高速化、高精度、低成本、小型化數(shù)控控制系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)控機床加工行業(yè)的發(fā)展趨勢。本文提出QT+Linux+Microblaze的設計方法，由QT設計人機交互數(shù)控加工軟件，以供繪制加工所需的圖形以及獲得圖形數(shù)據(jù)，將此軟件通過Linux向Microblaze移植；加工數(shù)據(jù)信息通過UART發(fā)送給下位機數(shù)控加工模塊；在下位機FPGA模塊上配置出UART模塊、插補IP核以及脈沖發(fā)生IP核，最后控制三軸電機聯(lián)動走出需要的加工軌跡。簡要介紹了項目的背景和設計原理，詳細說明了系統(tǒng)中三個最主要的部分：三軸數(shù)控驅(qū)動模塊，抗干擾自適應波特率UART模塊，基于QT的加工作圖上位機軟件，并給出了這三個模塊的各自功能效果，最后分析了該項目的改進方向以及應用前景。實驗證明，該系統(tǒng)非常適合當今數(shù)控行業(yè)對控制模塊的運行速度、加工精度和體積的要求。

1項目背景及簡介

數(shù)控機床廣泛應用于國防、航空航天和國民經(jīng)濟各個部門，是自動化加工行業(yè)中最基本的裝備，也關(guān)系到國家的安全和工業(yè)生產(chǎn)能否健康地增長。突破國家裝備制造業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，高速、高精度的數(shù)控機床要先行。嵌入式系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的巨大優(yōu)點，已使它逐漸被廣泛應用于具有高速化、小型化需求的數(shù)控加工控制系統(tǒng)。

目前的中高檔機床的數(shù)控加工系統(tǒng)的載體是以由傳統(tǒng)PC機衍生出的工控機為主，而一些小型數(shù)控工作裝置的控制系統(tǒng)則主要是PC機(上位機)+下位機的控制方式。第一種方法，由于采用了類似于PC機順序執(zhí)行命令代碼方式，限制了加工速度的提高，尤其是現(xiàn)代加工行業(yè)對加工精度的高要求導致了大量傳感器及其外圍電路的應用，這就需要系統(tǒng)CPU具備高速運算處理的能力。第二種方法，由于需要在下位機和上位機之間頻繁的傳送數(shù)據(jù)，外圍電路比較簡單，難于外接較多的輔助傳感模塊，主要應用于對加工精度和速度要求均不高的數(shù)控裝置。

針對數(shù)控機床控制系統(tǒng)的需求和現(xiàn)狀，本文提出并進行相關(guān)實驗驗證了以QT+Linux+Microblaze的數(shù)控控制系統(tǒng)設計方式，利用QT美觀的圖形界面及其良好的繪圖功能，進行數(shù)控加工軟件的設計，用于繪制加工圖形，并獲得圖形數(shù)據(jù)；結(jié)合Linux的移植能力，將QT數(shù)控軟件先在Linux中運行通過，再移植到Microblaze(考慮到芯片無PowerPC，移植入PowerPC效果可能將會更好)；最后由Verilog HDL語言編寫的并行執(zhí)行模塊根據(jù)加工圖形數(shù)據(jù)控制數(shù)控設備。本方案將兼具高速運算處理能力以及圖形化友好操作界面。

2系統(tǒng)實現(xiàn)原理及總體設計

系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示，左側(cè)虛線框表示原先設計方案即QT編寫的數(shù)控加工軟件通過Linux開發(fā)工具最終移植到Microblaze處理器，由于我們團隊還未能成功實現(xiàn)Linux向Microblaze的移植，所以將QT數(shù)控軟件放在PC機上運行實現(xiàn)，由PC機與FPGA模塊通過串口交換數(shù)據(jù)。FPGA內(nèi)部的功能模塊以及外圍所需控制的器件如圖1所示。

圖1系統(tǒng)實現(xiàn)原理框圖

本文所述系統(tǒng)的總體設計框圖可以表示如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

圖3 系統(tǒng)硬件平臺

圖4 系統(tǒng)軟硬件配合工作圖

3系統(tǒng)主要模塊設計及實現(xiàn)功能

由圖2可知項目涉及到的系統(tǒng)主要由三大部分組成：下位機部分由FPGA處理器配置出三軸數(shù)控驅(qū)動模塊；用于上位機和下位機通信的抗干擾波特率自適應UART模塊；基于QT設計的數(shù)控加工軟件。為了體現(xiàn)出系統(tǒng)的處理速度優(yōu)勢，各模塊的設計均采用Verilog HDL語言設計。

3.1 三軸數(shù)控驅(qū)動模塊設計

該模塊主要具有插補計算功能和脈沖發(fā)生功能。該模塊通過UART模塊獲取信息，先判斷圖形形狀（目前能加工出正方形、任意角度的折線以及圓?。?，然后提取出圖形尺寸信息如邊長（起始點）、角度、弧度、半徑等信息，進而計算出X、Y軸的運行方向、運行的總位移以及脈沖數(shù)，接著驅(qū)動脈沖發(fā)生模塊工作發(fā)出脈沖控制三軸電機，最終走出加工所需要的軌跡。

直線插補方法：逐點比較法是一種代數(shù)運算，其特點是能逐點計算和判別運動偏差，并逐點就在以逼近理論軌跡。逐點比較法的理論誤差是一個脈沖當量。

整個插補過程中沒走一步需要完成四個工作節(jié)拍：（1）偏差判別，判別當前運動點偏離理論曲線的位置。（2）進給控制，確定進給坐標及進給方向。（3）新偏差計算，計算新的偏差值。（4）終點判別，線段均有終點。結(jié)束，則停止插補；否則，繼續(xù)插補進給，重復（1）～（4）工作節(jié)拍。直線插補示例如圖5所示：

圖5 直線插補示例

圓弧插補和直線插補類似，每走一步也分四個工作節(jié)拍： （1）偏差判別，X2+Y2=R2；令Fi=X2+Y2-R2（i=0，1，2，…，N）；Fi=0，點在圓上； Fi《0，點在圓外；Fi》0，點在圓內(nèi)。（2）進給控制，當Fi≥0時，進給-ΔX；當Fi《0時，進給ΔY。（3）偏差計算，①進給-ΔX后， Fi+1=（Xi-1）2+Yi2-R2= Fi -2Xi+1；②進給ΔY后，F(xiàn)i+1=Xi2+（Yi+1）2-R2= Fi +2Yi+1。（4）終點判別，計數(shù)長度法，令M=|X|或者|Y|，這樣X方向（Y方向）每走一步，M就減1；雙向計數(shù)法，令M=|X|+|Y|，這樣X方向或Y方向每走一步，M就減1。圓弧插補示意圖如圖6所示。

圖6 圓弧插補示意圖

圖7 三軸數(shù)控插補加工設計界面

3.2 抗干擾自適應波特率UART模塊設計

本文利用電路板上的UART進行下位機與上位機之間的通信。通用異步收發(fā)器（UART）常運用于多MCU的總線通信系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)交換。為了應對多種波特率通信需求，本文設計了一個波特率自適應UART，UART模塊可以根據(jù)通信需求自動改變下位機波特率，波特率更新過程如圖8所示。根據(jù)上位機按新波特率發(fā)送的特殊數(shù)據(jù)（該字節(jié)數(shù)據(jù)保證2bit高電平，如0x18H），UART接收到此數(shù)據(jù)后即可計算出新的波特率，并更新自身波特率與上位機通信波特率，表1列舉了采用該方法計算出的波特率值與理想波特率的誤差值。目前利用FPGA設計UART多采用16倍頻碼元中部采樣法，即對一個碼元采樣16次，將中間采樣作為本碼元的有效電平，這樣可以消除邊緣噪聲的影響，但是沒能解決隨機噪聲問題。碼元受到噪聲干擾示意圖如圖9所示。對于UART抗干擾問題，常用16倍頻碼元中部采樣法抗隨機干擾差，本文設計引入數(shù)字相關(guān)器對UART進行抗干擾設計，并采用流水線設計方法對數(shù)字相關(guān)器進行了優(yōu)。圖10所示為兩位數(shù)字相關(guān)器運算數(shù)據(jù)流圖。實驗表明該方法設計的UART具有靈活、可靠的優(yōu)點。

圖8 波特率變更流程圖

波特率（bit/s）分頻計數(shù)值誤差

240026030.0448%

96006510.16%

192003250.16%

115200540.4672%

200000310.8%

500000124%

65000096.4%

圖9 含噪聲干擾碼元采樣示意圖

表1 各波特率誤差表

圖10 相關(guān)器運算數(shù)據(jù)流圖

圖11、圖12、圖13表示波特率自適應過程，并能以新的波特率正常通信。

圖11 串口調(diào)試助手顯示及數(shù)碼管顯示（波特率9600bit/s）

圖12 發(fā)送06H通知下位機改變波特率（新波特率115200bit/s）

圖13 以新波特率正常通信（波特率115200bit/s）

3.3 基于QT的加工作圖模塊設計（上位機部分）

利用QT軟件良好的界面效果來設計數(shù)控加工軟件。可以在這個軟件界面下繪制加工圖，如圖14所示：

圖14 數(shù)控加工軟件界面

在圖中，先繪制出加工圖，目前可以繪制直線、折現(xiàn)、四邊形、圓等圖形，然后點擊菜單欄中“機械加工”，則軟件會自動提取圖形的起點、折點或者凸點、終點以及每個加工段的插補值，然后通過串口發(fā)送給下位機。

如圖13和圖14所示，下位機驅(qū)動三軸電機在布上（下面是海綿）畫正方形，因為海綿會變形，所以軌跡不是筆直的。

圖15 圖16

4 結(jié)論

本項目利用了嵌入式體積小的優(yōu)點，結(jié)合QT良好的界面效果設計了一套簡易數(shù)控加工系統(tǒng)。由于未能成功將QT軟件移植到Microblaze，故在上位機運行QT數(shù)控軟件，獲得加工信息后將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到基于FPGA處理器的下位機，進而控制三軸數(shù)控平臺進行加工。將FPGA器件用于數(shù)控加工，可以有效解決目前由于運算速度低帶來的加工技術(shù)瓶頸（由于目前數(shù)控處理器運算不高，部分計算量較大的提高加工精度的算法未能付諸應用），可以促進FPGA在數(shù)控加工領(lǐng)域的應用。