测试计量技术及仪器硕士论文-基于ARM和DSP的数控系统研究.pdf

河北科技大学 硕士学位论文 基于ARM和DSP的数控系统研究 姓名：胡晓锋 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：王书海 20081201 摘要 摘要 机械手是自动装配生产线上必不可少的设备，它可以模拟人手臂的部分动作，按 预定的程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配等工作。在减轻人的劳动强度和 提高装配质量和在恶劣环境下作业等方面，起到了积极的作用。嵌入式系统是近年 来发展起来的以应用为中心并且软硬件可裁剪的实时系统，它的特点是高度自动化， 响应速度快等，非常适合于要求实时的和多任务的场合。 本文分析了机械手控制系统的功能要求，研究设计了一种基于A R M 和D S P 的 机械手数控系统的方案。嵌入式A R M 处理器，具有运行速度快、功耗低、程序设计 灵活、外围硬件资源丰富等优点，但其很难在处理大数据量、复杂算法时保证系统 的灵活性和实时性。D S P 作为数字信号处理的核心器件，能够实时快速的完成控制 算法运算，由于D S P 普通输入输出口的高低电平变化周期最快只能到1 微秒左右， 不适合高速输入输出；F P G A 芯片高速输入输出数据，时间可缩短至几十纳秒。另外 利用F P G A 可以方便的实现各种接口的逻辑时序，丰富的接口使得该系统能够方便 的进行移植，扩展了该系统的应用领域，从而提升了其性价比，通过A R M 处理器和 D S P 以及F P G A 技术的有机结合，发挥各自的优势，使系统具有程序设计灵活、以 太网通信、大容量存储、高速数据输出、可移植等特点，既满足高速机械手自动控 制的要求，同时又具有一定的通用性。 通过本课题实践表明，基于A R M 和D S P 构建嵌入式数控系统的应用方案全可 行、合理，同传统的人机交互系统设计相比，能大量地减轻研发任务，提高发速度， 能够在短时间内得到控制性能优秀的数控系统。 关键词A R M ；D S P ；F P G A ；数控；嵌入式 河北科技大学：学硕士学位论文 目：= = _ l _ _ _ 目： = = = = ：= = _ j；：= 目l I ：目_ _ _ = = = = = = = = = = = = _ _ _ l _ _ l - = = = = j = j | _ E _ - - _ _ A bs t r a c t M a n i p u l a t o r sa u t o m a t i c a l l yi Se s s e n t i a lf o rt h ea s s e m b l yl i n ee q u i p m e n t ，w h i c hc a l l s i m u l a t et h eh u m a na i mp a r to ft h ea c t i o n ，a c c o r d i n gt Ot h ep r o c e d u r e sa n dr e q u i r e m e n t s o ft h et r a c kt oa c h i e v ec r a w l i n g ，h a n d l i n ga n da s s e m b l yw o r k I nr e d u c i n gh u m a nl a b o r i n t e n s i t ya n di m p r o v et h eq u a l i t yo fa s s e m b l ya n di nb a dw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dS Oo n ， h a sp l a y e dap o s i t i v er o l e I nr e c e n ty e a r s ，e m b e d d e ds y s t e m sa r ed e v e l o p e dS Oa s t o a p p l i c a t i o n c e n t r i cs o f t w a r ea n dh a r d w a r ec a nb ec u ta n dr e a l - t i m es y s t e m s ，i tf e a t u r e sa h i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，f a s tr e s p o n s e ，a n dS Oo n ，a r ev e r ys u i t a b l ef o r t h er e q u i r e m e n t s o fr e a l t i m em u l t i t a s ka n dt h et i m et od oS O W i t ht h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fm o d e mc o n t r o lt h e o r ya p p l i c a t i o n si nm e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i c a lc o n t r o l l i n g ，e x c e s s i v ee l e c t r o m o t o rc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nm e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i c a l c o n t r o l l i n g T h e t r a d i t i o n a ls e r v om e c h a n i s mc a n n o tr e a l i z e sf l e x i b l ea n dr e a l - t i m ei nt h ec i r c u m s t a n c eo f g r e a td a t aa n dc o m p l e xa r i t h m e t i c R e c e n ty e a r s ，e m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nA R Ma n dD S Pi Ss t u d i e d F i r s t l y , f o rh a r d w a r e ，t h eF P G Ad e v i c e ，t h em e m o r y a n dp e f i p h e r Me q u i p m e n t sa r ec h o s e na n dd e s i g n e d ，u s i n gP r o t e l9 9 ，Q u a r t u sI Ia n do t h e r e x p l o i t a t i o nt o o l st oc o m p l e t ede m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m f o rs o f t w a r e ，u s i n g s m a l l p r a c t i c a le m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m # C O S - I I t o s u p p l y r e a l - t i m e c h a r a c t e r i s t i c t h ee m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e r e a l t i m ea n df a s tp r o c e s s i n gf o rt h eu s e r ，S Oh a sw i d e ra p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d T h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nA R M a n dD S P C a ni sp r a c t i c a la n di nr e a s o n C o m p a r e dw i t h t h ed e s i g ns c h e m eo ft r a d i t o n g a l h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c es y s t e m ，t h et e c h n o l o g yc a nr e d u c er e s e a r c h t a s k ，i n c r e a s e r e s e a r c hs p e e d ，S OC a ng a i nan u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a se x c e l l e n tc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c t h ea d d i n go fr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 比C O S I I ，c a ng e tt h es y s t e m c o m p l e t ee x c e s s i v et a s kw e l l ，a l s oc a na s s u r et h ec h a r a c t e r i s t i co f r e a l t i m e K e y w o r d s A R M ：D S P ； F P G A ：D i g i t a lC o n t r o l ：e m b e d d e ds y s t e m I I 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瑚 沙D8 年，2 月参日 哟锈 指导教师签名： 茜坞、嘞 沙口寥年，月当日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 酥保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 专e 吃坞 指导教师签名：谚哆渤 z 睁。8 年，县当日沙。各年，z 月8 日o U 一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 机械手技术是新技术革命中迅速发展起来的一项技术，其发展很快，在技术性 能上趋于成熟和完善，它不断吸取现代技术精华，改进和提高产品水平，现在多为 P L C 和微型计算机控制，直流伺服电动机和步进电动机驱动的小型机械手。机械手现 在广泛应用于各个行业，除工业外，还涉及军事、运输、农业、医院及教学等领域。 机械手在交通管理中代人指挥，在医院代医护人员监护，帮助盲人引路，帮助残疾 人料理生活，在海下、地下等条件恶劣、危险的环境中代人工作。它将使我们生活 更舒适，帮助我们从非脑力的劳动中解放出来，使人类的独特能力得以充分发挥。 随着机械手应用范围的不断扩大，其技术性能也在不断提高。未来机械手的一个最 大特点是它的智能化。现在所进行的一项重要工作就是在机械手的相关部位安装各 种传感器，进行有感觉的信息反馈，使机械手具有以下功能： 1 、能准确的抓取方位在变化的物体( 如工件) ： 2 、能自动避开障碍物： 3 、能根据不同物体( 工件) 自动决定夹紧力的大小； 4 、能判断被抓取物体( 工件) 的重量等等。 目前所用的工业机械手还有不少技术问题需要解决，要进一步提高机械手的运 动速度、可靠性和稳定性。机械手技术的研究发展可归纳以下几方面： 1 、研究新型的、适用的视觉、触觉等传感器及识别系统； 2 、研究人与机器人相互联系的功能装置，即人机对话； 3 、研究更灵活的手臂及抓手： 4 、提高机械手的控制性能： 5 、实现部件的小型化： 6 、使机械手结构组合化、标准化： 7 、提高可靠性和安全性： 8 、发展以机械手为中心的自动化生产线。 除了工业机械手外，目前各国还在研究各种专用机械手。如深海开发机械手 要耐高压、耐海水腐蚀、抗海浪能力；宇宙空间机械手应能在失重、真空、酷寒及强 烈射线等条件下工作；用于人们日常生活的机械手，要具有小型化、智能化等特点。 1 2 相关领域技术研究现状及发展趋势 数控技术是集机、电、仪、液技术于一体的高新技术，是用数字信息对机械运 1 河北科技大学硕十学位论文 动和工作过程进行控制的技术，其技术范围覆盖多种领域，如：机械制造技术，信 息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器技术，软件技术 等。 数控技术是当今先进制造技术的核心技术，是发展新兴高新技术产业和尖端工 业( 如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业) 的使 能技术。数控技术水平在一定程度上决定着整个国民经济水平和现代化程度；当今 世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态市场的适 应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国 家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精 尖”数控关键技术方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为 核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地 位的重要途径。因此，作为世界制造业大国的中国，需要大力发展数控技术【2 7 】 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；适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 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等四 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1 3 训。嵌入式系统一般 指非P C 系统，包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、存储器及外设器件和I 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( uC O S I I ) 和应用程序。嵌入式 系统与通用计算机系统相比有五个明显的特征：专用性、可封装性、外来性、实时 性、可靠性。专用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务；可封装性 是指嵌入式系统隐藏于目标系统内部而不被操作者察觉，实质上是面向对象封装以 实现信息隐蔽思想的体现；外来性体现在嵌入式系统在系统中自成一个子系统，与 目标系统的其它子系统保持一定的独立性；实时性是指与实际事件的发生频率相比， 嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或用户的干预作出响应；可靠性是指 嵌入式系统隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制，因此一旦工作就要求它 能可靠运行。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计， 量体裁衣，力争在同样的硅片面积上实现更好的性能，这样才具有竞争力。嵌入式 处理器要根据用户的具体要求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能。 随着计算机技术和电子技术等技术的发展，数控技术在企业的大量应用，使制 造技术正朝着数字化的方向迈进。随着计算机和电子技术的发展，嵌入式系统逐渐 在制造、消费电子中有了用武之地。在许多焊接厂如汽车装配厂，要采用高可靠性 机器人进行自动化作业，嵌入式系统可用于机器人的关节控制。德国百格拉公司十 多年来出厂的各种专用机器人及生产线全部在正常工作，深受B O S C H 、奔驰、通用 和西门子公司等各行业用户的厚爱。 2 第1 章绪论 本课题所研究的数控对象是工业控制机械手。机械手通常是自动生产线上必不 可少的设备。它模拟人手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹和要求，实现抓取、 搬运和装配工作。在减轻人的劳动强度、提高装配质量和装配效率方面，特别是在 有毒、易燃等恶劣条件下所起的作用是显而易见的。 现在的机械手控制系统一般主要采用以下三种方式：一是继电器控制系统；二 是P L C 控制系统；三是微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、控制方式不 够灵活及功率消耗大等缺点，目前已逐渐被人们所淘汰；微机控制系统虽然在智能 控制方面有较强大的功能，但也存在着诸如抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维 修人员难以掌握其维修技术等缺点：而P L C 控制系统由于运行可靠、使用维修方便、 抗干扰性强等优点，成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。 嵌入式系统的出现，为机械手控制功能的实现提供了另一种解决方案，尤其在 类似元器件焊接等要求速度、精度较高的领域。与P L C 控制方式相比，嵌入式系统 开发较为灵活、成本较低、反应速度快、精确度高、功能可扩展性强、界面友好丌 发较为容易，尤其是图形显示、实时打印、网络功能等优点突出。 1 3 本文研究的主要工作 近几年来，国内嵌入式系统技术在各行业得到迅速发展，然而，在数控领域却 发展较为迟缓。本文研究设计了一种基于A R M 和D S P 的数控系统方案，并设计和 验证了该方案。本文主要做了以下工作： ( 1 ) 提出了系统的总体设计方案，对嵌入式数控系统进行了功能需求分析及总体 方案设计，并对移植到A R M 上的操作系统的选择进行了分析。 ( 2 ) 对A R M 和D S P 外围电路进行合理选择与设计；完成了一个高性能嵌入式硬件 系统平台的设计。对嵌入式实时操作系统uC O S I I 的移植原理进行了分析，详述了 uC O S I I 实时操作系统在基于S 3 C 2 4 1 0 B O X 的嵌入式硬件平台上的移植过程。 ( 3 ) 对P I D 算法进行了研究，并设计了D S P 的P I D 算法程序。 ( 4 ) 用V H D L 语言实现了F P G A 的逻辑控制功能。主要实现功厶匕f i e - , ：采集机械手 手上的传感器信号，判断机械手的状态、位置，由此控制机械手进行相应的动作，设 计了步进电机定位控制器，实现了对步进电机的转速、转向以及定向转动角度的控 制 ( 5 ) 基于F P G A 设计了R S 2 3 2 和R S 4 8 5 接口程序，使该系统能跟多种数字设备 的兼容。 1 4 论文内容的安排 本文的内容具体安排如下： 第一章主要介绍课题的研究背景与意义，课题的国内外研究现状及本文研究的 3 河北科技大学硕十学位论文 主要工作及内容安排； 第二章主要对机械手控制系统的总体方案进行了设计； 第三章主要介绍了A R M 和D S P 硬件系统的设计与实现； 第四章介绍了系统软件的设计，包括操作系统移植，P I D 算法程序设计等； 第五章介绍了机械手控制功能的实现 第六章介绍了利用F P G A 对系统进行扩展和优化； 第七章介绍了系统调试方法和P C B 的布局布线的注意事项等 最后对全文所作的工作做出总结。 4 第2 章系统架构及总体设计 第2 章系统架构及总体设计 2 1 嵌入式数控系统总体设计 嵌入式数控系统的总体框图如图2 1 所示，由嵌入式控制器、信号调理电路、执 行电路等构成。嵌入式控制器对机械手和工件台的状态、位置信号进行采集，做出 判断并发出相应的指令，协调机械手动作及控制工作台运动，命令机械手进行下一 个相应动作A * 缩臂、升降臂、摆臂、夹紧、放松、机械手的旋转。 显示 0 采集l o 路机械手状态信号I 嵌信 l 采集_ 件定位信息 入 号 式 调 控理 制电 控制5 路气缸 器路 I 键盘 控制步进电机 图2 1 嵌入式数控系统总体框图 F i g 2 - 1g e n e r a ld i a g r a mo fe m b e d d e ds y s t e m s 2 2 硬件平台分析与设计 嵌入式数控系统硬件平台如下图2 2 所示： 伺 F 仁 A R M 子系统D S P 子系统 F P G A 子系 服 斗- - - - 斗电 卜一 - 一统 卜_ 一机 l 幽2 - 2 硬件平台框图 F i g 2 - 2H a r d w a r ep l a t f o r md i a g r a m 所设计的数控系统是以A R M + D S P 为控制核心来构成的。硬件部分包括电源模 块、A R M 子系统模块、D S P 子系统、F P G A 子系统模块。电源模块则为其他子系统 提供电源；A R M 子系统负责运行数控的控制软件；D S P 完成控制算法的运算实现P I D 控制等，F P G A 负责实现对伺服电机的转速，转向，定向转角的控制。并且利用F P G A 实现各种接口，扩展了该系统的应用范围，由于采用了l aC O S I I 实时多任务系统， 逻辑处理任务的优先级很高，所以能够满足数控系统的实时性需要。 5 河北科技大学硕士学位论文 2 2 1 系统功能需求分析及器件选型 。圆l i 伊 图2 - 3 机械手示意图 F i g2 - 3 S e h e m t l e m a b u l a 哪 本课题设计时要解决的问题有： ( 1 1 机械手完成的动作：仲，缩臂、升降臂、摆臂、夹紧、放松、机械手的旋转。 ( 采集信号： 1 0 个位置开关：判断机械手的位置： 1 0 个指示灯：指示机械手的位置； 2 个反射光电开关：对工件定位；判断工位上是否有工件。 ( 3 ) 控制信号： 2 个步进电机：带动工件托盘，定位工件位置； 5 个电磁阀：控制机械手的位置。 ( 4 ) 键盘用来输入信号，控制机械手的起停；L C D 实时的显示机械手状态。 ( 5 ) 数据的存储和转存功能。将机械手的运行状卷数据传给P c 机，便于分析和 监控机械手工作。 ( 6 ) 实现嵌入式操作系统的支持，便于后续功能的开发。 嵌入式系统是继l T 网络技术之后，又一个新兴的技术发展方向。由于嵌入式系 统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前己 经广泛地应用于工业控制、交通管理、网络通信、信息家电等各个领域。比如随处 可见的手机，电子游戏机、数字电视等，在这些随处可见的设备中都能见至6 嵌入式 系统的身影。此外，嵌入式系统在医疗设各、工业自动化生产线、飞行控制系统等 领域扮演着更为重要的角色。嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，以应用 为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，特别适合于要求实时和多任务 的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器及外围电路、嵌入式操作系统及应用软件 6 鱼 晶 函 第2 章系统架构及总体设计 系统等组成，是系统的硬件与系统的应用软件一体化的专用计算机系统。 嵌入式系统分为硬件和软件两大部分。硬件上需要有：处理器及其外围电路、存 储器、L C D 、触摸屏及其他接口。为了让应用程序、图形用户接口等功能模块有机 的联系在一起，就需要嵌入式操作系统来实现软硬件有机结合。由于嵌入式操作系 统的应用对象大不相同，因此嵌入式操作系统必须具有良好的可移植性。通过硬件 抽象层对硬件平台合理的描述，可使操作系统内核基本和具体的硬件无关，从而容 易地实现不同平台间的移植。 A R M 是一种高性能、低功耗的微处理器。A R M 处理器的3 大特点如下：体积小、 功耗低、成本低、性能高；1 6 位3 2 位双指令集：全球众多用户支持。A R M 处理器本身 是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集，以允许软件编码为更短的1 6 位指令。与等价 的3 2 位代码相比，占用的储存器空间节省高达3 5 ，然而保留了3 2 位系统所有的 优势。T h u m b 状态与正常的A R M 状态之间的切换是零开销的。A R M 的J a z e l l 技术 提供了J a v a 加速，可得到比基于软件的J a v a 虚拟机0 V M ) 高得多的性能。在C P U 功 能上，D S P 指令集的扩充提供了增强的1 6 位和3 2 位算术运算能力，提高了性能和 灵活性【】。采用A R M 开发嵌入式数控系统可以降低硬件成本、提高系统集成度、增 强稳定性，它相对于P C 平台具有更多的优势。因此，采用A R M 为硬件平台来开发 嵌入式数控系统是一个不错的选择。 g C O S 。I I 是一个可移植、源码公开、可抢占的R T O S ，基于抢占式的实时多任务 内核，可剪裁、具有高稳定性和可靠性的嵌入式实时操作系统，包括了一个操作系 统最基本的一些特性，如任务通信、任务调度、中断管理、内存管理等，而且它是 一个代码完全开放的实时操作系统，具有简单明了的结构和严谨的代码风格，可以 让我们以最快的速度来了解操作系统的概念、结构和模块工作原理，并由浅入深逐 步推广到应用操作系统上。自1 9 9 2 年以来，全世界成千上万的开发者己经成功地将 , u C O S 。I I 应用于各种系统。 D S P ，即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的， 具有特殊的微处理器，其处理速度已高达2 0 0 0 M I P S ，比最快的C P U 还快1 0 5 0 倍。 目前，在微电子技术发展的带动下，D S P 芯片的发展日新月异，D S P 的功能日益强 大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。在当今的数字化时代背景下，D S P 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的 旗手。同时D S P 己成为集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代 的决定因素。在国外，D S P 芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域；在 我国D S P 技术也正以极快的速度被应用在通信、电子系统、信号处理系统、自动控 制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域中，而且新的 应用领域在不断被发掘。因此基于D S P 技术的开发应用正成为数字时代的应用技术 7 河北科技火! 学硕十! 学位论文 潮流。 F P G A ( F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y ) 即现场可编程门阵列，是在P A L 、G A L 、 E P L D 等可编程器件的基础上进一步发展。F P G A 提出了逻辑单元阵列L C A 的概念， 内部包括可配置逻辑模块C L B 、输出输入模块l O B 和内部连线三个部分。同以往 P A L 、G A L 等进行比较，F P G A 是A S I C 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险 最小的4 器件之一。F P G A 通过片内R A M 中存储的程序来设置其工作状态的，工作 时只需对片内的R A M 进行编程就可得到所需的电路功能。通电时，F P G A 芯片将 E P R O M 中的数据读入片内编程R A M 中，完成配置后F P G A 就进入工作状态。掉电 后，F P G A 中的数据全部丢失，能够重复使用。当需要修改F P G A 功能时，只需换一 片E P R O M 即可。这样，同一片F P G A ，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。 因此，F P G A 的使用非常灵活。利用F P G A 可以实现I O 处理，计数、脉冲发生、逻 辑运算等功能，可以大大简化嵌入式系统的设计。F P G A 最大的优点在于它的内部逻 辑的在线可重构性。 2 2 2 系统总体方案设计 嵌入式数控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， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它取代了传统的由指示灯、按钮等组成的控制面板，提供一个友好的人机交互界面。 用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。般来说，它集成了液晶显示屏、 数据存储单元、触摸面板、控制单元等，具备操作控制、数据存储、状态监控、网 络通讯等功能。具体的功能模块需求如下：嵌入式处理器、存储器、J T A G 调试接口、 显示部分、通讯接口。本系统设计的嵌入式数控系统由硬件部分和软件部分组成， 根据系统功能需求分析，硬件部分必须首先满足系统软件和应用程序运行时的资源 要求，另外还必须提供合适的通讯接口来方便程序下载及通讯。软件部分分为操作 系统和应用软件两个部分。现在的嵌入式操作系统都要根据系统需要经过适当的裁 剪和移植。系统总体方案框图如下图2 3 所示： 图2 3 系统总体方案框图 F i g 2 - 3S y s t e md i a g r a mo ft h eo v e r a l lp l a n 8 第2 章系统架构及总体设计 2 2 3 硬件的选择 嵌入式硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样 的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需要、成本、丌发的难易程度 等因素。从功能实现和灵活等方面，基于A R M + D S P 的嵌入式系统是最适合本设计 需要的嵌入式系统方案，可以充分结合A R M 控制灵活和D S P 运算能力强等以及 F P G A 可编程逻辑灵活的优点，达到实时性和灵活性的要求。在本方案中，选择的是 韩国三星公司生产的S a m s u n g S 3 C 2 4 1 0 B O X 微处理器、1 1 公司的T M S 3 2 0 C L F 2 4 0 7 和x i l i n x 的X C 3 S 2 0 0 。 2 2 4 实时操作系统的选择 嵌入式多任务操作系统是较好实现实时数控系统开发平台的一条捷径。操作系 统与模块化硬件设计结合起来，构成了一个可以重复利用的软硬件一体化系统平台， 不仅可以提高开发的效率、节约有限的资源，还可以充分利用嵌入式系统的灵活性， 通过进一步的改进，不断使嵌入式应用平台的软硬件资源得到优化，提高性能并满 足未来的应用需求。当今大多数的商用嵌入式操作系统出于商业利益的考虑，收取 昂贵的版权费，此外也不会提供操作系统所有的的源代码。这样，就会使利用商用 嵌入式操作系统开发的产品生产成本偏高，影响市场竞争力，同时对于将来产品的 升级换代带来不少麻烦。随着现代计算机技术的发展，源代码开放的进行，出现了 一些源代码公开的优秀的操作系统产品，如基于L i n u x 的实时嵌入式操作系统，著 名的# C O S I I 等。其中，g C O S U 的特点主要有： 可固化，比C O S I I 是为嵌入式应用而设计的。只要具备合适的系列软件工具，就 可以将# C O S I I 嵌入到产品中作为产品的一部分；可裁剪：可以只使用C O S I I 中应 用程序需要的系统服务。也就是说，某产品可以只使用很少几个g C O S I I 调用，而 另一个产品则可能使用了几乎所有C O S I I 的功能，这样可减少产品中肛C O S I I 所 需的存储器空间； 可剥夺性：【z C O S I I 是完全可剥夺型的实时内核，即声t C O S I I 总是运行就绪条件 下优先级最高的任务；多任务：肛C O S I I 可以管理6 4 任务；保留8 个给I z C O S I I 。留给 用户的应用程序最多有5 6 个任务。另外，赋予每个任务的优先级必须是不同的，这 意味着g C O S I I 不支持时间片轮转调度法； 可确定性：绝大多数C O S I I 函数调用和服务的执行时间具有可确定性。用户总 是能知道C O S U 的函数调用与服务执行了多长时间，除了函数O S T i m e T I C k 0 和某 些事件标志服务，C O S I I 系统服务的执行时间不依赖于用户应用程序数目的多少； 任务栈：每个任务都有自己单独的栈。C O S I I 允许每个任务有不同的栈空间，以便 压低应用程序对R A M 的需求。为了表明t C O S I I 具有足够地安全性与稳定性，能 9 河北科技人学硕十学位论文 用于与人性命攸关的系统，p C O S I I 的每一种功能、每一个函数及每一行代码都经 过了考验与测试；源代码开放：开放的源码不仅给一般的学习者提供了学习的机会，这 些成熟的产品也给许多人在此基础上开发自己的产品提供了更多方便。 综上， t C O S I I 是一个小巧的实时操作系统，包含了操作系统最基本的特性， 如任务调度、内存管理、中断管理等，并且代码完全开放，简单明了，非常适合初 涉嵌入式操作系统的人士学习和应用，它可以让我们在较短的时间内了解操作系统 的概念、结构和模块工作原理，并由浅入深逐步推广应用。 2 3 本章小结 本章对嵌入式数控系统的总体方案进行了需求分析，作出了总体设计框图。对 系统基于A R M + D S P 的硬件平台及实时操作系统的选择进行了详细说明，详述了嵌 入式实时操作系统斗C O S I I 的特点。 1 0 第3 章系统硬件电路的设计 第3 章系统硬件电路的设计 3 1A R M 主控电路的设计 s a m s u n g S C 2 4 1 0 8 0 X 微处理器是三星公司专为手提设备和一般应用提供的高性 价比和高性能的微控制器解决方案，使用了A R M 9 T D M I 核，工作频率为1 2 0 M H z 。 该芯片中集成了8 K B C a c h e 、外部存储控制器、L C D 控制器、4 个D M A 、2 个U A R T 、 内部定时器、8 个外部中断源、实时时钟、8 通道1 2 位的A D C 等资源。最主要的优 点是采用了A R M 公司的1 6 3 2 位A R M 9 T D M l ，D M I R I S C 结构，扩充了T h u m b 协 处理器、片上I C E 中断调试支持和3 2 位硬件乘法器。A R M 9 微处理器系列具有如下 特点：A R M 9 微处理器系列采用A R M V 4 T 结构，五级流水线，指令与数据分离，指 令执行效率更高，支持3 2 位A R M 指令集和1 6 位T h u m b 指令集，支持3 2 位的高速 A M B A 总线接口，M P U 支持实时操作系统，具有嵌入式I C E R T 逻辑，调试开发方 便；功耗极低，适合对功耗要求较高的应用；能够提供0 9 M I P S M H z 的三级流水线结 构；代码密度高并兼容1 6 位的T h u m b 指令集；对嵌入式操作系统的支持广泛；指令系统 与高版本系列兼容，便于用户升级换代需要：主频最高可达1 3 0 M I P S ，能胜任绝大多 数的嵌入式系统应用需要。全性能M M U ，支持W i n d o w s C E 、L i n u x 、P a l m o s 等多种 主流嵌入式操作系统。 S 3 C 2 4 1 0 B O X 的工作特性有：存储管理，支持掉电时D R A M S D R A M 的自刷新模 式；支持均匀非均匀的D R A M 地址。C a c h e 存储器和内部S 删；一体化的8 k 字节 C a c h e ；未用的C a c h e 空间用来作为0 4 8 k 字节的S R A M 存储空间；时钟及电源管理， 片上P L L 使M C U 工作时钟最大达到7 5 M H z ；可以通过软件设置各功能模块的输入时 钟；支持外部时钟源；超低功耗；R T C ( 实时时钟) ，3 2 7 6 8 k H z 时钟；定时警报，可用于唤 醒C P U ；可产生时钟节拍中断；通用I O 口；8 个外部中断口；7 1 个多功能输入输出口； 看门狗定时器，1 6 位的看门狗定时器；定时器溢出时发出中断请求或系统复位；- r 作宅 压范围为内核2 5 V ，I O 口电压为3 0 V 到3 6 V 。 3 1 1 电源电路 电子设备电源部分是整个系统的基础，这部分的稳定工作对整个A R M 主控电路 的稳定工作起着至关重要的作用，本设计采用5 V 稳压电源供电，而S 3 C 2 4 1 0 B O X 器 件的I O 引脚工作电压( v c c ) 为3 3 V ，且S 3 C 2 4 1 0 B O X 器件核心的供电电压 ( V D D C P U ) 为2 5 V ，因此需要经过两次D C D C 变压，即5 V - 3 3 V - 2 5 V 。分别采用 L M l l l 7 3 3 和L M l l l 7 2 5 进行电压转换。为了提高电源质量，减少噪声干扰，电源 系统将包括输入滤波和电压转换两部分，电源及滤波电路见图3 - 1 和图3 2 。1 1 1 河北科技人学硕十学何论文 3 I N0 U T 2 J 1l， o Z ：d S 1 一 【，1 o ；：一G N D3 、 = 亘G N D l 一1 1 。 C 3 _ - - C 1 = c 2= 1 0 0 I l F1 0 F 1 0 0 I l 】 ? l 1 R 1 j 1 K 门V 仁：二 V D D 3 315 V D D ： 3 l NO U r E N 4 I 2 I R 3 I G N DA D J 、 瀑b M l C 5 2 0 7 B M 5 - 一 、 = C 6 1 0 n R 2 - c 5 4 l 0 l F 旷 Il l k = C 4 Y 1 0 n F 卜 图3 - 1S 3 C 2 4 1 0 B O X 电源电路图 F i g 3 1p o w e rc i r c u i to fS 3 C 2 4 1 0 B O X V C C Z 图3 - 2 电源滤波电路 F i g 3 - 2P o w e rf i l t e rc i r c u i t 1 2 第3 章系统硬件电路的设计 3 1 2 时钟晶振电路 时钟晶振电路用于为系统提供工作时钟信号，使其工作在指定的频率下。采用 1 0 M H z 无源晶振。 图3 3S 3 C 2 4 1 0 B O X 的时钟晶振电路图 F i g 3 3c l o c kc r y s t a lc i r c u i to f $ 3 C 2 4 i0 B O X 3 1 3 存储器 存储器分为系统内存S D R A M 和非线性F L A S H 。其中，S D R A M 是用来作为程 序的运行空间及数据等，F L A S H 是用来存放程序代码和掉电后需要保存的用户数据， R a s h 的读操作比S R A M 慢，写操作速度相对于S R A M 而言更慢。采用H y n i x 公司 生产的H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 作为S D R A M ，A M 2 9 L V l 6 0 D B 作为F L A S H 。S D R A M 控制器 用来产生控制S D R A M 的各种时序，完成S D R A M 的读、写和刷新，同时控制存储 缓冲器的读写操作，S D R A M 的工作模式对时序要求严格，只有上电逻辑和模式设置 正确才能进入相应的工作模式。S D R A M 的所有电源引脚必须同时加电，并且所有输 入和电源引脚上电电压不得低于标称值0 3 V 。S D R A M 采用地址线A 1 2 一A 0 复用，在 任意读写操作前都必须先发送B A N K 激活命令，B A N K 激活命令激活相应B A N K 并 锁存行地址。S D R A M 的存储单元相当于一个电容，必须有定时的刷新周期以避免数 据丢失。 H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 为4 x 1 6 M 容量的S D R A M ，常用封装为T S O P 5 4 。S 3 C 2 4 1 0 B O X 的A D D R 2 A D D R l 4 与H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 的A 0 A 1 2 相连接，$ 3 C 2 4 1 0 B O X 的A D D R 2 1 和A D D R 2 2 分别与H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 的B A 0 ，B A l 相连接。A M 2 9 L V l 6 0 D B 采用了1 6 位数据总线，容量为1 M x l 6 b i t ，常用封装为T S O P 4 8 。S 3 C 2 4 1 0 B O X 的 A D D R l A D D R 2 0 与H Y 2 9 L V l 6 0 的A 0 A 1 9 相接。 1 3 河北科技大学硕十学位论文 A D D R 3 A D D R 4 A D D R 5 D R 6 A D D R 7 A D D R 8 A D D R 9 A D D R l O A D D R l l A D D R l 2 A D D R l 3 A D D R l 4 A D D R 2 4 D R 2 5 n W B E O n W B E l S C K E S C L K n S C S ( ) n S R A S n S C A S D A T A l D A l A 2 D t K I A 3 D 觚A 4 D A l A 5 D 芦：t A 6 D A ：r A l D A T A 8 D A T D A T A l D A T A l D A T A l D A T D A T A l 图3 4S 3 C 2 4 1 0 B O X 的S D R A M 连接图 F i g 3 4t h ec o n n e c t i o no fS D R A Mo f S 3 C 2 4 1 0 B O X U 4 A D D R l2 5 A 0D a o 2 9D A T A O p J ) D R 22 4 A JD 0 1 3 1D A T A l A D D R 32 3 A 2 D 0 2 3 3D A T A 2 户J ) D R 4 2 2 A 3