（机械电子工程专业论文）基于μcosⅡ的切绘机数控系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 中国是世界上最大的轻工产品生产、加工基地，拥有上百万家轻工企业。但 是长期以来，中国的轻工企业的设计、生产过程主要靠手工完成，效率低、周期 长、质量又难以保证。因此数控切绘机在国内有很大的市场份额，而目前国内从 事切绘机研发、生产的企业却不多。相当一部分的切绘机还是从国外进口，成本 很高，致使很多企业难以承受。国内企业生产的切绘机虽然成本低，但是速度和 精度远不及国外机器。 本文基于当前流行的嵌入式技术，开发出高速、高精度、高可靠性的切绘机 数控系统。该系统采用a r m + d s p 的控制系统硬件结构，基于恤c o s - i i 的实时 操作系统，降低了系统的功耗和成本，提高了系统运行速度，保证了系统精度和 实时性，使得软件开发过程较为简易，方便系统升级。 本文首先介绍t p c o s - i i 的工作原理，分析了系统的内核调度过程，详细阐 述了系统的任务管理、内存管理及任务问的通信，为之后i z c o s i i 的移植和应用 程序的开发打下坚实的基础。 围绕切绘机数控系统的设计目标，文章拟定系统的硬件、软件体系结构、确 定系统软件划分和开发策略，实现了切绘机数控系统的总体结构设计，为系统的 具体开发过程提供指导。 详细阐述了切绘机数控系统软件平台的开发过程，介绍了启动代码的功能及 其详细设计流程，实现了将p c o s i i 在s 3 c 4 4 8 0 j 2 的移植，并给出了n a n d f l a s h 和串口驱动程序的详细设计过程，讨论了f a t l 6 文件系统的原理及其移植。 文中重点介绍了应用程序中各个任务的详细实现过程及任务间的通信过程， 阐述了应用程序中所涉及的西文字库矢量数据提取算法和插补算法等，给出了液 晶按键模块程序的详细设计过程及其应用。并且针对指令解析任务中存在的问题 给出了解决方案，解决了内存不足的问题，提高了系统内存利用率。 关键词：切绘机；数控系统；嵌入式系统；p c o s - 1 i a b s t r a c t c h i n ai st h e l a r g e s tm a n u f a e t m i n ga n dp r o c e s s i n g b a s eo fl i g h ti n d u s t r i a l p r o d u c t i o ni nt h ew o r l d , a n dh a sn e a r l ym i l l i o n so f l i g h ti n d u s t r i a le n t e r p r i s e s b u tf o r al o n gt i m e t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ea b o u tt h et i g h ti n d u s t r i a lp r o d u c t i o n 瓣 a c c o m p l i s h e db yh a n d e r a t f t a n dt h ee i f f e l e h e yi sv e r yl o w , t b ep e r i o di sv e r yl o n g , a l s ot h eq u a l i t yi sv e r yd i t 五e u l tt ob eg u a r a n t e e d s ot h em a r k e ts h a l eo fn u m e r i c a l c o n t r o lc u t t i n gp l o t t e ri sv e r yl a r g e b u tn o w , t h e r ea 豫af e we l l t e r p r i c sw h i c he n g a g e i nt h er e s e a r c ha n dm a n u f a e t t 髓a b o u tt h en u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n gp l o t t e r m a n y n u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n gp l o t t e r sm a i n l yd e p e n d e do ni m p o r t a t i o n t h ec o s ti sv e r y h i g h ，s om a n ye n t e r p r i s e sc t l l 3n o tb e a ri t a l s ot h ec o s ti sl o wa b o u tt h en u m e r i c a l c o n t r o lc u t t i n gp l o t t e rp r o d u c e di no u l re o t m t r y , b u tt h es p e e da n dp r e c i s i o nc a l ln o t c o m p a r ew i t hi to f i m p o r t a t i o n i th a sd e v e l o p e dh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n dh i g hr d i a b i l i t yc i ：l 砸n gp l o t t e r n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc u r r e n tv e r yp o p u l a re m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r 1 1 地c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ei sb a s e do na r m + d s p , a n di t s s o t t w a r es t r u c t u r ei sb a s e do nt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i i s oi tc a n l a r g e l yl o wt h ep o w e re o m u m p t i o na n dc o s t , i m p r o v es y s t e mr t m i n gs p e e d , a n dt h e p e r f o r m a n c eo fr e a lt i m ea n dp r e c i s i o n 辩g u r a n t e e c l , t h ep r o c e s so fs o t t w a r e d e v e l o p m e n ti ss i m p l e ，a l s ou p g r a d i n g t h es o t b , v a r ei sv e r yc o n v e n i e n t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n l z o d u e e st h ew o r kp r i n c i p l eo fp c o s i t ，a n a l y s e si t st a s k s c h e d u l ep r o c e s s ，a l s oe x p l a i n st h et a s km a n a l g c m e n t 、m e m o r ym a n a g e m e n ta n d i n t e r t a s kc o m m u n i c a t i o ni nd e t a i l t h e ya 北s t e a d yf o u n d a t i o no fg c o s - 1 1t m m p l a n t a n d a p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n t t h et h e s i ss t u d y so u tt h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t l l i c t u 辑f i x e so i lt h e s y s t e ms o f t w a r ep a r t i t i o na n dd e v e l o p i n gs l l a t c g y i th a sa c c o m p l i s h e dt h es l l u e t u r e d e s i g no fc u t t i n g p l o t t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m , a n dg u i d e s t h ed e t a i l e d d e v e l o p m e n tp r o c e s so f s y s t e m t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc u t t i n gp l o t t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mi s i n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi nt l a i sp a s oi ti n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dd e t a i l e dd e s i g nf l o w o fs t a r t u pc o d e a n ds u c c e s s f u l l yw a n s p l a n t st h ei _ t c o s i ii n t o $ 3 c 4 4 8 0 a l s ot h e d e t a i l e dd e s i g np r o c e s so fn a n d f l a s l aa n ds e r i a lp o r td r i v e ra 弛g i v c n ，a n dt h e p r i n c i p l ea n dt r a n s p l a n to f f a n 6f i l es y s t e ma r ed i s c u s s e d 1 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 t h ep a p e ri m p o r t a n t l yi n t r o d u c e st h ed e t a i l e dd e s i g np r o c e s so fe a c ht a s ka n d i n t e r t a s kc o m m u n i c a t i o na b o u tt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m , a n de x p l a i n st h ew e s tw o r d l i b r a r yv e c t o rd a t al o o k u pa l g o r i t h ma n di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi na p p h e a t i o n p r o g r a md e s i g n a l s ot h ed e t a i l e dp r o g r a md e s i g np r o c e s sa n da p p l i c a t i o no ft h e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d 、s c r e e na n dk e yb o a r dm o d u l ea r ei n t r o d u c e d t h e s e t t l i n gw a y sa b o u tt h ep r o b l e mi ni n s m j c t i o ne x p l a i n i n gt a s ka r eg i v e n i th a ss e t t l e d t h ep r o b l e mo fm e m o r ys h o r t a g e ，a n dl a r g e l yi m p r o v e st h eu s i n gr a t eo fs y s t e m m e m o r y k e yw o r d s ：c u t t i n gp l o t t e r ；n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ； i l c o s - i i v 广东工业大学工学硕士学位论文 ! il i ! ! ! ! s 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表示 了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签名： 论文作者签名：7 + ，一 建掰 | 夕一7 年岁月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、适应应 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【l , 2 3 1 。 与通用计算机系统不同，嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性， 即每一套嵌入式系统产品的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是 嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。嵌入式系统是针对具体应用的专 用系统，目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用；它的硬件和 软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现 更高的性能。 1 1 1 嵌入式系统特点 嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象 数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合的产物【4 】。因此， 它往往是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识密集型系统，能够反 映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性方面 要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。另外，从某种意义上来说，通用 计算机行业的技术是垄断的。嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了 竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即 便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、 少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的， 留给各个行业的中小规模高技术公司的创新空间还很大。又因为社会上的各个应 用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构 成推动嵌入式工业发展的强大动力。概括起来，嵌入式系统有以下几个特点【5 ，司： l 、嵌入式系统应用领域的广泛性 嵌入式技术广泛应用于工业控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、 航天、军事、消费等各个领域。嵌入式系统几乎在我们周围随处可见，像手机、 m p 3 、d v d 等，在数量上远远超过了各种通用计算机。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 、嵌入式系统是完成专用功能的最小系统 嵌入式系统和通常p c 机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用而设计 的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，用来完成某种具体应 用，在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制较多，要求硬件、软件 都要发挥最高效率，可靠性高，力争以最小系统达到最高性能。 3 、嵌入式系统对软件的要求一般比较高 由于嵌入式产品要求体积小，可靠性高，一般不具有硬盘等大容量存储设备。 而且由于成本的限制，嵌入式系统软件一般固化在容量较小的f l a s h 存储器中。 这就要求软件代码具有较高的质量和可靠性，有的系统还要求软件具有实时处理 能力。 4 、嵌入式系统的开发环境和开发工具 由于嵌入式系统自身没有足够的资源，不具备自主开发能力，所以一般嵌入 式系统的开发模式是作为目标机的嵌入式系统与作为宿主的主机相连接，以编译 器、链接器等作为开发工具，来构成交叉开发环境。 1 1 2 嵌入系统发展趋势 在市场需求和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以 下几点趋势f 7 ，l 9 1 ： 1 、联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入式系统要求 配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必须配有 通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持。由于家用电器相互关联( 如防盗报 警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作 等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 等 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 2 、小尺寸，微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如：选用最 佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既 要求软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 2 第一苹绪论 等。 3 、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日趋 丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电 子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计 师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能 复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 4 、。无所不在的智能”( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ，a m i ) 无所不在的“智能”是嵌入式系统应用的高级境界，它是指一种嵌入了多种 感知的计算设备，并根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出 人的意图，并做出相应反映的具有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制 的内部互联系统和服务制造理想的氛围，完成理想的功能，从而有效提高人们的 工作和生活质量。 5 、提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户所接受，重要因素之一是它们与使用者之间的 亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯 的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多媒 体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取 得初步成效。 1 1 3 嵌入式系统的组成 从组成上看，嵌入式系统可分为嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统两部分，如图 卜1 所示【1 0 】： 嵌 入 式 软 件 系 统 嵌 入 式 硬 件 系 统 图1 - 1 嵌入式系统组成 f i g 1 1t h e s t m c t u r eo f e m b e d d e ds y s t e m 1 、嵌入式系统的硬件 嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设和i o 端口等【1 0 1 。其中嵌入式处理器是 核心。目前使用较多的有嵌入式微控制器( e 骶u ) 、嵌入式微处理器( e m p u ) 、嵌入 式数字信号处理器( e d s p ) 、片上系统( s o c ) 等。其中嵌入式微处理器由于性价比 较高，在嵌入式系统中越来越受到青睐。 嵌入式微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计上处于核心地位。从嵌入式微 处理器的市场占有率来看，8 位产品占了一半左右的市场，其次是1 6 位及3 2 位的 产品，4 位和6 4 位的产品市场占有率最低。随着电子技术的迅速发展，3 2 位处理 器的性价比越来越高，很多场合使用3 2 位处理器的系统成本比采用8 1 6 位的系统 成本更低。而a r m t # 系结构是目前嵌入式应用中占主导地位的3 2 位微控制器处理 器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知 识产权设计供应商。a r m 公司通过转让高性能，低成本、低功耗的r i s c 微处理器、 外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯 片。a r m 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式技术解决方案的r i s c 标准。a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产 品均采用一个通用的体系，所以相同的软件可以直接或稍加修改就可在所有产品 中运行。目前，a r m 处理器主要分以下几个大系列：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、s e c u r c o r e 系列及最新的a r m l l 系列，它们都是为特定目的应用而设计，实 第一覃绪论 际应用可根据具体性能要求选择相应的系列0 1 , 1 2 1 。 2 、嵌入式系统的软件 嵌入式软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，是整个嵌入式系统的 应用核心。嵌入式操作系统是嵌入式应用的基础平台。早期的嵌入式实时应用软 件直接在处理器上运行，没有操作系统的支持，现在的大多嵌入式应用开发都需 要嵌入式操作系统的支持。实际上，此时的嵌入式操作系统相当于一个通用而复 杂的主控程序，为嵌入式应用软件提供更强大的开发平台和运行环境。因为嵌入 式系统已经将处理器、中断、定时器、i 0 等资源包装起来，用一系列的a p i 函数 提供给用户，应用程序可以不关注底层硬件，直接借用操作系统提供的功能进行 开发。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用的 操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免 费的操作系统在价格方面具有优势，但也存在着开发困难，技术支持少等不足。 目前市场上流行的，使用最多的产品包括有：w i n d o w sc e 、v x w o r k s ，n u c l e u s ， p a l mo s 、p s o s 、q n x 、各种嵌入式的l i n v x 、“c o s - n 等。 实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用 户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，1 t o s 根据各个任务的要求，进行资 源管理、消息管理、任务调度及异常处理等工作。在r t o s 支持的系统中，每个任 务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对 实时性的要求。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复 杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。因为使用嵌入式实时操作系统可以增强 系统的可靠性，提高产品的开发效率，缩短开发周期，而且可以充分发挥3 2 位c p u 的多任务潜力。在嵌入式实时操作系统下开发实时应用程序，使程序的设计和扩 展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干 独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化，而且对实时性要求苛刻的事 件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得 系统资源得到更好的利用。 嵌入式操作系统的选择主要考虑以下几个方面：操作系统的硬件支持程度， 是否支持目标硬件平台：源码是否开放、可移植性如何：开发工具的支持程度，是 广东工业大学工学硕士学位论文 否有利于项目的加快开发：能否满足应用需求，如对操作系统实时性能的要求， 网络性能等：是否收取费用，是否对产品的成本产生严重影响。 1 2 p c o s i i 操作系统的概述 t t c o s 1 1 是一个可移植、源码公开、可抢占的实时操作系鲥1 3 】，其性能完全 可以与商业产品相媲美。i _ t c o s i i 基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪 裁、具有较高的稳定性和可靠性，此外，p c o s i i 的鲜明特点就是源码公开，便 于移植和维护。一直以来，全世界成千上万的开发者已经成功地将t t c o s i i 应用 于各种系到习。在t t c o s i i _ k j 匿提供了嵌入式图形支持的uc g u i 模块和嵌入式文 件系统1 tc f s ，它支持多种小型化的设备，如c f 卡、s m c 卡等，使它广泛地应用在 工业控制系统中。 t t c o s - n 的特点如下【1 4 , t 5 ： 提供源代码：j _ t c o s 是开放源代码的，任可人都可以从购买书籍附带的 光盘或者从网站上下载到t t c o s i i 最新的源代码。 可移植：p c o s i i 的源代码绝大部分是使用移植性很强的a n s ic 编写， 与微处理器硬件相关的部分是使用汇编语言编写。汇编语言写的部分已经 压缩到最低的限度，以使p c o s i i 便于移植到其他微处理器上。目前， t t c o s 已被移植到多种不同架构的微处理器上。 可固化性：只要具备合适的软硬件工具，就可以将i t c o s - i i 嵌入到产品中 成为产品的一部分。 可剪裁性：t t c o s - i i 使用条件编译实现可剪裁，用户程序可以只编译自己 需要的p c o s 1 1 功能，而不编译不需要的功能，以减少t t c o s 对代码 空间和数据空间的占用。 可剥夺性：t t c o s i i 是完全可剥夺型的实时内核，t t c o s 一1 1 总是运行就绪 条件优先级最高的任务。 多任务性：g c o s - 1 1 可以管理6 4 个任务，然而，t t c o s - i i 的作者建议用 户保留8 个给t t c o s - i i 。这样，留给用户的应用程序最多可有5 6 个任务。 可确定性：绝大多数i l c o s - n 的函数调用和服务的执行时间具有确定性， 也就是说用户总是能知道t t c o s 的函数调用与服务执行了多长时间。 任务栈：i t c o s - i i 的每个任务都有自己的单独的栈，使用t t c o s i i 的栈空 6 第一章绪论 间校验函数，可确定每个任务到底需要多少栈空间。 系统服务：p c o s i i 提供很多系统服务，例如信号量、互斥信号量、时间 标志、消息邮箱、消息队列、块大小固定的内存的申请与释放及时间管理 函数等。 中断管理：中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务 被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌 套层数可达2 5 5 层。 1 3 切绘机数控系统的发展现状 1 3 1 切绘机的概念 长期以来，中国的服装、皮革、鞋帽、箱包等轻工行业从事设计、生产都是 全依靠手工设计、加工，企业的自动化生产力量不足，导致企业的效率低、周期 长、质量也很难得以保障。随着科技的快速发展和市场的大量需求，国内的一些 轻工企业将先进的数控技术应用到企业设计图样、生产产品的过程中，切绘机便 应运而生【1 6 1 。 切绘机是一种广泛应用于服装、鞋帽、箱包、制革、玻璃雕花等轻工企业的 数控设备。它改变了以往轻工行业中设计、生产过程依靠手工操作的状况，缩短 了设计周期，提高了生产效率，降低了生产成本。 用户可以在专用绘图软件上完成图样设计并从图样中获得图样数据，然后将 图样数据传送到切绘机数控系统，在切绘机上设定加工参数就可以快速地生产出 大量高质量的产品。 1 3 2 国内外切绘机数控系统的发展现状 1 、国内现状 我国是世界上最大的鞋和纺织品生产基地，但是，国内这些行业的自动化水 平普遍不高，要在全球经济中继续保持领先地位，依靠现有落后的制造设备肯定 是跟不上市场的步伐，所以对现有设备改进显得十分必要。国内有几家公司开展 了从事切绘机研究和开发，并形成产品化生产，它们主要的定位为中低档的数控 切绘设备【1 7 1 。 7 广东工业大学工掌硕士学位论文 我国目前大部分切绘机数控设备存在以下明显缺陷： 1 ) 加工速度慢，精度低； 2 ) 系统集成度低、稳定性不好； 3 ) 键盘操作复杂，缺乏人性化。 目前国内基于切绘机的数控系统大都是基于十六位单片机或p c 机的控制系 统，基于十六位单片机的数控系统其加工速度慢，精度也不高。而基于p c 机的 数控系统虽然其加工速度有所提高，精度也可满足要求，但其成本太高。 2 、国外现状 相对来说，国外对切绘机的研究开发工作开展得比较早，技术水平相对比较 高。目前，国外相关产品的主要制造商有日本罗兰公司、日本日图公司、法国力 克公司等，但在中国市场上有一定市场份额的目前仅有日本日图公司一家。该公 司产品系列比较齐全，性能良好，在高端用户群中有一定的影响。国外产品在我 国推广程度不高，主要原因是与我国的实际情况相比，国外厂家的产品主要存在 以下问题： 1 ) 产品价格昂贵，一般的小型企业承受不起； 2 ) 售后服务不及时。国外公司的售后服务不够完善。 国外切绘机大多也是基于p c 机或单片机的控制系统，虽然其加工速度和精 度相对都比较高，但其在国内市场上的价钱却很高，一般企业难以承受。 1 4 课题的研究背景和意义 近年来，随着计算机技术和半导体技术的高速发展与后p c 时代的到来，嵌入 式系统产品已经无处不在。嵌入式系统已经在很多产业中得到了广泛的应用并逐 步改变着这些产业，嵌入式系统技术已成为振兴这些产业的突破口，大力发展嵌 入式系统技术，将会大大促进这些产业的快速发展，提高这些产业在国际中的竞 争力。 自从中国加入w t o 以后，中国的轻工业面临着巨大的市场挑战，如果国内轻 工企业还不逐步加大科技投入，提高产品自动化生产的能力，将会更加扩大与发 达国家之间的差距，有被世界市场淘汰的危险。而且随着近年来计算机技术的大 面积普及，中国的轻工行业也深受影响，行业内计算机辅助设计、数控加工等自 动化系统的应用需求越来越大。同时，中国又是世界上最大的轻工产品生产、加 s 第一蕈绪论 工基地，拥有上百万家轻工企业，因此数控切绘机在国内有很大的市场份额，而 目前国内从事切绘机研发、生产的企业却不多。相当一部分的切绘机还是从国外 进口，成本很高，致使很多企业难以承受。国内企业生产的切绘机虽然成本低， 但是速度和精度远不及国外机器，主要占据一些低档市场。 考虑到我国轻工业当前的具体情况和切绘机技术落后的局面，开发高速、 高精度的切绘机数控系统，对于提高我国中高档切绘机控制系统的技术水平具有 十分重要的意义。基于i t c o s - i i 的切绘机数控系统是基于嵌入式系统技术，同 时融合了多种先进计算机软硬件技术( a r m 、d s p 、u s b 、c p l d 等) ，不仅可使系 统具有高速、高精度、可靠性高等优点，同时具有很好的开放性，软件升级方便， 这为进一步研究切绘机控制系统的完全开放和智能化控制提供了很好的基础和 前提条件，系统由于便于裁剪，扩展性和可移植性好，可方便地进行移植、开发 其它相关设备控制系统，因而具有推广应用的实用价值。因此高速高精度切绘机 数控系统的开发将对于我国的轻工业的发展有着十分重要的意义，对于提升我国 轻工业在国际中的地位有着很重要的积极作用。 1 5 课题的研究目的和研究内容 1 5 1 课题的研究目的 本课题研究的目的就是基于p c o s - i i 开发出高速高精度的切绘机数控系统。 该数控系统可以控制切绘机完成三轴的精确运动、参数显示、数据分析处理、面 板操作及与p c 机通信等功能。该控制系统能够对c a d c a m 等软件生成的文件 直接进行处理，采用高精度的控制算法对数据进行处理，基于a r m 的3 2 位微 控制芯片和i l c o s - i i 操作系统可以使系统更加稳定，数据处理速度更快，系统 结构更为简易，可以大大提高企业自动化水平和生产效率、节约生产成本。 1 5 2 课题的研究内容 本文的研究内容如下： ( 1 ) 分析了实时操作系统p c o s i i 的工作原理，详细阐述了p c o s i i 的内核结 构、任务管理、内存管理、任务间通信等内容。 ( 2 ) 介绍了切绘机数控系统的工作原理和切绘机数控系统的硬件体系结构，设计 9 广东工业大学工学硕士学位论文 出了切绘机数控系统的软件总体结构。 ( 3 ) 深入研究和分析了系统启动代码的设计，以及实时操作系统肛c o s i i 在 s 3 c 4 4 8 0 上的移植，介绍了n a n d f l a s h 驱动程序的设计和f a t l 6 文件系统的 移植。 ( 4 ) 详细设计了切绘机数控系统软件体系结构，深入研究了应用程序中各任务的 详细实现过程和通信过程，并详细介绍了应用程序中相关算法的设计过程， 给出了液晶按键模块程序的详细设计过程其应用。 ( 5 ) 文中对h p g l 指为令的解析过程进行了深入的研究，介绍了h p g l 指令的 组成，给出了h p g l 指令解析的详细设计过程，并且在对解析过程中遇到的 一些问题提出了关键性的解决方案，并给出了详细解决办法。 l o 第二章嵌入式实时操作系统u c o s h 第二章嵌入式实时操作系统g c o s i i t t c o s - i i 操作系统是由j e a nj l a b r o s s e 于1 9 9 2 年编写的一个嵌入式多任务 实时操作系引1 舯，它主要用c 语言和汇编语言编写，其中绝大部分是用c 语言编 写的，只有极少部分与处理器相关的代码是用汇编语言编写的，所以用户只要做 很少的工作就可以把它移植到各类8 位、1 6 位和3 2 位嵌入式处理器上。它是一 个开源的、可固化、可剪裁的实时操作系统( r t o s ) ，这样就决定了它在工业控 制行业得到了广泛的应用。 在嵌入式系统中使用r t o s 不仅可以增加系统的可靠性，缩短系统的开发周 期，而且系统的维护也会方便很多。在切绘机数控系统中主要就是将其移植到系 统的硬件平台上，然后基于它编写各个外围模块的驱动程序，建立起系统的软件 平台，最后基于系统运行平台编写切绘机数控系统的应用程序。 t t c o s - i i 是一个实时内核，源代码免费公开，它与t t c l i n u x 操作系统的运行 机制不同。t t c l i n u x 驻留在系统中，应用程序不必考虑t t c l i n u x 系统的内核，只 是通过系统调用来请求系统的处理或进行外围设备操作。而在p c o s 中，应 用程序做为t t c o s i i 内核的一个子任务，并与内核一起编译成一个完整的可执 行程序。正是这种特殊的机制，保证了系统的实时性。因此本章主要介绍t t c o s 操作系统的内核体系结构、任务管理、中断处理、内存管理和任务闯通讯等，为 弘c o s 的移植和切绘机数控系统应用程序的开发打好基础。 i _ t c o s i i 的体系结构如图2 - 1 所示： 广东工业大学工学硕士学位论文 u c o s - i i 与处理器无关的代码 o sc o r e c o s _ f l a g c o s _ m b o x c o s j 匝m c o s j 椰t e x c 0 s q c q ss 删c o st a s k e o st i 虹c u c o si i c u c o s h u c l o s i i 与应用程序相 关的代码 o sc f g h i n c l u d e s h 与处理器相关代码( 移植时需要修改) o s _ c p u h o s _ c p u _ c c o s c p ua a 辄 软件 硬件 二二互二 互 图2 - ip c o s - 体系结 每 f i g 2 - 1t h es y s t e ms t r u g t l 1 l eo fp c o s i i 2 1 i i c o s 1 i 的工作原理 p c o s 的工作核心原理是【1 9 捌：最大可能地使最高优先级的就绪任务处于 运行状态。系统起动时，首先初始化m c u ，再进行操作系统初始化，主要完成任 务控制块t c b ( 任务控制块) 初始化、t c b 优先级表初始化，t c b 链表初始化、事件 控制块( e c b ) 链表初始化、空任务的创建等等，然后就可以开始创建新任务，并 可在新创建的任务中再创建其他新任务，最后调用o s s t a r t ( ) 函数启动多任务调 度。在多任务调度开始后，启动时钟节拍源开始计时，此时系统便可得到周期性 的时钟中断信号，实现延时和超时确认。 操作系统在下面两种情况下进行任务调度：中断( 系统占用的时间片中断 o s t i m e t i c k o 。用户使用的中断) 和调用a p i 函数。一种是当时钟中断来临时，系统 把当前正在执行的任务挂起，保护现场，进行中断处理，判断有无任务延时到期， 若有则使该任务进入就绪态，并把所有进入就绪态的任务的优先级进行比较，通 过任务切换去执行最高优先级的就绪任务，若没有别的任务进入就绪态，则恢复 现场继续执行原任务。另一种调度方式是任务级的调度即调用a p i ( 应用程序接口) 第二章嵌入式实时操作系统u c o $ - i i mm i l l 函数，是通过发送软中断命令或依靠处理器在任务执行中调度，如任务要等待信 号量或一个正在执行的任务被悬挂起来时，就需要在此任务中调度，找出目前处 于就绪态的优先级最高的任务去执行。当没有任何任务进入就绪态时，就去执行 空闲任务。 2 2 l j c o s i i 的内核结构 2 2 1 代码临界区 代码临界区是指处理不可分割的代码，运行这些代码不允许被打断1 1 4 1 。一旦 这部分代码开始执行，则不允许任何中断打入。因此，为确保临界区代码的执行， 在进入临界区之前要关中断，而临界区代码执行完后要立即开中断。 在p c o s 一中，为了处理临界段代码，也必须关中断，处理完毕后，再开 中断，关中断使得p c o s i i 能够避免同时有其他任务或中断服务进入临界段代 玛。关中斯的时间是实时内核提供的最重要指标之一，因为这个指标影晌用户系 统对实时事件的响应特性。p c o s 努力使关中断时间降至最短，但就使用 p c o s i i 而言，关中断的时间很大程度上取决于微处理器的结构以及编译器所生 成的代码质量。 微处理器一般都具有关中断开中断指令，用户使用的c 语言编译器必须具 有某种机制，能够在c 中直接实现关中断开中断操作。有些c 编译器允许在用 户的c 源代码中插入汇编语言的语句，使得插入微处理器指令来关中断开中断 很容易实现，而有些编译器把从c 语言中关中断开中断的操作放在语言的扩展 部分，直接从c 语言中可以关中断开中断。 i _ l c o s i i 定义两个宏来实现关中断和开中断，以便避免不同的c 编译器厂商 选择不同的方法来处理关中断和开中断。i _ l c o s i i 中的两个宏调用分别是： o g _ e n t e r _ c r i t i c a l0 和0 s - e x i t _ c r i t i c a l0 ，这两个宏的定义取决于所使用的 微处理器，所以定义在与移植代码相关的文件o s _ c p u h 中。不同的处理器都有 不同的0 s _ c e u h 定义。 o s _ e n t e r _ _ c r i t i c a l ( ) 和o s x i t - c r i t i c a l ( ) 是成对使用的，把临界段代码 放在这两个宏调用的中部。如下列代码所示： v o i dt a s k ( v o i d p d a t a ) 广东工业大学工学硕士学位论文 o s _ e n t e r _ c r i t i c a l 0 ； 书u c 0 s 1 i 临界段代码$ o se x i t _ c r i t i c a l 0 ； 2 2 2 任务和任务控制块 一个任务，也称做一个线程，是一个简单的程序，该程序运行时可以认为 c p u 完全属于该程序自己。任务和程序的主要区别就是任务是动态的，它包括程 序代码、任务控制块、任务运行状态和任务运行空间等，而程序是静态的。实时 应用程序的设计过程主要就是怎样把要解决的问题划分成多个任务来共同完成。 每个任务都是整个应用的一部分，都被赋予一定的优先级，有自己一套c p u 寄存 器和栈空间。 从任务的存储结构来看口1 1 ，p c o s i i 的任务由三个组成部分构成：任务程序 代码、任务堆栈和任务控制块。其中，任务控制块用来保存任务属性：任务堆栈 用来保存任务工作环境：任务程序代码是任务的执行部分。如图2 - 2 所示： 1 4 第二章嵌入式实时操作系统u c o s - i i 任务控制块 图2 2t t c o s - 的任务构成 f i g 2 - 2t h es