基于STM32的改进DDA插补器设计与分析

２０１５年５月　机床与液压　ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｍａｖ　２０１５　第４３卷第１０期　Ｖｅ１．４３　Ｎｏ．１０　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１５．０１０．０４７　基于ＳＴＭ３２的改进ＤＤＡ插补器设计与分析　夏德宏　，万伟韬　，刘建胜　（１．江西水利职业学院信息工程系，江西南昌３３００１３；２．南昌师范学院教育培训学院，　江西南昌３３００２９；３．南昌大学机电工程学院，江西南昌３３００３１）　摘要：针对普通ＤＤＡ进给速度不够快、插补误差较大、插补脉冲分布不均匀等不足，利用改进的ＤＤＡ算法作为插补　算法，以基于ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３处理器内核的ＳＴＭ３２微控制器为插补控制核心，设计了ＤＤＡ硬件插补系统，实现了高速高　精度插补。借助Ｋｅｉｌ　ｕＶｉｓｉｏｎ４软件开发环境，利用Ｃ语言分别设计了普通ＤＤＡ和改进ＤＤＡ的算法程序，并对两种方法的　插补结果进行了对比。结果表明：与普通ＤＤＡ相比，改进ＤＤＡ在插补速度与插补精度上均有一定的提高，控制器溢出脉　冲分布更加均匀。　关键词：ＳＴＭ３２：改进ＤＤＡ算法；硬件插补　中图分类号：ＴＨ１６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１－３８８１（２０１５）１０－１５１－３　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＤＤＡ　Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ＸＩＡ　Ｄｅｈｏｎｇ　．ＷＡＮ　Ｗｅｉｔａｏ　．ＬＩＵ　Ｊｉａｎｓｈｅｎｇ　（１．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｊｉａｎｇｘｉ　３３００１３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｊｉａｎｇｘｉ　３３００２９，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｊｉａｎｇｘｉ　３３００３　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ＤＤＡ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ：ｔｈｅ　ｆｅｅｄ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｆａｓｔ　ｅｎｏｕｇｈ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ－　ｐｏｌ￣ｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ　ｉｓ　ｔｏｏ　ｌａｒｇｅ，ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｕｎｅｖｅｎ．Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＤＤＡ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔａｋｉｎｇ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ＳＴＭ３２　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｏｒｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｒ—Ｍ３　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ，ＤＤＡ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｍａｋｉｎｇ　ｕｓｅ　ｏｆ　Ｋｅｉｌ　ｕＶｉｓｉｏｎ　４，ｏｒｄｉｎａｒｙ　ＤＤＡ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＤＤＡ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃ　ｌａｎｇｕａｇｅ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｔｒａｓ・　ｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ：ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ＤＤＡ，ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＤＤＡ　ｈａｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｍｅ　ｅｘｔｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｐｏ－　ｌａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｐｕｌｓｅ　ｏｖｅｒｆｌｏｗ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＤＤＡ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　数控技术的出现使机床的性能产生了飞跃，插补　线和圆弧插补的硬件插补器。　技术又是机床数控系统的控制核心，插补就是已知待　１　插补硬件系统设计　加工曲线上的某些数据．按照某种算法计算已知点间　１．１控制芯片　中间点的方法。也称为数据点的密化…。经济型数控　ＳＴＭ３２Ｆ１０３采用ＡＲＭ公司的高性能Ｃｏｒｔｅｘ．Ｍ３　机床因较高的性价比被广泛采用，经常采用数字积分　内核。该内核采用１８０　ｎｍ工艺。基于哈佛结构和三　法（ＤＤＡ）进行数控加工，但ＤＤＡ法却存在插补速　级流水线的３２位内核，时钟频率高达１００　ＭＨｚ，芯　度低、误差大、进给脉冲分布不均的缺点心］。　片性能高达１．２５　ＤＭＩＰＳ／ＭＨｚ，运用基于硬件的中断　同时目前数控系统采用的插补器多为软件插补　处理技术，中断处理时间可以减少７０％，同时加入　器．插补过程容易受到计算机软件的影响，对于一些　３２位除法指令，除法运算时性能已接近ＤＳＰ。芯片　要求高速高精度的场合往往很难满足需要，所以开发　中也集成了丰富的片上外设，１个ＵＳＢ—ＯＴＧ全速设　高速、高精度的硬件插补器将对数控系统的发展和应　备，１个以太网模块，２个ＤＭＡ控制器，１０个定时　用带来极大的影响。。］。　器，２个ｂｘＣＡＮ模块，２个ＵＳＡＲＴ，３个ＳＰＩ等。拥　在普通ＤＤＡ的基础上，利用改进的ＤＤＡ算法，　有８０个ＵＯ口，最高７２　ＭＨｚ的工作频率，同时　采用基于ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３处理器内核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３　ＳＴＭ３２的７个定时器可以产生最多２８个精确的ＰＷＭ　作为硬件插补控制核心。设计了能实现高速高精度直　信号，适合电机的控制和与上位机的通信　］。　收稿日期：２０１４—０４－０９　基金项目：江西省科技厅科技支撑项目（２０１２３ＢＢＥ５００８３）；江西省教育厅基金项目（ＧＪＪ１３００２）　作者简介：夏德宏（１９８４一），女，硕士，讲师，主要从事计算机控制研究等。Ｅ－ｍａｉｌ：２２１２８０６４＠ｑｑ．ｅｏｍ。　第１０期　夏德宏等：基于ＳＴＭ３２的改进ＤＤＡ插补器设计与分析　・１５３・　器１，停止ＰＷＭ输出。累加器继续进行累加，直到　ｎ厂］ｒ］　ｒ］厂］厂］　ｒ］ｒ］几　ｒ］ｎ几　下一次累加器溢出，如此往复到插补终点。插补的方　１　２　３　４　５　６　７　８　９　ｌ０　１１　ｌ２　ｌ３　１４　ｌ５　１６　向由相邻的两个插补点决定，分别利用ＰＥ１和ＰＥ２　（ａ）普通ＤＤＡ直线插补瑚进给脉冲分布　引脚连接伺服驱动器的方向控制接口，ＰＥ１、ＰＥ２输　ｌ　口　口　口　口　口　口　口　口　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１　１２　１３　１４　１５　１６　出高电平，电机正转；输出低电平，电机反转。　（ｂ）普通ＤＤＡ直线插补ｌ轴进给脉冲分布　口口口口口口口口口口口口　１　２　３　４　５　６　７　８　９　ｌ０　ｌｌ　１２　（ｃ）改进ＤＤＡ直线插补＾触进给脉冲分布　口　口　口　口　口　口　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１　１２　（ｄ）改进ＤＤＡ直线插补ｌ轴进给脉冲分布　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１ｏｌｌ１２ｌ３ｌ４ｌ５ｌ６１７ｌ８ｌ９２０　口　口　口　口　口　口口２１２２２　口　３２４２５２６　．　口　口２７２８　（ｅ）普通Ｄｂ－Ａ－￣－弧插｛　轴进给脉冲分布　口　口口　口口　口　口　口　口　口　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０１１１２１３１４１５１６１７１８１９２０　２１２２２３２４２５２６２７２８　（ｆ）普通ＤＤＡ圆弧插补ｌ轴进给脉冲分布　图６直线与圆弧插补进给脉冲分布比较　表１直线插补结果分析　图４　ＤＤＡ第一象限逆圆弧插补流程图　３插补结果及分析　为了体现出普通ＤＤＡ与改进ＤＤＡ两者的特点，　利用ＭＡＴＬＡＢ对两种插补算法进行插补仿真，分别　使用两种算法对第一象限起点（０，０）、终点（１２，　６）的直线，第一象限圆心（０，０）、起点（１０，０）、　终点（０，１０）的逆圆弧进行插补。设普通ＤＤＡ的　综合分析图５、图６以及表１—２可以看出：利用　累加器．，　．，　位数为４，则累加器容量为２　，插补步　改进ＤＤＡ和普通ＤＤＡ分别进行直线插补时，虽然插　长均设为１。两种方法直线插补与圆弧插补比较结果　补精度没有得到提高，但是插补的速度提高了；进行　如图５所示。两种方法直线与圆弧插补ＸＹ轴脉冲分　圆弧插补时．插补的速度和精度都得到了一定的提　布比较如图６所示。利用文献［７］中插补误差公式　高。与此同时，利用改进ＤＤＡ插补时，ＳＴＭ３２溢出　计算文中两种算法插补误差。结果分析如表ｌ一２所　的进给脉冲分配更加均匀。　示　４结论　（１）利用ＳＴＭ３２搭建了分别基于普通ＤＤＡ和改　进ＤＤＡ算法的硬件插补系统，利用ｃ语言编写插补　算法程序，能够实现预定的功能，取得了良好的效　直线　果。　（２）同等情况下，直线插补时改进ＤＤＡ能提高　插补速度２５％以上；圆弧插补时，插补速度提高　ｏ　２　４　６　８　ｌＯ　ｌ２　２９％的同时．插补精度提高了３８％，改进ＤＤＡ直线　（ａ）直线插补　（ｂ）圆弧插补　与圆弧插补的精度均小于０．５个脉冲精度，并且　ＳＴＭ３２控制器在沿进给方向上的脉冲分布更加均匀。　图５直线与圆弧插补路径比较　（３）改进ＤＤＡ只是改变了普通ＤＤＡ累加器的容　（下转第１５０页）　・１５０・　机床与液压　第４３卷　文中自定义了Ｐｕｓｈｔｏｂｕｆｆｅｒ（）函数，采取了先将部　分代码送人缓冲区．等这部分加工完成后再发送一部　分代码到缓冲区直到最后加工完成。自动加工的控制　过程是首先调ＧＴ＿ＳｔｒｔＬｉｓｔ打开缓冲区，将用户传送的　轨迹描述或参数指令放入缓冲区，也可以调用ＧＴ—　ＡｄｄＬｉｓｔ添加新的指令：然后调用ＧＴ＿ＳｔｒＭｔｎ按照指　令存人的顺序依次执行，指令完成后调用ＧＴ—ＳｔｐＭｔｎ　中断缓冲区指令的执行。自动加工的控制过程如图５　所示。　火焰切割机作为一种常用的板材下料切割设备在　机械制造业有广泛的应用。传统的切割机为手动或者　半自动切割方式，切割效率较低，增加了人力成本。　ＰＣ＋运动控制器模式的数控系统充分利用了ＰＣ机的　软硬件资源，ＰＣ机可搭载通用的Ｗｉｎｄｏｗｓ系统，使　开发简单、周期短、效率高。基于ＰＣ＋运动控制器的　切割机数控系统由于具有很好的开放性．用户可根据　运动控制器函数库提供的函数自行对系统运动控制功　能模块进行设计改造。　参考文献：　从链表中提取数据　调用ＧＴＳｔｒＬｉｓｔ打开缓冲区　—［１］许小明，魏泽峰，胡力明，等．基于ＰＣ与运动控制器的开　放式数控系统研究与开发［Ｊ］．制造业自动化，２０１２，３４　（２）：１０７—１１０．　将轨迹描述或参数指令放入缓冲区１ｌ　［２］李伟．火焰切割机数控系统的研究［Ｄ］．淄博：山东理工　大学。２０１２．　调用ＧＴ　ＳｔｒＭｔｎ启动缓　冲区的连续轨迹运动　调用ＧＴＡｄｄＬｉｓｔ添加指令　—［３］黎建伟，千方建，王硕桂，等．基于运动控制器的数控软　件研究与开发［Ｊ］．工业控制计算机，２００９，２２（６）：３０－　３３．　▲　ｌ　进入中断　ｌ　＜　Ｙ　Ｎ　千．　［４］ＷＨＥＡＴＥＲ　Ｓｔｕａｒｔ　Ｍ，ＬＩＴＩＩ￣Ｍａｒｋ　Ｃ．Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍ—　ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｆｏｒ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　调用ＧＴ．＿ｓｌｐＭｔｎ平滑停止运动　ｌ　［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００６　ＩＥＥＥ，２００６：３７—４２．　［５］陈疆，秦现生，顾学民，等．计算机组态数控系统硬件的　构建［Ｊ］．中国制造业信息化，２００８，３７（１３）：４３－４５．　图５　自动加工的控制过程　［６］固高科技公司．ＧＵＣ系列运动控制器编程手册［Ｍ］．　ｆ７］董震．基于运动控制卡的开放式数控火焰切割机设计　［Ｄ］．石河子：石河子大学，２０１３．　在数控系统的加工过程中还有其他工作需要同时　进行。比如坐标的实时显示等，因此创建了一个线程　将自动加工在线程中运行［１。。。这样在加工的过程中，　每个独立的动作都创建一个对应的线程负责其运动过　『８　１胡志祖．基于ＶＣ的数控Ｇ代码解释器的设计与实现　［Ｊ］．中国重型装备，２００９（３）：３１－３４．　［９］张航伟，陈婵娟．开放式数控系统中数控代码的解析与　编译［Ｊ］．机械设计与制造，２０１１（２）：１４７－１４８．　程的管理。因为在加工过程中需要随时响应暂停或停　止等优先级比较高的线程。这种方式在多个动作协调　［１０］冯代伟，黄大贵，黄小刚．基于运动控制器的动态多线　程加工策略及其实现［Ｊ］．制造技术与机床，２００９（２）：　５３—５７　运动时实现起来逻辑比较清晰、方便。　３结束语　（上接第１５３页）　量，算法的复杂程度并没有增加，但是却取得了很好　的效果。　［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００７．　『４］ＳＴＭ３２　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｍａｎｕａｌ［ＯＬ］．ｗｗｗ．ｓｔ．ｅｏｍ．　［５］李恩林．插补原理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９４．　参考文献：　［１］吴祖育，秦鹏飞．数控机床［Ｍ］．上海：上海科学技术出　版社．２０００．　［６］叶伯生．计算机数控系统原理、编程与操作［Ｍ］．武汉：　华中理工大学出版社。１９９９．　［７］杨树莲．快速数字积分插补算法及其实现［Ｊ］．机床电　器，２００３（６）：１２－１５．　［２］范希营，郭永环，何成文，等．数控系统中数字积分插补　的研究方向［Ｊ］．机床与液压，２０１２，４０（１１）：１４６－１４９．　［３］杨宏臣．基于ＦＰＧＡ技术的数控插补器算法改进研究　［８］董为民，高贯斌，孙东明，等．插补算法的误差及实时性　研究［Ｊ］．机械制造与自动化，２００６（６）：１８－２１．