸出。從而驗證是否滿足設計要求。Active—HDL的Generate TestBench功能還可以生成測試向量的模板。大大加速了設計過程。
圖4 EDA設計流程
圖5 PLC原型機邏輯仿真結果
總之，掌握并正確使用EDA設計方法。是使用FPGA進行邏輯設計成功的關鍵。
4 在數控系統中的實現與分析
基于FPGA的PLC實現方法在我們自主研發的基于ARM+FPGA的數控系統中得到了應用。形成了PLC原型機，實現了基本的PLC邏輯控制功能。能夠與數控系統集成在一起。結合相應的控制界面。可以對機床的各邏輯開關量進行PLC編程控制。更重要的是。這種框架下的PLC具有開放式結構。可根據需要不斷完善。實現更復雜的功能。如圖5所示，PLC有2個主要狀態。即輸入輸出刷新(pc status=0)和運行狀態(pc status=1)。在pc status=0時，輸入被采樣，輸出映像被置位：當pc status=1時，PLC開始運行，pc pointer為PLC內部指令的指針，在每個時鐘周期，PLC執行一條指令，并將指令指針后移，當執行完所有指令后，outputfresh置高，允許輸出映像寄存器的結果輸出到端口plc io out中去。以上過程反復進行，便實現了PLC的基本邏輯功能。
1 數控系統簡介
數控系統中，執行數控NC功能的NCK軟件程序和執行邏輯功能的PLC程序，需由用戶根據機床的實際情況加以編制。軟件設計中，主控程序是NcK軟件程序；機床邏輯動作由NCK軟件程序輸出給PLc的輔助功能來完成。
1.1 輸出給PLC的輔助功能
輔助功能又稱M功能或M指令，是控制機床加工操作時作一些輔助動作的開／關功能，其主要用于機床加工時的工藝性指令，靠繼電器的通斷來實現其控制過程。輔助功能M代碼是以地址M為首后跟2位數字組成，共100種(M00一M99)。機床上的各種開關操作可以通過零件程序中的M功能指令激活。M功能在使用時，每個程序段可以有5個M指令。M指令的值從O到99，為整數。其中少數幾個M指令已經由系統生產廠商設置了一些固定功能，具體參見表1，其余部分可供機床生產廠商使用。
1.2 PLC向NCK傳送的信號
PLC用戶程序和NcK(數控核心)之間通過不同的數據區可進行信號和數據的交換，PLC用戶程序與交換無關，對使用者來說這是自動進行的。PLC／NCK的控制信號和狀態信號會循環刷新。信號分為普通信號、運行方式信號、通道信號和進給軸／主軸信號。其中，在PLC-NcK的通道控制信號中，3200的PLC變量中的V32000006．1是讀入使能禁止信號，其含義及使用方法如表2所示。
V32000006．1含義及使用方法
從表2可以看到，當對V32000006．1置“1”，禁止下一個程序段的數據傳送到插補器，這時NC程序處于停止等待狀態；當對v32000006．1復位清“0”，下一個程序段的數據傳輸給插補器，這時NC程序開始繼續執行該下一程序段，因此，通過對v32000006．1的置“1”和復位清“0”就可以實現對NC程序段的運行控制。在機床設計中，某些情況下只有結束輔助功能才可以執行下一個NC程序段，因此，這時可以通過禁止讀入信號阻止程序段的自動轉換執行。
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