（机械电子工程专业论文）基于arm的嵌入式车床数控系统研究与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 传统的中、低档数控车床在结构上往往采用 8/16 位单片机加精插补器，以获得较高的性价 比。随着嵌入式系统的迅速发展，高性能的 32 位 cpu 已经普及，以 arm 为代表的 32 位微处 理器速度快、功能强、价格低，完全可以开发出具有更高性价比的嵌入式数控系统。本文旨在 研究和设计一种基于 arm7 的嵌入式数控车床控制系统。 本文首先通过对嵌入式技术和数控技术的全面分析，选择确定了车床嵌入式数控系统的软 硬件平台。硬件平台以 arm7 系列微处理器 lpc2220 为核心，基于可编程逻辑器件 cpld 实 现精插补器，并配以必要的外围电路。软件平台以源代码公开的c/os-实时操作系统为基 础，开发系统所需的驱动程序和应用软件。 规划设计了基于c/os-的车床数控系统控制任务划分以及各任务模块间的通讯协调机 制。控制任务划分为 7 个：主控、液晶显示、文件系统服务、数控程序解释、速度处理、插补 和逻辑控制；利用c/os-提供的邮箱、信号量等服务机制，有效实现了任务与任务、任务 与中断之间的通信与同步。 此外，本文还研究了系统程序解释的实现方法。首先，基于有限状态机（dfa）的分析策 略构造了数控程序解释的词法分析器，把程序的字符流转换为内部标记流，然后对程序进行语 法和语义分析，最后翻译成速度处理和逻辑控制所需要的数据结构。重点分析了子程序调用和 返回的机制及其实现方法。 最后，介绍了系统的软硬件开发工具和调试方法。软硬件测试表明，该嵌入式车床数控系 统可满足预期目标。 关键词：关键词：嵌入式车床数控系统，arm，cpld，c/os-，程序解释 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 ii abstract to gain high cost perfermence, traditional cnc for lathes usually adopts 8-bit or 16-bit mcu and fine interpolator. with the development of the embedded system, high perfermence 32-bit cpu has been popularization. arm as a typical product of 32 bits processors, being of high speed in computation and function and low costs, can be completely used to develop embedded cnc with higher cost perfermence. in this papar an embended cnc for lathes based on arm is designed and developed. based on general analysis of embedded systems and nc technology, the hardware and software platform of embedded cnc for lathes are chosed. a 32-bit cpu lpc2220 is used as the kernel of hardware, together with a fine interpolatorimplemented with a cpld, and some other necessary peripheral modules. the software of the embedded cnc is based on c/osii, a real-time embedded operating system with open source code. some equipment driver and application program are included in the software. for the development of the embedded cnc for lathes based on c/osii, control tasks in the system are firstly planed and the communication coordination mechanism among each task is then designed. seven tasks is involved in the cnc: main control, lcd display, file service, nc program interpretation, acc/dec control, interpolation and plc. upon the service of mailbox and semaphore provided by c/osii, the communication and synchronization can be efficiently realized among tasks or between task and isr. in addition, the implementation method of the interpretation of nc program for lathes is investigated. first, a lexical analyzer of nc program is constructed by finite state automaton (dfa) which can transform character streams to inner token streams. then, syntax and semantic analysis are used for the nc program. finally, the error-free machining information is stored in a specifical datas tructure which can be received and used by both the task of acc/dec control and plc. the mechanism and implementation of call and return for subroutines are analyzed and given. finally, the instruments of debugging and development for hardware and software are introduced. by testing, the embedded cnc for lathes can meet the expected design demands. key words: embedded cnc for lathes, arm, cpld, c/osii, program interpretation 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图表目录 图 2.1 数控系统总体结构模型.7 图 2.2 嵌入式数控硬件结构图.8 图 2.3 嵌入式数控软件结构图.9 图 3.1 lpc2220 功能框图.13 图 3.2 5v 转 3.3v 电路.14 图 3.3 3.3v 转 1.8v 电路.15 图 3.4 30m 有源晶振时钟电路.15 图 3.5 11.0592m 的无源晶振时钟电路.15 图 3.6 sp708-s 的复位电路.16 图 3.7 外部 ram 扩展电路 .17 图 3.9 zlg7290 键盘电路.18 图 3.10 液晶模块接口电路.19 图 3.11 串口通信电路.21 图 4.1 任务结构 .24 图 4.2 任务间的状态转换.24 图 4.3 任务、中断服务子程序和信号量之间的关系.26 图 4.4 任务、中断服务子程序和邮箱之间的关系.27 图 4.5 中断服务子程序流程图.28 图 4.6 基于c/os-的硬件和软件体系结构图.29 图 4.7 任务堆栈结构 .32 图 4.8 车床系统中各个任务和中断之间的工作流程.38 图 4.9 ca320240 液晶模块初始化流程.40 图 4.10 按键处理流程图.44 图 5.1 数控加工过程流程.46 图 5.2 译码模块结构图.47 图 5.3 确定有穷状态自动机（dfa）.49 图 5.4 子程序调用关系图.54 图 5.5 语法检查结果 .56 图 5.6 一般 g 代码测试结果.57 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 viii 图 5.7 子程序调用测试结果.58 图 6.1 运动控制器实物图.59 表 6.1 ads1.2 的组成.60 图 6.2 codewarrior ide 集成开发环境.61 图 6.3 axd 调试器.61 图 6.4 测试 arm 核 .62 图 6.5 测试 flash.63 图 6.6 系统的打印调试原理.64 图 6.7 系统自动运行时的画面.65 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅,可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 随着全球经济竞争日益加剧，制造行业面临着产业升级换代：被加工零件复杂度的增加， 加工单元柔性化、 工厂自动化的实现等等。 数控机床作为一种自动化的加工设备而被广泛采用。 同时，随着现代机械制造业向更高层次的发展，数控机床也成为柔性制造单元(fmc)、柔性制 造系统(fms)以及计算机集成制造系统(cims)的基础装备。数控技术是数控机床的关键技术， 它的迅速发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替，从而形成 了巨大的生产力。一个国家的工业化水平，很大程度上体现在制造业的水平，而数控机床技术 正是制造技术中关键性的技术之一。近年来我国机床需求旺盛，市场巨大。自 2002 年来，我国 已经连续六年成为世界上最大的机床消费国和进口国，其中数控机床是机床消费的主流。随着 制造技术，计算机技术，微电子技术等的发展，数控机床必然向更高精度、更高速度、更高可 靠性及更完善的功能方向发展，以提高国家的整体制造业水平。 1.1 数控技术概况 1.1.1 数控技术发展背景 数控研究的历史始于 20 世纪 40 年代前后，美国帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究 所合作，进行数控机床的研究工作，在 1952 年研制成功了世界上第一台三坐标数控铣床1。从 此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了四个阶段、八代的发展2-6。 (1)数控(nc)阶段 早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实 时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被 称为硬件连接数控，简称为数控(nc)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年 第一代一电子管;1959 年第二代一晶体管;1965 年第三代一小规模集成电路。 (2)计算机数控(cnc)阶段 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产，其运算速度比五、六十年代有了大幅度 的提高，这比专门“搭”成的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统 的核心部件，从此进入了计算机数控(cnc)阶段。1970 年在美国芝加哥数控展览会上，首次展 出了由小型计算机为核心的计算机数控系统，标志着数控系统进入了计算机为主体的第四代。 至此，原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成，从此系统进入了软件数控时代。 1974 年，首次出现了采用微处理器芯片的软件 cnc 系统，象征着数控系统进入了以微机 为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低了成本，简化了 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 2 编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 70 年代末、80 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、crt 的普及应用，cnc 系统进入了第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，达到了多功能的技术 特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形动态显示/校验，实时 精度补偿等功能。在系统结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品 也逐步实现了标准化，系列化。 (3)高速高精度 cnc 的开发与应用阶段 进入八十年代，为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微轮廓线的解释处理能 力和伺服驱动特性，为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，cnc 系统应 具有足够高的数据处理速度和能力。 32 位 cpu 以其很强的数据处理能力在 cnc 中得到了应用， 使cnc系统进入了面向高速、 高精度的第七代。 1986年， 三菱电机公司率先推出了cpu为68020 的 32 位 cnc，掀起了 32 位 cnc 的热潮，并逐渐成为当今数控系统的主流。 (4)基于 pc 的开放式 cnc 的开发与应用 进入九十年代，个人计算机(personal computer, pc)的性能已发展到很高的阶段，从 8 位、 16 位发展到 32 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且 pc 机生产批量很大，价格便 宜，可靠性高。数控系统从此进入基于 pc 的 cnc 系统阶段。1994 年，这种基于 pc 的 cnc 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。pc 的引入，不仅为 cnc 提供高性能 价格比的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为 cnc 的开放化提供了基础，使之成为数控历 史最具影响的发展。人们常称这种 pc-nc 结构为第八代数控系统。 1.1.2 国外数控发展现状 近年国外数控技术发展呈如下趋势: (l)国际机床市场的消费主流是数控机床 1998 年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达 70%，我国为 60%。目前世界数控机床消费趋势己从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向 以加工中心、专用数控机床、成套设备为主7。 (2)国外数控机床的信息化 世界装备制造业市场正在向全面信息化的方向迈进，技术发展主要表现为柔性制造系统、 计算机集成制造系统的开发与应用，并向制造智能化方向发展。技术发展特征表现为技术的融 合化；产品的发展特征表现为高附加值化、智能化和系统化；系统管理的发展特征表现为集成 化（包括系统集成、软件集成、技术集成和接口集成）和网络化。随着计算机技术、网络技术 日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化己成为必然的趋势和方向。从另一角度来看，目 南京航空航天大学硕士学位论文 3 前流行的 erp 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门或设计、开发等上层 部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备一数控机床不能够连成网络或信息 化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈。以 fanuc 和西门子为代表的数控系统生产厂商 己在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的 rs232 接口外，还备 有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。 1.1.3 国内数控发展现状 我国数控机床起步并不晚，大约与日本、德国、前苏联同步。1958 年，由北京机床研究所 和清华大学等单位研制成功第一台数控机床7。但是由于相关工业基础差，尤其是电子工业薄 弱，致使其发展速度缓慢。但由于历史的原因，一直没有取得实质性的成果。数控机床的品种 和数量都很少，稳定性和可靠性都比较差，只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。20 世纪 80 年代以来，在消化吸收国外先进技术的基础上，我国数控技术有了新的发展，数控机床才真 正进入小批量生产的商品化时代。 “七五” 、 “八五”期间的技术攻关，大大推动了我国数控机床 的发展，目前我国已经能生产 100 多种数控机床。尤其是最近 10 年来，我国己研制了具有自主 版权的数控技术平台和数控系统，比如 2008 年国产机床展上的大连机床集团的 vdw500 五轴 联动立式加工中心、华中数控的 lvc600 五轴联动立式加工中心其机床各项性能指标都接近国 际先进水平8。 但从数控机床的整体来看，我国的数控技术与发达国家相比仍有相当差距，数控产业仍十 分薄弱，而且国产数控绝大部分是中低档经济型，高档数控仍然被国外发达国家技术封锁。为 了促进我国数控技术的发展，国家已经在“十一五”继续把数控技术列为优先发展的技术之一， 使我国的数控技术在较短的时间里加快赶上世界先进水平。 1.1.4 数控技术的发展趋势 随着微电子技术、计算机技术、精密制造技术及检测技术的发展，数控机床性能日臻完善， 数控系统应用领域日益扩大。为了满足市场和科学技术发展的需要，达到现代制造技术对数控 技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面: (l)高速度、高精度 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、 降低加工成本， 而且还可提高零件的表面加工质量和精度。 超高速加工技术对制造业实现高效、 优质、低成本生产有广泛的适用性。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普 通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高 新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越 高。现代数控机床主轴转速在 12000r/min 以上较为普及，高速加工中心的主轴转速高达 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 4 100000r/min；快速进给速度一般机床都在 50m/min 以上，有的机床高达 120m/min。加工的高 精度比加工速度更为重要，微米级精度的数控设备正在普及，一些高精度机床的加工精度已达 到 0.1um9。 (2)高可靠性 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，新型的数控 系统大量采用大规模或超大规模的集成电路，采用专门芯片及混合式集成电路，使线路的集成 度提高，元器件数量减少，功耗降低，提高了可靠性。现代数控机床都装备了计算机数控系统 （即 cnc 系统） ，只要改变软件控制程序，就可以适应各类机床的不同要求，实现数控系统的 模块化、标准化和通用化。数控控制软件的功能更加丰富，具有自诊断及保护功能。为了防止 超程，可以在系统内预先设定工作范围（即软限位） 。数控系统还具有自动返回功能（即断点保 护功能） 。 (3)多功能 大多数数控机床都具有 crt 图形显示功能，可以进行二维图形的加工轨迹动态模拟显示， 有的还可以显示三维彩色动态图形；具有丰富的人机对话功能， “友好”的人机界面；借助 crt 和键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。现代数控系统，除了能与编 程机、绘图机、打印机等外设通信外，还应能与其他 cnc 系统、上级计算机系统通信，以实 现 fms 的连接要求。 (4)智能化 数控系统应用高技术的重要目标是智能化。如引进自适应控制技术、人机对话自动编程、 自动诊断并排除故障等智能化功能。 (5)复合化 复合化是近几年数控机床发展的模式，它将多种动力头集中在一台数控机床上，在一次装 夹中完成多种工序的加工。如立卧转换加工中心、车铣万能加工中心及四轴联动（x、y、z、 c）的车削中心等。 1.2 嵌入式系统概况 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统10。随着社会的日益信息化，计 算机和网络已经全面渗透到日常生活的每个角落。对于我们每个人来说，需要的已经不再仅仅 是那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机“机器” 。任何一个普通人都可以 使用嵌入式电子产品，小到 mp3、pda 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电 子设备等。纵观嵌入式系统的发展历程大致经历了 4 个阶段。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 (1)无操作系统阶段 是以 8 位单芯片为核心的可编程控制器形式，执行一些单线程程序，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，通过汇编语 言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是:系统结构和功能相对单一，处理效率 较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国 内工业领域应用较为普遍，但是己经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新 兴信息家电等领域的需求。 (2)简单操作系统阶段 20 世纪 80 年代，随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式系统应用中 所需的微处理器、i/o 接口、串行接口及 ram、rom 等部件集成到一片 vlsi 中，制造出面向 i/o 设计的微控制器。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的操作系统开发嵌 入式软件，缩短了开发周期，提高了开发效率。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已 经初步具有了一定的兼容性和扩展性。典型的有 1981 年，ready system 开发出世界上第一个 商业嵌入式实时内核（vtrx32） 。这个实时内核包含了许多传统操作系统的特点，包括任务管 理，任务间通信，同步与互相排斥、中断支持和内存管理等功能。 (3)实时多任务操作系统阶段 20 世纪 90 年代，随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也在不断扩大，实 时内核逐渐形成了实时多任务操作系统（rtos） ，并开始成为嵌入式系统的主流。这一阶段的 操作系统实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模 块化和扩展性。典型的有 vxworks、palm os、wince，嵌入式 linux 等。 (4)面向 internet 阶段 21 世纪是网络时代，随着 internet 的进一步发展，以及 internet 技术与信息家电、工业控制 技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与 internet 的结合是嵌入式系统未来的发展趋势。信息时 代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇。嵌入式技术与 internet 技术的 结合正推动着嵌入式系统的飞速发展，成为当今世界最热门的技术之一。1999 年，根据美国 emf（电子市场分析）报告，嵌入式操作系统全球产值 3.62 亿美元，而相关的整个嵌入式开发 工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达 9 亿美元，并预计到 2001 年市 场规模将达到 317 亿美元。2002 年嵌入式系统带来的工业年产值已超过了 1 万亿美元11。 1.3 本文研究意义及主要工作 1.3.1 研究意义 一个国家的工业水平，很大程度上体现在制造业的水平上，而数控机床技术正是现代制造 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 6 技术中关键性的技术之一。我国是一个制造业大国，但数控技术的水平还不是很高，跟欧美、 日本还有很大的差距，这严重制约着我国制造业水平的提高。以 pc 机作为基础的 cnc，为我 国的 nc 开发和应用带来了新的机遇，使得我国数控系统开发商有了一个赶上世界数控技术发 展潮流的机遇。然而，在我国蓬勃发展的基于 pc 的数控系统也有着不足之处，如基于 pc 的数 控系统难以装入体积严格要求的微小型系统内。另外，基于 pc 的 cnc 往往功能强大，但相对 一些功能相对简单的应用场合，成本过高，结构复杂。 我国现在面临着制造业产业结构的调整和升级，也面临几百万台旧式机床的改造，其中部 分机床可改造成具有较高性价比的经济型数控；同时设计和生产一些适合本国制造业需求的经 济型数控系统，则可以显著的提高经济效益和社会效益，减少资源的浪费。目前国内中小型的 数控系统多采用 8/16 位单片机系统，其内部资源有限，一般需要扩展资源，且较多采用汇编编 程，没有操作系统在其上运行，程序的修改、升级和维护都比较困难。嵌入式系统的不断普及 应用，可为数控技术提供一种灵活方便、能在工业环境长期稳定可靠工作的微小型廉价的控制 系统。目前，嵌入式系统的推广应用已经成为潮流，也成为中、低档数控系统的发展趋势。数 控车床作为使用最多、功能相对简单的机床种类，非常适合采用嵌入式系统。为此，本文以基 于 arm 的嵌入式车床数控系统的研究与开发为目标，开发一种低成本、高性价比的车床数控 系统。 1.3.2 论文主要内容 本文主要研究内容包括： 1以 32 位 arm7 内核微处理器作为核心，基于嵌入式操作系统c/os-，构建整个数 控系统的软硬件架构。 2完成嵌入式实时操作系统c/os-在 arm 硬件平台上的移植、系统多任务的划分与 调度。编写数控系统的串口通讯、液晶显示、键盘输入等低层驱动程序。 3研究 nc 程序解释的实现方法，编写数控加工程序解释模块等相关应用程序。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 第二章 嵌入式数控车床系统总体结构设计 本文所要研究的嵌入式车床数控系统的主要功能包括：能够给用户提供一个良好的人机界 面，支持键盘的输入并实现机床加工代码的编程，能实现车削加工的高速运动控制，可以实现 常用的直线插补、圆弧插补和螺纹加工插补，能够实现对异常情况的实时处理。此外，系统还 能够支持与 pc 机的串口通信，上传和下载数控文件12。 2.1 嵌入式数控系统的总体设计 嵌入式车床数控系统在结构上由硬件和软件两大部分组成。硬件选择以 arm 处理器和复 杂可编程逻辑器件 cpld 为核心，并配以系统所需的外围模块组成完整的硬件平台；软件选择 c/os-实时嵌入式操作系统，开发系统所需的底层驱动和应用软件。 嵌入式数控系统的总体结构模型如图 2.1 所示，由硬件层、操作系统层及软件层三个层次 构成。硬件层由 arm 处理器硬件构架和 cpld 可编程逻辑控制器件组成，arm 处理器用来管 理调度，而 cpld 芯片用于在较短的时间内完成复杂的运动控制。嵌入式数控系统的操作系统 层采用了源代码公开的嵌入式实时操作系统c/os-，c/os-是一款可根据功能需要裁 减，采用可剥夺性实时内核的多任务操作系统。采用c/os-使得嵌入式数控系统的控制软 件划分明确、模块化，并且使系统具有多任务处理能力及良好的实时性。软件层主要是数控系 统匹配软件，包括设备驱动程序、相关的 api 函数、数控各任务模块等。 图 2.1 数控系统总体结构模型 2.2 嵌入式数控系统的硬件组成 系统硬件结构如图 2.2 所示。嵌入式微处理器选用 arm7 系列的 lpc2220，它是 32 位的 高性能、低成本的嵌入式 risc 微处理器，具有数据处理能力强，稳定可靠，可支持操作系统， 低功耗和低成本的特点。在嵌入式数控系统中主要负责数据处理、运算和对外设（lcd、ram、 flash、键盘等）的控制。大规模可编程逻辑控制器件 cpld 主要用作精插补、码盘反馈和实 现 i/o 控制13-16。 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 8 图 2.2 嵌入式数控硬件结构图 2.1.1 arm 子系统 设计了一个满足嵌入式车床数控性能要求的 arm 子系统，其资源主要包括 lpc2220 微处 理器， 主频 60mhz。 1mb 的外部 ram、 2mb nor flash、 16mb nandflash、 专用复位电路、 jtag 凋试接口、实时时钟等。并且周围引出了外部扩展需要用到的全部数据、地址总线、各外设接 口及 i/o 信号等，能够作为嵌入式车床控制系统主控模块使用。 2.1.2 cpld 子系统 cpld 子系统采用 altera 公司的 max7000a(ae)系列的 epm1270。 它以第二代多阵列矩阵 （max）结构为基础，是一种高性能 cmos eeprom 器件；逻辑密度为 2000 个可用编程门 电路，128 个宏单元； 引脚到引脚的逻辑延时为 5.0ns，计数器工作频率可达到 178mhz；有 集电极开路选择，可编程宏单元触发器；具有专有的清除、时钟、输出使能控制；包括一个可 编程的程序加密位，全面保护专利设计。能够很方便实现嵌入式数控的精插补、码盘输入、i/o 控制等功能，同时对产品可以加密保护。在本系统中，cpld 器件是挂在 arm 的存储器总线 上，这样通过存储器映射，arm 可以很方便的访问 cpld 器件。 2.1.3 液晶模块 液晶（lcd）模块包括液晶显示屏液晶显示控制器。液晶模块使用 ca320240b，其核心是 日本 seiko epson 公司出品的液晶显示控制芯片 s1d13305，该芯片支持文本(即字符) 显示、 图形显示以及文、图相结合的显示模式；lcd 显示分辨率可达 320 240 像素；内部掩模有一 个具有 160 字符、5 7 像素点阵的字符发生器 rom；支持在片外设置一个具有 256 字符、 最大达 8 16 像素点阵的字符发生器 rom 或 ram。能够快速响应数控车床系统图形仿真和 实时监控的需求。与采用彩屏的数控系统相比，具有价格功耗上的优势。 2.1.4 键盘模块 键盘与 arm 处理器的接口设计主要采用专用的键盘接口芯片 zlg7290。该芯片采用 i2c 串行接口，提供键盘中断信号，方便与 arm 接口，并且可以支持 64 个按键消息，满足了嵌入 南京航空航天大学硕士学位论文 9 式数控车床的要求。采用专用的键盘芯片可以采用中断的方式实现对键码的读取，免去对键盘 的循环扫描，节约了 cpu 的运算资源，同时节省了很多任务切换和内部信号量处理时间。 2.3 嵌入式数控系统软件的结构 嵌入式数控系统软件由嵌入式实时多任务操作系统c/os-及其相应的应用软件组成。 c/os-实时操作系统支持多任务管理，采用基于占先式的实时内核，可以把任务的调度时 间控制在毫秒级内，满足系统实时性的要求。但c/os-仅提供了一个任务调度的实时内核， 没有提供相应得标准 api 函数， 因而需要自行开发一系列与系统运行相关的设备驱动程序、 api 函数以及应用软件。嵌入式数控软件功能结构如图 2.3 所示。数控系统按功能可划分为以下六 个部分17： （1）人机界面管理（2）逻辑处理（3）运动控制（4）辅助控制（5）数据处理（6） 伺服控制。 图 2.3 嵌入式数控软件结构图 2.3.1 人机界面管理 该部分主要实现人机交互，为数控车床的工作提供数据和信息，反馈机床的运行状态，监 控整个加工过程。主要功能有以下几点： 1）获得车床系统当前运行状态，比如处于手动、自动、运行还是其它状态，获得各种机床 信息，比如当前机床 x、z 轴坐标、进给速率等，并且通过 lcd 显示给用户。 2） 实现与用户的人机交互， 通过接受用户的按键消息， 完成对系统的控制， 比如对刀偏值、 主轴速率等系统参数的修改。 3）对 nc 程序进行加工过程中的刀尖轨迹仿真、在 lcd 上显示刀具轨迹路径，用户可以 检验刀具所走过的轨迹判断 nc 程序是否正确。 2.3.2 逻辑处理 逻辑处理主要负责主轴的正反转，冷却液的开关，换刀等。由于c/os-是个实时多任 基于 arm 的嵌入式车床数控系统研究与开发 10 务系统，逻辑处理的优先级很高，一般在几个 ms,所以能够满足数控车床的需求。 2.3.3 运动控制 运动控制主要是对机床位移、速度、加速度的控制。速度控制主要指的是 cnc 系统的加 减速控制。在 cnc 装置中，为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡， 必须对进给电机的脉冲频率或电压进行加减速控制。即在机床加速启动时，保证加在电机上的 脉冲频率或电压逐渐增加;而当机床减速停止时。保证加在电机上的脉冲频率或电压逐渐减小。 加减速算法主要有 t 型和 s 型加减速，本系统采用的是 t 型加减速，在于经济型数控车床相对 于其它机床来说，轮廓形状变化小，加工精度要求不是太高。位移的控制主要由插补来实现。 插补是数控系统的核心，数控系统正是通过插补计算，才能加工出各种复杂轮廓的零件。并且 各种复杂轮廓的精度也是由插补任务保证的。本系统采用了数据采样插补，并且插补过程分成 两步，由 arm 处理器完成插补运算的第一步，即粗插补，这里采用时间分割法。根据速度控 制任务得到的进给速度计算出每个插补周期内的总进给量，放入插补缓冲区内。由 cpld 完成 精插补，通过中断方式，获得粗插补的 x、z 轴进给量，然后通过数字积分法(dda)变换成进 给脉冲序列控制电机的运动。 2.3.4 数据处理控制 数据处理主要完成 nc 代码的译码和刀具补偿。译码就是将数控代码从文件系统中取出， 经过语法检查和语义分析，最后翻译成系统能识别的代码形式，存放在译码缓冲区中。经过译 码后的数据段主要分为三部分，分别供速度控制任务（