基于双 STM32+FPGA 的桌面数控车床控制系统设计

桌 面数控 设 备 对 小 尺寸零件加工在成 本 、 功 耗 和

占 地 面 积等方 面有 着 巨 大 优 势 。 桌 面数控 设 备 大致 有

3 种 实 现 方 案 : 第 一种 为 微 型 机 床搭 配 传统 数控系 统 ，

但 是 桌 面数控 设 备 对 成 本 敏感 ; 第二 种 为 基 于 PC 的

数控系 统 软 件 及 其 相应 接 口 卡 控 制 微 型 机 床 ［

1 ］ ， 由 于

软 件设 置 复杂 ， 很 难 针对 不 同 需 求 进行 修 改 ， 结果表现

为 精度 差 、 稳 定性 不高 ; 第 三 种方 案 为 在一 定 硬 件 平台

下 ， 自行完 成 数控系 统设 计 。

方 案 三 中 ， 根据 硬 件 平台 的不 同 ， 可分 为 基 于

PC ［

2－3 ］ 和 基 于 嵌 入 式 芯 片 ［

4－7 ］ 。 基 于 PC 的 数控系 统

可 简 化在 任 务 调 度 和通 信 等方 面 的工 作 ， 实 现 仿 真 加

工 、 轨 迹 显 示 等复杂的 人机 交 互 功 能 。 但 是 引入 PC

不 仅 增大 体 积和成 本 ， 同 时 由 于通用 操 作 系 统不 满足

数控系 统 实 时 性要 求 ， 需 要 增加 实 时 性 内 核 补 丁 或者

使用 硬 件 实 现数控系 统 中 高 实 时 性 任 务 ［ 8－9 ］ 。 嵌 入 式

芯 片 在 单个 芯 片 上 高 度集 成了 CPU 、 ＲAM 、 ＲOM 以 及

丰 富 的 外 设 ， 在 体 积 、 功 耗 和成 本 上 相 对 与 PC 有 巨 大

的 优 势 。 STM32 是 基 于 Cortex  －M 内 核 开发 的一 系

列 32 位 微处 理 器 ， 主 频 从 32 MHz 到 480 MHz ， 可以 平

衡 嵌 入 式 数控系 统 对 CPU 实 时计算 能 力 和成 本 的 要

求 。 因 此本 设 计 采 用 STM32 完 成 数控系 统设 计 ， 使用

FPGA 辅 助 STM32 控 制具 体 执 行 器 ， 并 设 计 桌 面 车

床 ［ 10 ］ 进行 验 证 。

1 数 控 车 床 控 制 系 统 模 式 分 类

传统 数控系 统模式 边 界 模 糊 ， 易 使 初 学者 混 淆 。

对 这 些 模式的 功 能及 其 实 现 方式 分 析 可 概 括为 两 种模

式 : 手 动 加工和 自 动 加工 。

合 理 的 功 能 分 类 有 助 于 理 清 任 务 内 容 ， 降 低 使用

门 槛 。 在具 体 实 现中 ， 两 模式 存 在 实 现 方式的 重 叠 ， 部

分 硬 件和 软 件 可以 共 用 。 依 据 客 户 机 － 服 务 器 设 计 模

式 ( Client－Server ( C /S ) ) ， 将 数控 车床 控 制 系 统 划 分 为

客 户 机 和 服 务 器 两 部 分 。 客 户 机主要 完 成 人机 交 互 类

工 作 ， 服 务 器主要 完 成 参数 修 改 、 动 作 执 行以 及数控系

统的 核 心 功 能 ， G 代 码执 行 。 两 部 分 主要 通过 自 定 的

不 对 称 通 信 协 议 实 现 服 务 器 接 收 执 行 客 户 机指 令 ， 并

返回 执 行结果 ， 协 同实 现 两 种加工模式 。

2 硬 件 设 计

硬 件是 数控系 统的 基 础 ， 硬 件设 计 要 满足 数控系

统在 数据 处 理 能 力 、 多 轴 联 动 同步性 、 存 储 能 力 和 抗 电

磁 干 扰 等方 面 的 要 求 。 限于 篇 幅 ， 这 里 不 对 具 体 电 路

原 理 图 展开 ， 仅 从需 求 角 度对数控系 统 硬 件 部 分进行

分 析 设 计 。

2．1 客户 机部 分 硬 件 设 计

客 户 机部 分 的 主要 任 务 是 人机 交 互 ， 而 屏幕 显

示 和 虚 拟 按 键 是 人机 交 互 的 主要 设 备 。 为 了 降 低 工

作 量 ， 提 高 开发效率 ， 许 多 嵌 入 式设 计 采 用 串 口 屏 实

现 人机 交 互 ［ 4 ，

11－12 ］ ， 但 是设 计 受限 且 串 口 屏 面 向 一

般 工业应用 场 景 ， 不 满足 坐 标 显 示 等高 实 时 要 求 。

因 此 在 客 户 机 硬 件设 计 中 采 用 STM32F429 + 触 摸 屏

自行进行 人机 交 互 开发 。 同 时 充 分 利用 STM32 丰 富

的 外 设 ， 增加 USB 、

SD 接 口 用于 U 盘 、 键 盘 以 及 SD

卡 等 外 部 G 代 码 输入 ; 使用 Flash 实 现 G 代 码 板内 存

储 ; 添 加 32MB 的 SDＲAM 拓 展 STM32F429 内 存 ， 同

时作 为 显 示 屏 显 存 ; 拓 展 手 轮 接 口 用于 外 接 电子 手

轮 ; 预 留 以 太网 、 ＲS485 接 口 增加 系 统 开 放 性 以 及 功

能 可 拓 展 性 。

2．2

服 务 器部 分 硬 件 设 计

由 于 服 务 器 承担 自 动 加工 中 绝 大 部 分 任 务 ， 所 以

服 务 器 硬 件 需 要 满足 数控系 统 实 时 性 、 同步性 以 及稳

定性要 求 。 采 用 主 频 高 达 216 MHz 、 支持 浮 点 运算 的

STM32F767 以 达 到 数控系 统的 实 时 性要 求 。 采 用

EP4CE15F484 同步 发 送各 轴 运 动 指 令 到 电 机 驱 动 器 。

添 加 SDＲAM 拓 展 内 存 ， 提 高最大 G 代 码 行数 避免 系

统 死 机 ; 使用 FMC 进行 STM32 和 FPGA 的 主 从 通 信 ;

由 于 FPGA 直 接 与 执 行 器 和传 感 器 连 接 ， 增加光 耦 隔

离 避免 外 部 信 号 干 扰 等 。

2．3

总 体 硬 件 设 计

虽 然 通过 两 个 MCU 完 成 客 户 机 和 服 务 器 任 务 ， 但

是 考虑 到 体 积和 安 装 ， 将 两 部 分集 成在 同 一 块 PCB 电

路 中 ， 共 用 必 需 的 电 源 、 时 钟 、 急 停 、 指示 灯 等模 块 。 数

控系 统 整体 的 硬 件 架 构 如 图 1 所示 :

3

软 件 设 计

软 件设 计 主要 对 客 户 机 功 能 、 服 务 器 任 务 进行分

析 设 计 。 限于 篇 幅 ， 且 有 许 多 文 献 ［

13－16 ］ 对 译 码 、 刀 补

和 插 补 等 进行 介绍 ， 这 里 不 对 所 有 子 功 能 模 块详细阐 述 。

3．1 客户 机 软 件 设 计

emWin 是 针对 嵌 入 式 平台 开发 的 图 形 软 件 库 。

使用 emWin 控 件 可以 如同 搭 积 木 一 般 完 成 界 面 编 辑 ，

再 由 STM32 的 LTDC 控 制 器 驱 动显 示 屏 实 现 界 面 显

示 。 emWin 支持 触 摸 屏 ， 周 期 性 检 测 触 摸 交 互 ， 并 获

取 屏幕 坐 标 系 下 的 点击位置 坐 标 ， 通过 点击位置与 界

面控 件 位置 比 较 判 断 是 否 该 控 件 被 操 作 ， 在 控 件 回 调

函 数中 编写 响 应 函 数 实 现 虚 拟 按 钮 功 能 。 通过 对 不 同

按 钮 类 控 件 编码 ， 在 按 钮 控 件 回 调函 数中 将 对 应 编码

写 入内 存 即 可完 成标 准 G 代 码 或者其 他 类 型数据 的

虚 拟 按 键 输入 。 传统 数控 车床 支持 使用 电子 手 轮 ， 相

对 于 按 钮 ， 电子 手 轮 可以 实 现 灵 活 微 进 给 ， 根据 摇 动 速

度控 制 电 机 进 给 速 度 ， 为 对 刀 等 操 作 提 供 极 大 便 利 。

FatFs 是 针对 嵌 入 式 系 统设 计 的 文 件 系 统模 块 ，

FatFs

根据 扇 区 信息 完 成 数据 读 写 ， 并 做 必 要 的 数据 保 护 ， 对

不 同 的 存 储 介 质 提 供 泛 型 操 作 。 客 户 机与 服 务 器之间

使用 4Mbps 串 口 通 信 ， 以 满足 大 数据 指 令 响 应的 实 时

性 。 服 务 器 返回 的 结果 类 型 较 多 ， 串 口 接 收 中 断 解 析

可 能会 导 致 客 户 机 系 统 有 较 大的 时 间 抖 动 ， 所 以 需 要

将 除 显 示实 时 性要 求 高的 ( 如 坐 标 ) 结果 使用 FIFO 缓

冲 区 暂 时 存 储 ， 待 其 他 任 务 完 成 后 再 对结果 解 析 。 触

摸 检 测 、 屏幕 显 示 和 结果 解 析 在 宏 观 上 是 并行 任 务 ， 因

此 借 用 嵌 入 式 操 作 系 统 μ C /OS－ Ⅲ 进行 任 务 调 度 ， 同

时 emWin 和 FatFs 亦 可以 使用 操 作 系 统 提 供 的 信 号 量

等 共 享 资 源 保 护 机 制 进行 资 源 保 护 。

3．2

服 务 器 软 件 设 计

限于 服 务 器 内 存 大 小 需 要 将 译 码 、 刀 补 和 插 补等

模 块 并行 执 行以 降 低 对 缓 冲 区 需 求 ， 因 此 带 来 任 务 调

度 、 共 享 资 源 管 理问题 。 随着 硬 件的 发展 ， MCU 片 上

ＲAM 大 小 增加 ， 而 且 可以 外 扩 ＲAM 增加 系 统 内 存 ， 因

此 许 多 并行 任 务 可以 转 为 串 行 执 行 ， 从 而 简 化设 计 ， 降

低 系 统 耦 合 ， 增加 系 统 鲁 棒 性 。

由 于 服 务 器 被 动 响 应 客 户 端 指 令 ， 所 以 在 服 务 器

空 暇 时 ， 应 该 不 停 查 询 是 否 存 在 指 令 通过 数据 通 信 送

达 ， 根据 指 令 内 容 通过 函 数 指 针 调 用 执 行参数 修 改 、 动

作 执 行 、 G 代 码执 行 等 服 务 类 任 务 。 参数 修 改 任 务 不

仅 提 供 对 刀 数据 等 自 动 加工 时 必 需 参数 修 改 ， 也 可以

修 改 电 机 参数 ( 最大速 度 、 加速 度 等 ) 以 及 机 床 参数

( 最大 行程 、 前 / 后置 刀架 、 螺距 等 ) ， 提 高 数控系 统 柔

性 。 动 作 指 令 发 送的 先 后 必 然 破 坏 联 动 的 同步性 ， 所

以 动 作 执 行 任 务 仅 需 考虑 同 一 时 间 下 单 轴 动 作 ， 即 对

应 手 动 加工模式 。

G 代 码 任 务 包括 译 码 、 刀 补 、 速 度规 划 、 G 代 码 解

释 等 子 任 务 ［ 16 ］ 。 通过 FatFs 读 入 系 统的 文本文 件是

以 字 符 数 组 保 存 的 ， 如 果 在 G 代 码 解 释时 再 寻找 指

令 ， 无 法 满足 加工速 度提 出 的 实 时 性要 求 。 因 此 ， 译 码

需 要 预 先 从 字 符 数 组 中提 取 并 检 查 指 令 及 其数据 。 刀

具 长度 补 偿 是 指 当 刀 具 长度因 为 换 刀 、 磨 损 导 致 切削

不到工件 时 ， 补 偿 这 部 分 缺 失 而 不 需 要 重 新 对 刀 ， 节 省

时 间 ; 速 度控 制 主要指 加 减 速 控 制 ， 也 有针对 连 续 微小

线段 进行 速 度 前 瞻 控 制 ［

17 ］ ， G 代 码 中描述 的 轨 迹 ， 都

是 从 零速 度开 始 ， 零速 度结 束 。 根据 牛 顿 定 律 ， 必 然存

在加速和 减 速过 程 ， 对 于 步 进 电 机 ， 在 启 动 频 率 之 下 ，

加工 精度 要 求 不高 ， 可以 不 考虑 加 减 速 。 频繁 的 启 停

影响 加工 效率 ， 速 度 前 瞻 控 制 引入转接 速 度 避免 电 机

启 停 。 G 代 码 解 释 将 G 代 码 转 换 为 具 体 指 令 驱 动 执

行 器 运 动 。 对 于 简 单 执 行 器 ， 如 冷却液 、 照 明 等 ， 只 需

控 制 FPGA 产生相应的高 低 电 平 ; 对 于 单个 复杂 执 行

器 ， 如 直 流 无 刷 电 机 ， 控 制 FPGA 产生相应的使 能 、 方

向 电 平 信 号 以 及 速 度 脉 冲 信 号序 列 发 送 给 直 流 无 刷 驱

动 器 ; 对 于多 个 复杂 执 行 器 联 动 ， 使用逐 点 比 较 插 补 分

解 出 各 轴位 移 ， 再 控 制 FPGA 产生相应的方 向 电 平 信

号 以 及 包 含 位 移 速 度 信息 的 脉 冲 序 列 发 送 给 步 进 电 机

驱 动 器 。

急 停 用于 危 急 情 况 下 机 床 的 紧 急 停 止 ， 如 果 急 停

仅仅 给 主 回 路 断 电 ， 存 在 急 停 复 位后 电 机 继 续 运 动 的

可 能 性 ， 所 以 急 停 信 号 同 时需 要 提 供 给 数控系 统 ， 用于

控 制 停 止 电 机 ， 对 于 主轴 这 种大 惯 量部 分 ， 必 要 时 适 当

反 转 电 磁 力 矩 或者 增加 机 械 抱死 装置 。 综 上 所 述 ， 服

务 器部 分 的 参 考 模 型 如 图 2 所示 。

客 户 机 服 务 器 模式 下 的 系 统 本 质 上 是 主 从 系 统，

这 决 定 了相 互 之间 通 信 协 议 具 有 不 对 称 性 。 客 户 机 需

要 按照 服 务 器 协 议 调 用 服 务 器 提 供 的 服 务 ， 由 于 G 代

码 数据 具 有 不 确 定性 ， 如 果 服 务 器采 用不 定 长 方式 接

收 数据 ， 时 间 抖 动 较 大 ， 为 了 实 现 定 长 接 收需 要 客 户 机

先 发 送一 个 指 令 告 诉 服 务 器 G 代 码 长度 ， 然 后 在 下 一

个 指 令 发 送 对 应 长度 G 代码。

4

实验验 证

为 了 验 证修 改 本 嵌 入 式 数控系 统 ， 分 别 采 用了 两

台机 床 ， 其 一 为南京 翼马 ET100－ZT 数控 装 调 实 训 车

床 ， 选 配电 机 和 刀 具 后 完 成 切削 实验 ; 其 二 为 自 设 计 机

床 。 使用 如 图 3 所示 零件 图 进行 车 削 实验 。

 

加工成 果 图 如 图 4 、 图 5 所示 ， 加工零件 数据 如 表

1 所示 。

自 设 计 机 床 X 轴 刚 度 较差 ， 导 致零件在 X 轴 方 向

的尺寸 精度 相 对 较差 且 加工 表面 质 量 不 如 ET100－ZT。