基于RK3588 ARM+FPGA的电火花数控硬件平台总体设计（二）

2.2****数控硬件平台方案设计
2.2.1****硬件平台结构方案
目前，多数电火花加工设备数控系统广泛沿用传统数控机床基于 PC 的数控系统。
由于其开放性有限，难以依据机床自身特点而升级配合，其实时性和稳定性相比嵌入
式数控系统依然不足。新一代嵌入式微处理芯片，如 ARM、FPGA、DSP 等代表，由
于其高主频、低功耗、小体积、丰富的外设资源以及强大的处理能力等优点，正在逐
渐广泛应用于新一代数控机床，并得到推广[58]。
ARM 处理器的中断资源丰富，事务管理和多任务管理能力强，在处理速度、性能、
可靠度以及设计开发流程方面都具备一定优势。随着科学技术的发展，部分 ARM 芯片
也具备了硬件浮点数计算能力，可以进行数据处理，保证一些复杂运算的实时性，逐
渐在要求日益增加的工业控制领域取代单片机。
DSP 处理器内部集成了专门的硬件乘法器，高速浮点计算能力强，可以保证系统
实时处理数据任务，但不易拓展逻辑功能，在处理接口方面很受限制。FPGA 作为一种
可编程门阵列，具备速度快、可以多路并行执行等特点，有很强的灵活性，同时拥有
丰富的逻辑资源，可以根据系统需求灵活配置 IO 口。
嵌入式数控系统解决方案通常采用 ARM 架构微处理器作为核心控制器，并结合
FPGA 或 DSP 等控制芯片为辅，共同构建一个完备的控制体系结构。部分数控系统因
对其人机交互需求不高，选择使用 DSP 搭配 FPGA/CPLD 结构的方案，充分保证了系
统的实时性。使用 ARM+DSP+FPGA 的架构虽然各方面能力出色，但结构复杂，开发
难度和可维护性相对较差。
结合本文电火花小孔加工机床的功能要求，嵌入式数控系统硬件平台结构采用
ARM 搭配 FPGA 的形式。为了使控制系统满足电火花工作环境的使用要求，在设计过
程中需要充分考虑硬件平台的可靠性、实时性以及高效性。因此，本文分别以 ARM 和
FPGA 为核心搭建机床的上位机系统与下位机系统，该架构有以下优点：
1）任务分配明确。由于 ARM 和 FPGA 两种结构芯片特点分明，其优劣势各有不
同。二者分别作为上下位机的核心进行开发，可以充分发挥各自的优点，保证系统的
稳定运行。
2）机床功能模块化设计。ARM 处理器提供了功能强大、资源丰富的 Linux 系统，
可轻松移植机床数控系统，实现功能模块化编程。同时 FPGA 芯片编程极其灵活，非
常容易实现模块化编程。二者的模块化设计可以大大缩短系统研发周期，有利于机床
功能的扩展，降低研发成本。
2.2.2****上位机与下位机的任务分配
数控软件的主要任务包括初始化、G 代码解释、插补任务、图形用户界面(GUI)交
互、加工状态监测以及通讯任务。初始化阶段包括自动回零和定位工件中心，为后续
加工操作做好准备。G 代码解释通过严格的词法和语法解析确保代码正确性，并将其
下发给插补线程进行进一步处理。插补任务提取加工轨迹信息，并向各轴发送移动指
令，控制移动距离和速度。GUI 界面实时显示加工状态、参数信息，并在需要时提醒
操作人员进行相应操作，保证加工过程的连续性和稳定性。同时，还需调节脉冲电源
参数，接收脉冲电源的反馈信号，如加工电压、当前位置等，以实现加工间隙的稳定
调整。
根据上述工作任务，考虑各个任务对系统实时性的要求以及和核心芯片的优劣势，
上、下位机的任务分配如下：
上位机系统以 ARM 为核心，利用其高速多任务的优势，嵌入实时性较高的 Linux
系统，负责人机交互界面的代码编写、加工仿真等，完成刀具补偿、速度规划、G 代
码文件的编译、任务调度、穿透检测、插补计算等任务；下位机以 FPGA 为核心，利
用其高速并行的优势完成实时控制和执行任务，实现对各轴运动的精确控制、脉冲电
源控制信号的发生、极间状态反馈信号的接收与模数转换等任务。上、下位机总体任
务框图如图 2-3 所示。
2.2.3****通讯协议方案设计
在"上-下位机"的结构方案中，通讯信息主要包含放电参数等单方向信息传递、
机床位置指令实时交互、极间状态的实时处理后反馈的数据、工作液及报警等非实时
信号数据等。机床的位置信息以及极间状态的实时数据涉及到机床硬件的响应速度以
及恶劣极间状态的优化速度，因此对上、下位机之间的通讯实时性要求较高。在工业
自动化领域中，常用的信号通讯有：SPI 串行外设接口、CAN 控制器局域网络、UART
通用异步收发传输器、Ethernet 以太网等[60]。表 2-2 描述了几种通讯接口的电气特性。

由于电火花加工设备在放电时会产生强烈的电磁干扰，为确保上、下位机之间信
号传输的稳定性和可靠性，其信号传输系统必须具备出色的远距离传输能力和强大的
抗电磁干扰能力。由此分析可知，SPI 通讯传输距离较短；UART 收发器虽简单易实现，
但通讯速率较慢；以太网相较于 CAN 总线与 UART 收发器的传输速率相对较高、成本
低，且更为安全灵活，可以通过堆叠或级联方式拓展网络规模，契合未来机床的智能
化发展方向。本文最终采用了以太网作为"上-下位机"之间的通讯方式。
考虑到数控机床对实时性的要求，本文上、下位机之间的通讯协议采用了 ARP 地
址解析协议用于获取目标设备的 MAC 地址；采用 UDP 传输协议，因其不需要额外握
手的过程以保证数控系统的实时性；同时，采用自定义数据包的形式，自定义传输数
据。用户数据段自定义格式如图 2-4 所示。

2.3****数控硬件平台核心器件选型
2.3.1 ARM****处理器选型
考虑到数控机床的功能要求、系统的实时性和灵活性，在选择核心芯片时，需要
满足以下要求：
1）开源性。开源的芯片通常具备更广泛的生态系统和厂家的长期支持。芯片的开
源性不仅决定了用户自主开发的自由度、速度和难度，也为项目带来更多自主权和可
定制的优势，便于针对电火花加工设备定制功能模块。
2）具备硬件浮点数计算能力。为了简化系统结构并提高可维护性，嵌入式数控系
统未引入 DSP 处理器，其高速浮点数计算能力较弱。为满足浮点数运算需求，选择了
一款支持浮点数运算的 ARM 处理器，以确保系统性能和稳定性的同时，降低系统复杂
度，提升可维护性。
3）具备较强图像处理的能力。在实际生产加工中，铸造零件上使用电火花加工多
个小孔面临着由于外形精度不高，孔位之间精度不高、同轴度不够好、无法使用同一
加工代码自动加工所有小孔等问题，例如航空叶片所需要的簸箕孔。针对航空航天与
民用领域对加工零件要求的逐步提高，在加工过程中，机床可以自动确定孔位是否达
到标准是未来的发展趋势。因此 ARM 芯片需具备可以开发视觉检测、图像处理的能力。
根据上述需求，上位机系统选用了国产品牌瑞芯微生产的 RK3588 芯片。
2.3.2 FPGA****芯片选型
下位机作为控制系统与机床连接的关键，需要具备足够的 IO 资源、接口和信号处
理能力，以及强大的开发工具，以便于研究人员进行设计、验证以及调试。Altera 公司
是可编程逻辑解决方案的引领者，其生产的 Cyclone 系列 FPGA 以其低功耗、低成本的
优势成为成本敏感用户的最佳方案。尽管该系列芯片定位是低成本方案，但仍提供了
丰富的资源，实现高速时序设计，适用于许多需要高性能的应用场景，满足各种不同
规模和复杂度的设计需求。同时该芯片提供了丰富的开发工具和设计资源，包括
Quartus 设计软件、IP 库、参考设计等，使得设计人员可以快速开始开发，并提高设计
效率。
综合下位机主要任务以及 FPGA 的功能引脚资源和 Bank 数量，下位机平台选择
Altera 公司生产的 Cyclone IV 系列的 EP4CE10F17C8 型 FPGA。Altera 提供了 Quartus
II 开发软件套件，用于设计、仿真和编程，方便开发人员快速开发和验证。
该芯片的资源信息见表 2-4。其拥有高达 10320 个逻辑单元，配备了 272 个 RAM
块，含有 2 个通用 PLL 用于时钟管理和信号调节，确保数据传输的稳定性和准确性。
同时，它还拥有 162 个高速收发器，支持高达 3.125Gbps 的数据传输速率，满足高速数
据传输的需求。
考虑 PCB设计方面，该芯片采用了 256-FBGA的形式。这种封装形式为其提供了稳
定的电气性能和机械强度，确保在各种应用环境下都能保持出色的性能。同时，它还
有助于提高生产效率和降低制造成本，使得 EP4CE10F17C8 在各种电子设备中都能得
到广泛应用。