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:

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 μC /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。

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。