基于单片机构成环境温湿度实时测控系统的研究

编号 本科生毕业论文基于ARM的数控冲床自动送料系统设计ARM-based CNC punch automatic feeding system design学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院 二一三年六月 毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于单片机构成环境温湿度实时测控系统的研究，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日摘 要数控冲床送料系统主要用于与冲床实现配套，在冲孔过程中按照程序设定控制板料移动和冲床冲孔，实现冲孔的高度自动化。本文采用目前广泛使用的32位ARM微处理器，Samsung公司基于ARM920T的S3C2440A作为系统的主控制器，该处理器主要面向嵌入式设备，具有性价比高功耗低的特点，并且在嵌入式Linux操作系统下可移植性好，具有较强的控制能力和丰富的片内资源。该系统能实现数控冲床的自动送料，软硬件结构简单，定位精度高，操作简单方便，具有良好的人机界面。论文首先根据生产实际要求和控制系统设计原则，确定了送料系统的软硬件总体设计方案。 关键字：自动送料系统 嵌入式系统 ARM S3C2440ABSTRACTNumerical control punch feeding system is mainly used to match with the punch,control the panel veneer to move and the punch to punch according to the settings of the programs in the process of punching, to achieve a high degree of automation of punching.In this paper, S3C2440A,(Samsungs ARM920T based controller),which is dely used as a 32-bit ARM microprocessor, is used as the main controller, the processor is manily for embedded devices which has a high cost-effective and low power consumption, its easy to migration in the embedded Linux operating system and has a strong control ability and rich chip resources.The system enables the machine to feed punching automatically, the structure of hardware and software is simple, and its easy to operate, the system has a high accuracy of positioning and good human-machine interface. The paper also introduces antijamming technology of the hardware and software of the system.Keywords：Automatic Feedingsystem Embedded System ARM S3C2440目 录摘 要IABSTRACTII目 录I第1章 前言11.1嵌入式系统概述11.2冲压生产自动送料装置的概况及发展趋势21.3选题的背景和意义31.4本课题的研究现状41.5论文的主要内容和结构5第2章 自动送料运动控制系统总体设计62.1 系统设计原则62.2 数控冲床系统的组成62.3 冲床数控自动送料系统的总体设计72.3.1冲床数控系统硬件结构设计72.3.2冲床数控系统软件结构设计82.3.3 ARM9芯核简介9第3章 数控技术中的插补运动控制原理123.1数控技术中常用的插补算法123.2 粗插补123.3 精插补133.3.1 数字积分法的基本原理133.3.2 DDA直线插补器133.4速度的控制方法14第4章 自动送料运动控制系统硬件设计154.1 S3C2440A微处理器简介154.2存储器接口电路154.3通讯模块164.3.1串口通讯模块164.3.2 USB通讯174.3.3 JTAG接口184.4 LCD触摸屏模块194.5硬件抗干扰设计19第5章 自动送料运动控制系统的软件设计215.1软件系统总体设计215.2 ARM软件开发流程及开发工具介绍215.3加减速控制模块设计225.4通讯模块设计23第6章 结论及进一步研究的建议256.1结论256.2进一步研究的建议25参考文献26致 谢27第1章 前言1.1嵌入式系统概述20世纪70年代末，微处理器出现，并随着计算机技术和半导体技术的发展而迅速发展起来，以微处理器为核心的微型计算机具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高、计算能力强等特点.人们按照各自需求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，把这种嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机系统称作嵌入式计算机系统。在多数网站和书籍资料中，对嵌入式系统的定义大多是这样的：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能，嵌入式系统的三个基本要素是：嵌入性、专用性与计算机系统【1】。嵌入式系统与通用计算机系统有很大的不同，与通用计算机系统相比，具有以下特点：(l)嵌入式系统通常是面向特定应用，因此嵌入式CPU大多工定用户群设计的系统中，能够把PC中许多由板卡完成的任务集中在芯片内部，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点；(2)按照嵌入式系统的定义，它是某种技术过程的核心处理环节，满足技术过程的时限要求，.自然具有实时处理的特性嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，系统要精简；(3)嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环条件往往恶劣，其健壮性及可靠性是该类产品的必备条件，为提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都是固化在存储器芯片中，而不是存储与磁盘等载体中【2】。嵌入式系统是硬件和软件的综合体，所以嵌入式系统可以分为硬件和软件两部分。(1)嵌入式系统的硬件嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设、I/O端口等，嵌入式处理器是系统的硬件核心。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器，这些嵌入式处理器是为完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器，目前使用较多的嵌入式处理器有：嵌入式微处理器(EMPU)嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU嵌入式处理器目前主要有PowerPC、68000、MIPS和ARM系列。嵌入式微控制器(MCU)嵌入式微控制器又称单片机，一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM等各种必要功能和外设、微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，目前的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051等。嵌入式DSP处理器(EDSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，适合执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高，嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texashistruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。嵌入式片上系统(SOC)SOC是随着EDI的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现的一个更为复杂的系统，各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以制作样品。目前有代表性的产品是Tricore、M-core、Neuron芯片等等【3】。(2)嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，而嵌入式操作系统是核心，是嵌入式应用的基础平台，是连接硬件和应用程序的系统程序。操作系统发展到现在，广泛使用的主要有：多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。由嵌入式系统的特点可以看出，嵌入式操作系统主要是实时操作系统，实时操作系统是事件驱动的，它能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内做出响应，它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有机的整体，起着核心作用，由它来管理和协调各项工作， 为应用软件提供良好的软件运行环境及开发环境。1.2冲压生产自动送料装置的概况及发展趋势冲压成形作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一个部门。随着我国工业的发展，冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化生产要求，手工送料的冲压加工生产由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足了冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求【4】。随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变，概括起来要表现在以下一些方面：(1)高精度化当代工业产品对精度的要求越来越高，很多精密零件的误差范围要求在微米内，与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技术得到了应用发展。作为数控自动化的辅助装置，自动送料装置的精度会直接影响产品的精度，追自动送料装置的高精度化是永恒的主题，这主要表现在定位和进给量的大小上。(2)高速度化提高生产效率主要表现在提高机床主轴的转速和送料的进给量方面，如日本DIMAC公司生产的NC伺服辊轮送料机，能实现连续高速送料，最高速度可以达100m/min，使机床的加工效率大幅提高。(3)高柔性化市场竞争的日益激烈，利用最少的设备来生产尽可能多的冲压制件，间接的降生产成本成为各个厂家竟相追求的目标之一；同时当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求，如在一台冲压设备中完成不同的模具加工等。(4)高自动化自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定的任务，特别是现代数控机床与自动送料装置的结合，使其真正的高度自动化成为可能。(5)高可靠性大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。但是，由于使用场环境的复杂性，往往会受到很多的干扰，所以追求高可靠性是研究的一项重要课题随着我国冲压行业的发展，冲压设备性能与世界的接轨，冲压生产自动化程度的一步提高，对冲压生产的送料技术也提出越来越高的要求，以满足与冲压设备的配套。(6)交流伺服系统自动送料机构近20多年来，由于电力电子技术的发展，计算机控制技术以及现代控制理论的应用，交流伺服驱动技术得到了飞速发展。交流伺服自动送料的动力来自交流伺服电机，具有柔性化、能化的特点，工作性能和工艺适应性很强。在我国，较先进的动送料装置是深圳力豪公司的NCHF系列三合一伺服系统送料机，它适合于各种五金电子、电器、玩具伺服送料及汽车零件连续冲压加工，送料矫正；送料时可任意设送料长度，操作容易，安全及稳定性高【5】。1.3选题的背景和意义数控冲床送料系统主要用于与冲床实现配套，在冲孔过程中按照程序设定控制板料移动和冲床冲孔，实现冲孔的高度自动化。该系统在许多行业都有着广泛的应用，例如，灯箱制作，饭金、瓶盖、低压灯饰。如果没有采用数控冲床送料系统，只能将板料裁减成一条一条的，然后人工送料，存在着危险、效率低、工序多材料利用率低等问题。近年来，由于计算机控制技术、检测技术及电力电子技术的发展进步，交流伺服技术越来越多的应用到冲压生产领域，使得冲压生产自动化、智能化、柔性化的水平大大提高，但作为数控冲床的辅助装置自动送料机构，一直没有得到应有的重视。自动送料机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的要求，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生产效率、生产节拍以及冲压生产整体自动化水平，只有其自动化程度与冲压设备相匹配甚至高于冲压设备，才能够实现冲压生产的完全自动化.因此，在发展冲压成形设备的同时，给予送料机构足够的重视和研究是有着其实际的意义。1.4本课题的研究现状我国从1958年开始研制数控机床，自20世纪60年代中期进入实用阶段，80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。经过“六五”、“七五”“八五”及“九五”，科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。目前我国已有数控系统(含主轴与进给驱动单元)生产企业五十多家，数控机床生产企业百余家【6】。随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。冲压生产的自动化，手工送料逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量，己是“大势所趋”，但结合我国的实际国情及生产设备的现状，传统的冲压设备在相当长的一段时间里可能还要进行“服役”，要完全实现自动化可能还要有很长的一段路要走【7】。数控冲床送料系统由冲床、两坐标工作台及数控系统组成，数控系统根据用户输入的程序及冲孔工艺要求，控制工作台承载着板料作相应的移动，走到该冲孔的地方便控制冲床冲孔【8】，根据现有控制系统的结构形式，大致可以分成如下几类：(l)专用的数控系统国外的有法那克、西门子等数控系统，国产的有武汉华中、广州数控等，专用的数控系统具有控制精度高，编程能力强，系统可靠性高，待开发的功能多等优点，但对于冲床来说由于它是属于点位控制，控制相对简单如果选用造价昂贵的专用系统无疑是资源上的一种浪费。(2)单片机控制单片机具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，它更善长于数据计算与数据处理，一般更广泛的被应用于数据采集和中央控制室控制，完全由单片机控制，特别是运动控制台也由单片机直接发送脉冲控制，这种方式下，单片机的负荷特别重。再者，由于单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以应用到现场时必须对烦琐的接口电路进行设计，比如输入输出接口电路中的祸合电路、隔离电路及驱动电路，另外工业现场的电磁等干扰信号，会对单片机产生强烈的干扰，所以采用单片机直接进入现场控制对其进行抗干扰处理也是不得不考虑的问题。(3)PLC控制这种设计方案简单，硬件可选范围广，并且软件编程容易， 直接通过梯形图编程即可完成相应功能，调试一般也不会出现太大问题但是这种方案系统造价比较高，在成本要求严格的场合很难考虑，灵活性也比较差，容易造成系统资源浪费。所以这种方案一般用在比较大型的流水线生产设备上，在数控冲床的自动送料系统，特别是在中小型生产线中，很少采用这种方案【9】。通过综合分析以上各种控制形式的特点，我们可以看出现有自动送料系统并不能很好满足数控冲床的控制要求和实际生产需要。因此，.根据数控冲床的控制特点，选用新型的控制器，设计出数控冲床自动送料系统，对于实际工业生产和制造具有重要意义。1.5论文的主要内容和结构本课题主要采用上下位机的形式设计自动送料装置，主要工作是下位机电机控制系统的设计。采用32位ARM微处理器S3C2440A作为主控制器，移植实时操作系统Linux构成嵌入式系统的操作平台，使用Qt/Embeded设计可视化图形用户界面，通过ARM的PWM输出脉冲控制X、Y轴电机运动。本论文的各章节内容安排如下：第一章绪论。介绍本课题的背景和意义!数控冲床及自动送料系统发展现状与趋势及论文各章节内容的安排；第二章数控冲床自动送料系统运动控制器的软!硬件总体设计；第三章运动控制原理。介绍了本系统采用的粗插补和精插补算法及速度控制策略；第四章基于ARM9的嵌入式自动送料运动控制器进给伺服系统硬件设计。设计了运动控制器的接口电路；第五章自动送料系统运动控制器的软件设计；第六章总结第2章 自动送料运动控制系统总体设计2.1 系统设计原则基于PC结构的数控冲床自动送料系统功能强大，但成本过高，结构复杂，可靠性低，不适用于中小型的数控系统。在进行数控冲床自动送料系统的运动控制研究设计时，吸取了国内外高档数控系功能低档化应用的成功经验，适当地运用了中高档数控系统设计的思想，系统采用犯位ARM芯片作为从CPU进行控制，以研制适用于传统数控冲床的通用型自动送料运动控制系统为目标，对原有传统数控机床进行改造，节约技术改造成本。为了使设计合理，使系统最优化和获得最佳的设计效果，必须遵循一定的设计原则：(l)模块化：软硬件设计时要对系统进行模块划分，得出模块框架，这样可以使系统层次更加清晰，设计工作更有针对性，设计时可按照模块框架对系统进行设计!调试和纠错。(2)先进性：硬件设计时根据功能需求选择适用于系统的功能强大的最新芯片，这样的芯片不仅可以保证系统技术新，市场上的生命周期长，而且可以满足高精度和高可靠性的要求，大大简化电路设计，保障系统的性能和稳定性。(3)可扩展性：设计电路时要留有余地，以便将来修改和扩展的需要。硬件电路不像软件那样可以通过修改或添加某个算法就可以升级，它往往需要彻底替换和重新设计来更新换代。因此，在选择芯片时，可在满足实际需求的基础上选取较大容量的型号，留有一定的存储空间以便以后添加数据：设计电路时也要考虑到系统发展趋势，预留一些接口以便将来进行功能扩展。(4)软件功能代替硬件功能：软件一旦被调试好，其寿命、稳定性和扩展性都比硬件好得多。因此，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这样不仅节省了成本，而且提高了系统的可靠性。(5)可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。从芯片、器件选择、滤波、印刷电路板布线、输入/输出通道隔离等等各方面下功夫，最大限度地降低干扰【10】。 2.2 数控冲床系统的组成数控冲床系统主要由数控装置伺服系统和冲床本体组成，结构如图2-1所示：图2-1 32位ARM9芯片数控冲床组成框图工作过程是通过键盘把加工程序输入给数控装置，经过数据处理后把控制信息送给伺服系统，然后完成冲头和工作台之间相互协调的循环运动。2.3 冲床数控自动送料系统的总体设计数控系统是数控机床的核心，自动完成用户加工程序的输入存储处理功能、字符及图形显示、自诊断、数据运算、插补计算以及位置控制等功能【11】。其中数控机床对实时性要求较高的功能有数据运算、插补计算、位置控制。自动送料系统主要通过伺服进给系统进行运动控制来完成自动送料的加工过程【12】。本文硬件设计重点在于对伺服进给系统核心运动控制卡和与伺服电机接口电路的设计。2.3.1冲床数控系统硬件结构设计考虑到数控冲床自动送料系统功能分配的合理性和工作的协调性，系统硬件采用32位ARM9芯片结构模式来实现对伺服电动机的控制。CPU系统由犯位ARM9芯片、液晶显示器、键盘输入装置、数据存储器等构成，负责处理键盘、显示、网络通讯等非实时性工作：输入输出接口、数据存储器等构成，负责实时性运动控制工作。本文重点完成了犯位ARM9芯片设计的运动控制器设计，控制系统硬件结构如图2-2所示。图2-2 上下位机冲床数控系统硬件结构图可以与上位计算机通讯，通过上位机编制加工数据，与RAM进行指令的接受以及数据的交换工作。上下位机的结构模式可大大提高人机界面的友好性，可通过编程加工文件实现复杂图形的加工。2.3.2冲床数控系统软件结构设计根据数控冲床自动送料系统的不同设计，系统可采用以ARM9为核心的单片机控制形式，也可采用以上位机为加工数据编程的上下位机的控制形式。因此，系统的软件设计可以分别设计。以ARM9为核心的单片机控制软件包括实现人机对话、系统监控、指挥整个数控系统软件协调工作等，包括CPU系统的初始化、冲床运动状态和参数监控、用户加工程序的编辑修改等功能模块，键盘输入输出口状态的定时扫描、插补计算、工作台X向和Y向的位控输出、电机速度控制、数据处理等功能模块。系统主要通过C语言和ARM汇编相结合来实现对各功能模块的控制。以ARM9为核心的单片机控制软件冲床数控系统结构如图2-3所示：图2-3 ARM9单片机冲床数控系统软件结构图采用上、下位机控制软件模块分别如图2-4、2-5所示。图2-4 上位机软件主程序模块图2-5 下位机冲床控制软件模块本文重点完成了以ARM9为核心的单片机运动控制系统软件设计。2.3.3 ARM9芯核简介ARM是Advanced RISC Machines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，是全球领先的16/32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)微处理器知识产权设计供应商。1985年，Acorn公司负责技术的小组开发了世界上第一个商用单片RISC微处理器。1990年11月ARM公司在英国成立，全称是“Advanced RISC Machines Ltd.”由苹果电脑、Acorn Computer Group和VLSI Technology联合建立。ARM在市场上很快就因他们的“低价位”的定位和竞争对手区分开来，而其他公司的定位于“高性能”的微处理器架构则主要是高端工作站方面的应用。和Intel等生产厂商不同，ARM公司的产品并不是芯片，而主要是IP(Intel1ectualProPerty)，即一整套的设计成果，包括处理器体系结构规范、具体的电路图、布线图、分层掩膜图等，可供芯片生产厂商来生产面向特定应用的微处理器/微控制器芯片【13】，ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC CPU开发领域不断取得突破，其结构己从V3发展到V6。ARM公司设计一的芯核具有低功耗，低成本等显著优点，获得众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域已经占有70%以上的产品市场，在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位【14】。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已超过50多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已购买ARM公司的芯核用于通讯芯片设计。目前非常流行的ARM核有ARM7TDM7，ARM9，ARM9E，ARM10和Secure Core。ARM芯片还获得了许多实时操作系统RTOS(Real Time Operating System)供应商的支持，比较有名的有：Windows CE，Linux，pSOS，VxWorks，Nueleus，uC/OS等。ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。(一)时钟频率的提高ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线。增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1.8-2.2倍。(二)指令周期的改进指令周期的改进对于处理器性能的提高有很人的帮助。性能提高的幅度依赖于代码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的问题。对于采用最高级的语言，一般来说，性能的提高在30%左右。1Loads指令和Stores指令指令周期数的改进最明显的是loads指令和stores指令。从ARM7到ARM9这两条指令的执行时间减少了30%。指令周期的减少是由于ARM7和ARM9两种处理器内的两个基本的微处理结构不同所造成的。(1)ARM9有独立的指令和数据存储器接口，允许处理器同时进行取指和读写数据。这叫作改进型哈佛结构。而ARM7只有数据存储器接口，它同时用来取指令和数据访问。(2)5级流水线引入了独立的存储器和写回流水线，分别用来访问存储器和将结果写回寄存器。以上两点实现了一个周期完成loads指令和stores指令。2互锁(interlocks)技术当指令需要的数据因为以前的指令没有执行完而没有准备好就会产生管道互锁。当管道互锁发生时，硬件会停止这个指令的执行，直到数据准备好为止。虽然这种技术会增加代码执行时间，但是为初期的设计者提供了巨大的方便。编译器以及汇编程序员可以通过重新设计代码的顺序或者其他方法来减少管道互锁的数量。3分枝指令ARM9和ARM7的分枝指令周期是相同的。而且ARM9TDMI和ARM9E-S并没有对分枝指令进行预测处理。以ARM9E-S为例介绍ARM9处理器的主要结构及其特点。ARM9E-S的主要特点如下：(1)32bit定点RISC处理器，改进型ARM/Thumb代码交织，增强性乘法器设计。支持实时(real-time)调试；(2)片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调；(3)片内指令和数据高速缓冲器(cache)容量从4K字节到1M字节；(4)设置保护单元(protcction unit)，非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段和保护；(5)采用AMBA AHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线；(6)支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持；(7)支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持BIST(built-in-self-test)；(8)支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。第3章 数控技术中的插补运动控制原理3.1数控技术中常用的插补算法对于一个运动控制系统，除了能够实现被控运动对一象的精确定位之外，还必须实现控制被控运动对象以给定的速度沿着指定的路径运动，这就是轮廓控制。被控对象的运动轨迹大部分由直线和圆弧这种简单、基本的曲线构成。若实际轮廓由其它二次曲线和高次曲线组成，也可以采用一小段直线或圆弧来拟合，就可满足精度要求，当然也有需要抛物线和高次拟合的情况，这种拟合的方法就是“插补”。它是数控装置依据编程时的有限数据，按照一定方法产生直线、圆弧等基本线形，并以此为基础完成所需要轮廓轨迹的拟合工作。因此，对于轮廓控制系统来说，最重要的功能是插补。插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度，所以插补算法是整个数控系统控制的核心。目前，各种常用的插补算法大致分为脉冲增量插补和数字采样插补两类。前者主要应用在步进电机驱动的控制系统；后者主要用于交!直流伺服电机驱动系统的闭环、半闭环控制系统，也可用于以步进电机为伺服驱动的开环控制系统。目前所使用的中高端CNC系统中，大多数采用数字采样插补方法【15】。1基准脉冲插补基准脉冲插补又称为脉冲增量插补，其特点是每次插补结束向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了移动的速度，脉冲的数量代表了位移量。基准脉冲插补的实现方法较简单，容易用硬件实现。此种方法包括逐点比较法、数字积分法(DDA)等。2数据采样插补数据采样插补又称为数字增量插补。其特点是产生的不是单个脉冲，而是标准二进制字。插补运算分两步完成，第一步为粗插补，是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼进给定曲线。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此，每一微小直线段的长度和速度和插补周期有关。第二步是精插补，它是在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再做“数据点密化”工作。这一步相当于对直线的脉冲增量插补，此种方法常用的有时间分割法。3.2 粗插补时间分割法是CNC系统中较为广泛采用的一种粗插补计算方法。它是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为插补周期(单位时间间隔)。每经过一个单位时间间隔就进行一次插补计算，算出在这一间隔内各坐标轴的进给量，边计算边加工，直到加工终点。采用时间分割法时，在加工某一直线或圆弧的加工指令中必须给出加工进给速度V，先通过速度计算，将进给速度分割成单位时间间隔的插补进给量f(或称为轮廓步长)，又称为一次插补进给量。例如，设机床的进给速度F(mm/min)，插补周期T(ms)，每个插补周期的进给量为FT(um)，则FT=FT/60，按上式计算除一次插补进给量f后根据刀具运动轨迹与各坐标轴的几何关系，就可以求出各轴在一个插补周期内的插补进给量，按时间间隔以增量形式给各轴送出一个插补增量，通过驱动部分使机床完成预定轨迹的加工。时间分割法又称为数据采样插补，由上述分析可知，此类算法的核心问题是如何计算各坐标轴的增长数，有了前一插补周期末的动点位置值和本次插补周期内的坐标增长段，就很容易计算出本插补周期末的动点命令位置坐标值。对于直线插补来讲，插补所形成的轮廓步长子线段与给定的直线重合，不会造成轨迹误差。而在圆弧插补中，因要用切线或弦线来逼近圆弧，因而不可避免地会带来轮廓误差。其中切线近似具有较大的轮廓误差而不大采用，常用的是弦线逼近法。3.3 精插补精插补的任务是将粗插补得到的各轴直线进给量变换成进给脉冲序列以控制电机的运动。数字积分法又称为DDA法(Digital Differential Analyzer)，其易于用硬件逻辑电路实现积分运算，可以在FPGA模块中实现，而不占用CPU资源；脉冲分配均匀，易于实现多坐标直线插补联动或描绘平面上各种函数曲线，精度也能满足要求。3.3.1 数字积分法的基本原理根据积分的基本原理，函数X=F(t)在区间T0T1范围内的积分就是该函数曲线与横坐标T在T0T1内所围成的面积，并可近似地看成曲线下若干个矩形面积之和即：S=F(t)dt=t （3-1）取的最小单位为1时，则： S= （3-2）3.3.2 DDA直线插补器下以X、Y两轴直线插补为例，设计DDA直线插补器。其工作过程为：发一个插补迭代脉冲，将被积增量坐标寄存器中的坐标值与余数寄存器中的余数累加一次，当累加结果大于累加器容量时，便向相应的坐标轴方向发出溢出进给脉冲，并将余数存入余数寄存器中。经过n次累加后，X轴与Y轴分别或同时到达直线终点。四轴联动与以上讨论的两轴联动的精插补运算原理相同，只要同时设计四个积分器就可实现。3.4速度的控制方法在现代数控系统中，加减速控制一般采用软件实现，这样给系统带来较大的灵活性。从速度控制的时序来看，加减速控制分为如下两种： (l)前加减速控制前加减速控制是指加减速控制放在插补之前，其原理是：首先调用加减速控制模块由该模块根据加减速控制曲线及NC程序指令所给定的进给速度对加工轨迹进行加减控制，得到当前插补周期的合成进给速度，然后调用插补模块根据合成速度进行相关理，得到当前插补周期的合成进给量，最后把合成进给量分配到各轴。前加减速控制的优点是：由于仅对合成进给速度进行控制，因此，它不会影响实插补输出的位置精度。前加减速控制的缺点是：需要预测减速点，而这个减速点要根实际刀具位置与当前被加工的加工轨迹的终点之间的距离来确定，所以完成预测减速的工作量较大。(2)后加减速控制后加减速控制是指加减速控制放在插补之后，其原理是：首先调用插补模块，经模块利用NC程序指令所给定的进给速度对加工轨迹进行相关处理后，得到当前插补期的合成进给量，然后将合成进给量分配到各轴，最后各轴独立调用加减速控制模块现加减速控制。与前加减速控制不同，后加减速控制是当插补为零时，各轴通过延长一定的时间渐靠近当前被加工的加工轨迹的终点，它不需要预测减速点，因此，计算量较小。后减速的缺点是：由于它对各运动坐标轴分别进行控制，所以在加减速控制以后，实际坐标轴的合成位置可能不准确。但是，这种影响仅存在于加减速过程中，当系统进入匀速状态时，这种影响就不存在了。本数控系统的加减速控制采用加减速曲线模型为直线的前加减速控制，其原因有方面：一方面，处理器的计算能力完全可以满足前加减速控制的计算；另一方面，高精度是数控系统发展的重要趋势，而后加减速控制在加减速控制过程中，影响加工精度这样数控机床在连续加工若干个长度较小的加工段时，如果一直没有进入匀速状态，会导致加工段的精度较低。第4章 自动送料运动控制系统硬件设计4.1 S3C2440A微处理器简介目前ARM所提供的16/32位嵌入式RISC内核主要有以下几个系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore，Intel的StrongARM和Xscale等。其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成。每个系列的产品设计都尽量遵循高性能、低功耗的原则以满足用户日益复杂的应用需求。S3C2440微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器，该产品采用0.13微米制成的CMOS处理器。53C2440基于ARM公司的ARM920T处理器核，是一款高度集成的芯片，内核速度为533MHz，内核电压为1.3V，采用16/32位ARM920TRJSC核心。该处理器主要面向嵌入式设备，具有性价比高、功耗低的特点，并且在嵌入式Linux操作系统下可移植性好，具有较强的控制能力和丰富的片内资源【16】。S3C2440芯片提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得这个系统消耗最小。片上集成的功能主要包括以下几个方面【17】：1.2V内核供电，1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部FO供电，具备16KB的I-Cache和16KB的DCache/MMU微处理器。外部存储控制器(SDRAM控制和片选逻辑)、 LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)，提供1通道LCD专用DMA，4通道DMA并有外部请求引脚，3通道UA卫T(UDAI.0，64字节TxFIFO，和64字节RxFIFO)，2通道SPI，1通I2C-BUS接口(多主支持)，1通I2C-BUS音频编解码器接口，AC97解码器接口兼容SD主接口协议1.0版和MMC卡协议2.11兼容版，2端口USB主机八端口USB设备(1.1版)，4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器，8通道10比特ADC和触摸屏接口具有日历功能的RTC，相机接口(最大4096*40%像素的投入支持2048*2048像素的投入，支持缩放)，130个通用I/O口和24通道外部中断源，具有普通，慢速，空闲和掉电模式，具有PLL片上时钟发生。4.2存储器接口电路Flash存储器又称闪存,它是一种可在系统(In-System)进行电擦写,掉电后信息不丢失的存储器.它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点,并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作,因而其在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器,Flash在系统中用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。NANDFlash储存器的连接图如下图4-1所示：图4-1 NANDFlash储存器连接图与Flash存储器相比较,SDRAM存储器不具有掉电保持数据的特性,但其存取速度远远大于Flash存储器,具有随机读/写的特点,因此,SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间,数据及堆栈区。当系统启动时,CPU首先从复位地址0x处读取启动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般应调入SDRAM中运行,以提高系统的运行速度;同时系统应用程序、用户堆栈及运行数据也都放在SDRAM中【18】。SDRAM储存器的连接图如图4-2所示：图4-2 SDRAM储存器连接图由于S3C2440最小寻址单位为一字节,而AM29LV160DB选用1M16bit的存储形式,最小存储单位是2字节,所以用S3C2440的ADDR1-ADDR20与AM29LV160DB的地址总线A0-19相连,ADDR1不与NOR Flash芯片相连。BYTE是NOR Flash芯片读写方式的选择,高电平对应16bit模式,低电平对应8bit模式,本文使用的是16bit模式,直接接3.3V电源。NOR Flash的读写方式基本与内存一样,可以直接在其地址范围内进行读写,这样将启动程序拷贝到NORFlash里面,上电后便可以直接运行【19】。图4-3为NORFlash储存器的连接图：图4-3 NORFlash储存器连接图4.3通讯模块通讯模块主要实现上下位机的通讯以及程序的调试,本文主要设计了三种通讯模块,串口通讯、USB通讯以及JTAG接口。串口通讯电路图如4-1所示：4.3.1串口通讯模块几乎所有的微控制器、PC都提供串行接口,使用电子工业协会(EIA)推荐的RS-232C标准,这是一种很常用的串行数据传输总线标准。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低的特点,特别是在远程传输时,避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在进行串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同的设备可以方便地连接起来并进行通讯。RS232接口是目前最常用的一种串行通讯接口,它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端厂家共同制定的用于串行通讯的标准。串口通讯电路图如4-4所示：图4-4 串口通讯连接图RS-232C标准采用9芯或25芯接口,以9芯接口最为常见。要完成最基本的串行通信功能,实际上只需要RXD、TXD和GND即可。但RS-232C标准所定义的高低电平信号和嵌入式系统接口的LVTTL电路所定义的高低电平不同,LVTTL的逻辑“1”对应23.3V,逻辑“0”对应0V0.4V,而RS-232C标准采用负逻辑方式,逻辑“1”对应-5V-15V,逻辑“0”对应巧+5V+l5V。4.3.2 USB通讯USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。USB用一个4针插头作为标准插头,采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来,最多可以连接127个外部设备,并且不会损失带宽。USB具有传输速度快(USB1.Lshi 12Mbps,USB2.0是480Mbps,USB3.0是5Gbps),使用方便,支持热插拔,连接灵活,独立供电等优点。在本文中,主要通过USB接口将上位机的加工代码传送到下位机当中,故采用USBHost接口,S3C2440A自带2端口USB主机八端口USB设备(1.1版)。4.3.3 JTAG接口JTAG(Joini Test Action Group)是一种国际标准测试协议,主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试,JTAG技术是是一种嵌入式调试技术,它在芯片内部封装了测试电路,通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议,如ARM,DSP,FPGA等。标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串连在一起,形成一个JTAG链,能实现对各个器件分别测试。JTAG接口还常用于ISP(In-SystelnProgrammble,在线编程)功能,如对Flash器件进行编程等通过JTAG接口,可对芯片内部的所有器件进行访问,因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前JTAG接口的连接有两种标准,即14针接口和20针接口。接口电路图如图4-6所示：图4-6 JTAG接口电路4.4 LCD触摸屏模块为了操作上的方便,人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时,首先用手指或其它物体触摸触摸屏,然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质,触摸屏一般分为四种,电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。电阻式非常配合的电阻薄膜屏,这是一种多层的复合薄膜,它以一层玻璃或硬塑触摸屏是利用压力感应进行控制。四线电阻式触摸屏的特点：高解析度,高速传输反应；表面硬度处理,减少擦伤、刮伤及防化学处理；具有光面及雾面处理；一次校正,稳定性高,永不漂移【20】。4.5硬件抗干扰设计工业环境中的干扰一般是以脉冲形式进入微机系统,渠道主要有三条:(1)空间干扰(场干扰),电磁信号通过空间辐射进入系统；(2)过程通道干扰,干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入；(3)