（机械电子工程专业论文）嵌入式技术在铣床数控系统上的应用.pdf

广东工业大学工学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随着计算机 软硬件技术的迅速发展，嵌入式系统技术日趋成熟和完善，其可靠性高、性能强、 功耗低等优点促使它在工业控制、交通管理、环境检测等众多领域中获得了广泛 的应用。 本文结合开发项目“铣床嵌入式数控系统s d s 9 3 c n c d 的研制”，在深入研 究嵌入式系统技术的基础上选择具体的硬件平台和软件平台进行铣床嵌入式数 控系统的研发，硬件结构以高性能低功耗的3 2 位嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 为核 心，配以系统所需的外围模块；软件系统以源码公开的u c o s l i 实时嵌入式操 作系统为核心，开发系统所需的应用软件，将u c o s _ 【i 实时嵌入式操作系统扩 展为一个完整、实用的铣床嵌入式数控系统。该系统不仅具有可靠性高、稳定性 好、功能强的优点，而且具有良好的可移植性和可裁剪性，便于根据实际需求进 行功能的扩展和裁剪。本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 研究u c o s - 【i 实时嵌入式操作系统在硬件平台上的移植及其占先式内 核的任务调度原理，合理分割铣床控制系统的管理任务，根据任务的要 求赋予不同的优先级和调度时间，保证任务的执行效率和实时陛； ( 2 ) 开发底层设备驱动程序和应用程序接口( a p i ) 函数，咀便于进行系统 应用软件的开发； ( 3 ) 深入研究f a t l 6 文件系统的结构和固态盘的硬件特性，参照f a t l 6 文件 系统的管理思路，开发固态盘文件管理软件以有效管理n c 代码文件； ( 4 ) 深入研究由a r m 主控板、键盘板、i 0 控制扳、编码器信号采集板等装 置组成的串口通讯网络可靠通信的模型及其通讯协议，开发串口通讯网 络通信软件： ( 5 ) 研究字符的显示原理和在操作系统中嵌入字库的方法，在此基础上结合 汉字的特眭深入研究中文字库的嵌入方法，开发中文字库嵌入软件，满 足开发操作界面的信息要求： f 6 ) 深入研究三维图形坐标变换的原理，开发实用的三维加工轨迹显示软 件，便于操作者对零件的加工过程进行监控和诊断。 最后，本文总结了系统的开发工作，提出了系统需要继续完善的地方，以作 为后续研究工作的参考。 关键词：嵌入式系统、占先式内核、可移植、a r m 、u c 0 5 一i i 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sak i n d o fs p e c i a la p p l i c a t i o n - o r i e n t e dc o m p u t e rs y s t e m i ti s b a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dcanm e e tt h es t r i c tr e q u i r e m e n to ff u n c t i o n ， r e l i a b i l i 哦c o s t ，v o l u m e ，a n dp o w e rc o n s u m p t i o nb ya d j u s t i n gi t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e 、i t i lr a p i dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r et e c h n o l o g ya n ds o f t w a r et e c h n o l o g yo f t h ec o m p u t e r , e m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r er e l i a b l ea n dp e r f e c ts t e p b ys t e p a tp r e s e n t ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha s i n d u s t r i a lc o n t r o l ，订a f f l cc o n t r o l ，a n d e t c ，b e c a u s eo fi t sh i g hr e l i a b i l i t y , h i g h p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo n c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dn cs y s t e mo f m i l l i n gr o a c h i n es d s 9 3 c n c d ，a n db a s e do ni n d e p t hs t u d yo nt e c h n o l o g yo f e m b e d d e ds y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nc h o o s e s s p e c i f i cp l a t f o r mo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r et or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ee m b e d d e dn cs y s t e mo fm i l l i n gm a c h i n e t h e k e m e 、o fh a r d w a r ei st h e3 2 b i te m b e d d e dc p us 3 c 4 4 8 0 xw i t hc h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a n di t i s a l s oe q u i p p e dw i t ht h e r e q u i r e dp e r i p h e r a lm o d u l e st oe x t e n di t s e l ft oo r ew h o l eh a r d w a r es y s t e m t h e s o f t w a r ei sb a s e do nu c o s i ir e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m a n dt h er e q u i r e d a p p l i c a t i o ns o f t w a r en e e d st ob ed e v e l o p e ds oa st ot u r nu c o s 一【ir e a l t i m ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi n t oo n ep r a c t i c a le m b e d d e dn cs y s t e mo fm i l l i n gm a c h i n e ，w h i c h n o to n l yh a sv i r t u e so fh i g hr e l i a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oc a nb et r a n s p l a n t e d a n dt r i m m e ds ow e l la st om o d i f yf t l n c t i o nc o n v e n i e n t l ya c c o r d i n gt os y s t e m r e q u i r e m e n t t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n f l1o nt h eb a s i so fi n d e p t hr e s e a r c ho nt h ec o n t e n t sh o wt ot r a n s p l a n tu c 0 s i i r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi n t oh a r d w a r ep l a t f o r ma n dh o wt a s k s r u ni nt h ep r e e m p t i v ek e r n e lo fu c o s i ir e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，t h em a n a g e m e n tt a s k so fn cs y s t e mo fm i l l i n gm a c h i n ea r e a s s i g n e dw i t hr e a s o n a n dt h e nt h e i rp r i o r i t i e sa n ds c h e d u l e dt i m ea r ea l s o a s s i g n e da c c o r d i n gt ot h en e e do fs y s t e ms ot h a te f f i c i e n c yo fp r o g r a ma n d r e a l t i m er e q u i r e m e n to ft a s kc a nb eo p t i m i z e d f 2 1d e v e l o pd e v i c ed r i v e r sa n da p 【f u n c t i o n si no r d e rt om e e tt h en e e do f d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r ew i t hc a s e f 3 ) s t u d yd e e p l yt h es t r u c t u r eo ff a t l 6f i l es y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f f l a s hd i s k ，a n dd e v e l o pt h ef i l em a n a g e m e n ts o f t w a r eo ff l a s hd i s kt o m a n a g en cf i l e se f f e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h em a n a g e m e n ti d e ao ff a t i6f i l e s y s t e m r 4 1r e s e a r c ht h em o d u l ea n dp r o t o c o lo fr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni ns e r i a l n e t w o r k ，w h i c ha r ec o m p o s e do fa r mm a i nc o n t r o lb o a r d ，d s pm o t i o n c o n f f o lb o a r d ，k e y b o a r db o a r d i oc o n t r o ib o a r da n de n c o d e rs i g n a l c o l l e c t i o nb o a r d a n dt h e nd e v e l o pc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eo ft h es e r i a l n e t w o r k ( 5 ) s t u d yt h ep r i n c i p l eo fd i s p l a y i n gc h a ri nl c d a n dt h em e t h o do fe m b e d d i n g f o n t l i b r a r yi n t oo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dr e s e a r c hd e e p l yt h em e t h o do f 广东工业大学工学硕士学位论文 e m b e d d i n gc h i n e s ef o n tl i b r a r yi n t oo si nt h el i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i co f c h i n e s e o nt h eb a s i so ft h a t ，t h es o f t w a r eo fe m b e d d i n gc h i n e s ef o n t l i b r a r yi sd e v e l o p e dt om e e tt h ei n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n to fd e v e l o p i n g o p e r a t i n gi n t e r f a c e ( 6 ) s t u d yt h et h e o r yo ft h r e e d i m e n s i o ng r a p h i cc o n v e r s i o n ，a n dd e v e l o pt h e s o f t w a r eo fd i s p l a y i n gt h et h r e e d i m e n s i o nm a c h i n i n gr a c k ，w h i c hp r o v i d e s t h ef u n c t i o nt h a to p e r a t o rc a nw a t c ho v e rc o n v e n i e n t l yt h em a c h i n i n g p r o c e s s a tl a s t t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r yo ft h ew o r ki nt h ec o u r s eo fs y s t e m d e v e l o p m e n t ，p o i n t so u tw h a tt h es y s t e mn e e d st o b ei m p r o v e d ，a n do f f e r st h e r e f e r e n c ef o rf o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n tw o r k k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，p r e e m p t i v ek e m e l ，t r a n s p l a n t a b l e ，a r m ，u c o s - i i 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 1 1 1 嵌入式系统的定义及构成要素 嵌入式系统作为计算机的一种应用形式，是指嵌入在宿主设备中的微处理机 系统，它所强调的要点是辅助它所在的宿主设备去实现对被控对象的控制、监视 和管理等功能，2 1 ，通常，嵌入式系统被定义为一种以应用为中心，以计算机为 基础，软硬件可剪裁，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计 算机系统1 3 , 4 , 。从广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌 入式系统。从狭义上讲，嵌入式系统强调是那些使用嵌入式微处理器构成独立系 统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的专用计算机系统。 嵌入式系统的三个基本要素比1 ：嵌入性、专用性与计算机系统。 ( 1 ) 嵌入性。嵌入式系统需要嵌入到对象系统中，实现对被控对象的智能化 控制，因此其必须满足对象系统的环境要求，如物理环境( 小型) 、电气 气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求； ( 2 ) 专用性。嵌入式系统专用性很强，软件和硬件紧密结合，通常进行系统 的移植时根据产品的具体情况不断修改系统的应用软件和硬件配置资 源，因此嵌入式系统必须具有软硬件的可裁剪性，满足被控对象的最小 软、硬件配置等要求； ( 3 ) 计算机系统。嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算机系统， 其必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件包括嵌入式处理器和外围 硬件设备，软件包括嵌入式操作系统及用户应用软件巧卯。因此 嵌入式系统的核心= 嵌入式处理器+ 嵌入式操作系统+ 应用程序 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物，因而它是一个技术密集、资金密集、适用面广、不断创 新的知识集成系统。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比，具有以下特点 广东工业大学工学硕士学位论文 【7 8 9 - 1 0 1 ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。嵌入式处理器与通用 型处理器最大的不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系 统中，因而其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容 性等方面均受到应用要求的严格制约。通常，嵌入式处理器具有功耗低、 体积小、集成度高等特点，把通用计算机系统中许多由板卡完成的任务 集成在芯片内部，使得嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强， 跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统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；同时针对用户的具体需求， 对芯片配置进行裁剪和添加，这样才能在具体应用中对处理器的选择更 具有竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌 入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，和通用计算机软 件不同，其很少发生突然性跳跃，具有良好的可继承性和技术衔接性，发 展比较稳定。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系的有效生命 一般可达8 1 0 年以上。 ( 4 ) 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中 的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等 载体中。 ( 5 ) 系统软件的高实时性。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务 进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，难以单纯通 过提高处理器速度来实现，因而系统软件的实时性主要由优化编写的系 统软件来完成。 r 6 1 嵌入式系统的开发需要开发工具和环境。嵌入式系统本身不具备自主开 发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境包 括基于通用计算机上的软硬件设备，软件开发所需的r t o s 平台以及用于 辅助系统调试和诊断的逻辑分析仪、信号示波器等。 第一章绪论 1 1 3 嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到当今高性能低功耗的嵌入式处理器的大规 模应用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展与成熟的历程眨，5 ，1 。其发展大 致经历四个阶段： ( 1 ) 第一阶段是以8 位单片机为核心的嵌入式系统，它具有开发监测、伺服、 通信、指示等设备的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业 控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行 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。由于其使用简单、价格低， 以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已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 ) 第二阶段是以高性能的1 6 位、3 2 位或更高位的嵌入式c p u 为基础、以简 单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是：c p u 种类繁多，通用 性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性： 应用软件较专业化。 ( 3 ) 第三阶段是以具有较完善的嵌入式操作系统为特征的嵌入式系统。其主 要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容 性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性：具 备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能； 具有大量的应用程序接 a p i ，开发应用程序较简单：嵌入式应用软件丰 一 田o ( 4 ) 第四阶段是在第三阶段的基础上增强并完善i n t e r n e t 功能的嵌入式系 统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于 i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的迅速发展以及i n t e r n e t 技术与信息 家电、工业控制技术结合日益密切嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代 表嵌入式系统的未来。 1 1 4 嵌入式系统的应用 嵌入式系统具有可靠性高、实时性强、功耗低等优点，其已在家用电器、手 持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过 广东工业大学工学硕士学位论文 程控制等领域得到了广泛的应用u ，1 2 。 ( 1 ) 工业控制。基于嵌入式处理器的工业控制系统具有广阔的应用范围，目 前其已在工业过程控制、数控机床、电路系统、电网设备监控、石油化 工系统等领域获得广泛应用，逐渐取代传统基于8 位或1 6 位单片机的工 业控制装置而成为工业控制设备的主流。 ( 2 ) 交通管理。嵌入式系统在车辆导航、流量控制和信息监控等方面获得广 泛应用，目前内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端己成功使用在 交通运输行业。 ( 3 ) 信息家电。嵌入式系统技术在冰箱、空调、彩电等传统家电产品的应用， 将使到家电产品具有良好的用户界面、智能管理、远程控制，从而进一 步推动家电产品的网络化、智能化、信息化。 ( 4 ) 环境监控。环境监控包括水文资料实时监控、防洪体系及水土质量监控、 地震监控网、实时气象信息网、水源和空气污染监控等。嵌入式系统在 环境监控上的应用，将实现对环境恶劣、地况复杂的地区进行无人监控。 ( 5 1 机器人控制。嵌入式处理器在机器人控制方面的应用，进一步推动了机 器人向微型化、智能化方面的发展，拓宽其在工业领域和服务领域的应 用空间。 除了以上提到的这些领域外，嵌入式系统在其他方面也有着广泛的应用。目 前嵌入式系统带来的工业年产值己超过i 万亿美元。美国著名未来学家尼葛洛庞 帝于1 9 9 9 年1 月访华时曾预言，4 5 年后嵌入式智能工具将是p c 和因特网之后 最伟大的发明。根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 l 世纪初的十年中，全 球嵌入式系统市场需求量具有比p c 市场大l o 至1 0 0 倍的商机“”。随着信息化、 智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术必将获得更为广阔的发展空间。 1 2 机床数控系统概述 1 2 1 机床数控系统定义及分类 数控机床( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s ) 是一种采用计算机进行数字处理 来实现高效控制、自动加工的机床，它根据按i s o 指定的代码格式编写的加工程 序，发出各种控制指令，实现要求的机械加工，自动完成加工任务1 1 3 1 。 4 第一章绪论 按照数控系统的功能水平，数控系统可分为经济型、普及型和高档型 1 3 1 0 ( 1 ) 经济型数控系统。仅能满足一般精度要求的加工，加工形状较为简单的 直线、斜线、圆弧以及带螺纹类的零件：微机系统为单板机或者单片机 系统，具有数码显示或c r t 字符显示功能；机床进给由步进电机实现开 环驱动，控制的轴数和联动轴数为3 轴或3 轴以下：进给分辨率为1 0 m ， 快速进给速度可达1 0 m m i n 。这类机床结构一般比较简单，精度中等， 价格较为低廉，常见的有：经济型数控线切割机床、数控钻床、数控车 床、数控铣床及数控磨床等。 ( 2 ) 普及型数控系统。功能较多，以实用为主，除了具有一般数控系统的功 能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等：采用 的微机系统为1 6 为或者3 2 位微处理器，具有r s 2 3 2 c 通讯接口：机床 的进给多用交流或者直流伺服驱动，实现4 轴或4 轴以下的联动控制； 进给分辨率为l “m ，快速进给速度为1 0 2 0 m m i n ；输入输出的控制 通过可编程控制器来实现，大大增强系统的可靠性和控制的灵活性。这 类数控机床的品种极多，几乎覆盖了各种机床类型，且价格适中。 ( 3 ) 高档型数控系统。其能够加工复杂形状的工件，工序集中、自动化程度 高、功能强、具有高度柔性：微机系统为3 2 位以上的微处理器；机床进 给采用交流伺服驱动实现5 轴联动控制或多个联动单元同时控制：最 小进给分辨率为0 1 m ，最大快速移动速度达到1 0 0 w m i n 或更高：具 有三维图形显示功能和友好的图形用户界面：具有丰富的刀具管理功能、 宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能；具 有很强的智能工艺数据库和智能诊断功能，实现加工条件的自动设定； 具有计算机的联网和通信功能。这类系统功能齐全，价格昂贵，常见的 有：具有5 轴联动控制的数控机床、五面加工中心、车削中心等。 1 2 2 数控机床发展概况 我国数控机床的发展一直受国家经济发展状况、数控技术发展水平和国家扶 持政策等因素所影响。总体上来看，我国数控机床的发展经历了三个阶段钔。 ( 1 ) 初始发展阶段( 1 9 5 8 1 9 7 9 年) ，我国数控机床发展十分缓慢，特别是受 广东工业大学工学硕士学位论文 到电子技术发展以及国产数控系统可靠性差的瓶颈制约，使我国的数控 机床未能形成产业。在此期间，我国共生产数控机床4 1 8 0 台，其中以 5 0 6 0 为线切割数控机床。 ( 2 ) 1 9 7 9 年以后，在开放政策的指导下，国家大力支持机床行业，通过引进技 术与自主创新相结合发展我国的数控机床产业，促进我国数控机床产业 化生产，突破瓶颈，带动其他相关产业的发展。在“六五”、“七五”、 “八五”三个五年计划期间，我国有8 0 余家企业通过许可证贸易、合作生 产、购买样机、来料加工或合资生产等方式，先后从日本、德国、美国十 多个国家引进与数控机床生产及应用有关的数控系统、伺服系统、机床 电器和各种附件及测量技术，促进了我国数控机床业的发展和技术水平 的提高，但在引进技术中也存在一些问题。从整个行业的技术引进状况 来看，引进散件组装的技术多。而引进设计、开发技术较少：数控主机引 进较多，数控配套产品项目较少：引进许可证贸易的多，合资生产的少； 引进“大路”技术多，高水平技术少有些产品和技术甚至是淘汰的。为 了促使我国数控机床产业更陕发展，我国在引进技术、消化吸收和国产化 的同时，开展科技攻关和技术开发，使我国数控机床和数控系统初步具备 了自行开发的能力，品种和产量均有较大增长，例如“八五”攻关完成后。 数控系统的品种满足率从“七五”末的4 0 提高到“八五”末的7 0 。通 过上述几个五年计划的技术改造，我国数控机床初步形成了产业体系，有 了一定数量的数控主机厂、数控系统及数控配套产品生产厂。 ( 3 ) 1 9 9 2 年以来，随着我国市场体系的逐步建立和完善，国民经济的快速发 展拉动了数控机床产业的迅速发展。经过“九五”。数控车床和加工中心 的产业化生产基地已初步形成，所生产的普及型数控机床在性价比方面 已具有相当的市场竞争力，只是在可靠性方面还比不上国外同类产品。 在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，在功能、性能、可 靠性等方面仍存在较大差距 1 5 1 0 目前，国内自行开发的机床数控系统大多是基于p c b a s e 或者基于单片机 的控制系统。没有自主知识版权的系统开发平台，关键检测元件的速度和精度均 达不到高档数控的要求。在这些关键技术方面存在的缺陷与不足直接影响到整个 6 第一章绪论 控制系统的技术水平与可靠性，致使难以与国外产品竞争。目前，国内生产的中 档数控产品中有相当部分是采用国外的控制系统，如日本f a n u c 公司的i m a t e 、 0 i m c 、2 1 i m b ，德国s i m e n s 公司的8 0 2 c e 、8 0 2 d 、8 1 0 d 。至于高档数控机床几乎 全部是进口的。国外中高档数控机床主流产品的控制器采用自主开发的操作系 统，具有功能强、性能好、稳定性好、可靠性高等突出优点，但由于它在结构上 封闭式的，用户几乎无法进行修改或进行二次开发，因而难以适应用户的特殊要 求和进行系统集成。 随着我国经济的发展，我国机床需求旺盛，市场巨大6 ，1 7 , 1 8 o2 0 0 3 年机床消 费额达6 7 3 亿美元，己超过美国，成为全球最大的机床消费国。其中数控机床己 成为机床消费的主流预计2 0 1 0 年我国数控机床消费额将达n 6 0 亿美元，台数将 超过1 0 万台。 国家第十个五年计划强调大力发展国产数控机床这是我国的产业政策。如 果中高档数控机床的关键技术、高价位的部件都掌握在国外厂商手中，必将牵制 我国制造业的发展。我国不仅要成为制造业大国，更重要的是要成为制造业强国， 为此必须强化数控系统关键技术方面的自主开发能力，拥有自主知识版权的中高 档数控系统。发展国产中高档数控机床是必经之路，这样才能打造好国产品牌， 让其在国内外激烈竞争中增强竞争力，抢占市场，替代进口 1 9 1 。 1 3 课题的来源与研究意义 本论文的课题来源于广州信和光栅数显有限公司和广州诺信数字测控设备 有限公司的联合开发项目“铣床嵌入式数控系统s d s 9 3 c n c d 的研制”。该开发 项目的定位是一个中等偏高档型的铣床控制系统。 广州信和光栅数显有限公司是光栅尺的专业生产厂家，其产品的市场占有率 居全国第一，世界第二。近年来自主研制了填补国内空白的高速高精度光栅尺( 最 大移动速度为2 0 0 m r a i n ，精度为o 0 0 3 t u n d r a ，加速度为l 5 9 ) ，满足了中高档 数控系统全闭环控制的位置检测要求。广州诺信数字设备测控有限公司是一家数 控铣床及其他数控设备的专业生产厂家，在数控领域已有相当基础和市场，为课 题的研究提供了很好的基础和条件。 随着微电子技术和计算机技术的高速发展，嵌入式系统技术已经相当成熟。 厂东工业大学工学硕士学位论文 采用嵌入式技术开发的控制系统，其实时性强、稳定性好、可靠性高等突出优点 已在广泛的实际应用中得到了很好的验证。 考虑到我国机床数控系统当前的具体情况，研制一个拥有自主知识产权的嵌 入式机床控制系统，对于提高我国中高档数控系统的技术水平具有十分重要的意 义；所研制的数控系统的专用控制器是基于嵌入式系统技术开发的，同时融合了 多种先进计算机软硬件技术( d s p 、u s b 、c p l d 等) 不仅可使系统具有性能强、 可靠性高等优点同时具有很好的开放性，软件升级方便，这为进一步研究数控 技术的完全开放和智能化控制提供了很好的基础和前提条件：所研制的数控系统 由于便于裁剪，扩展性和可移植性好，可方便地进行移植、开发其它数控设备控 制系统，因而具有推广应用的实用价值。 1 4 论文的研究内容 下为本铣床嵌入式数控系统的结构框图。 1 程早存睹器( 2 m b ) 卜叫卜q 固态盘1 6 m b 芈 p c 卜+ i ! ! ! - la r i v l 卜叫! ! ! ! 塑l 叫亟蛰 i o 目* i + 亘口一c p u 卜臣叵卜 1 镕| + i 丽f k 一 ，广磊h _ _叫i 丽百丽 图1 1 数控系统的结构 f i g 1 一lt h es t r u c t u r eo f n cs y s t e m 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 嵌入式系统技术的构成、分类、开发模式和开发流程等方面的内容 ( 2 ) 铣床嵌入式数控系统硬件的总体结构： ( 3 ) 铣床嵌入式数控系统各硬件模块的功能及驱动程序的开发： ( 4 ) 铣床嵌入式数控系统软件的总体结构： ( 5 ) 铣床嵌入式数控系统应用软件的开发： 第一章绪论 1 5 论文的框架 第一章 绪论 嵌入式系统概述机床数控系统概述课题的来源课题的研究意 义论文的研究内容论文的框架 + 第二章 嵌入式系统技术 嵌入式系统的构成分类开发平台选型开发模式，应用开发流程 + 第三章 铣床嵌入式数控系统的总体结构 引言铣床嵌入式数控系统硬件的总体结构硬件各模块的功能 软件的总体结构，软件各模块的功能 第四章 铣床嵌入式数控系统应用软件的开发 引言铣床嵌入式数控系统应用任务的设计系统引导软件系统 烧写软件固态硬盘文件管理软件串h 通讯网络通信软件系统 主界面管理软件中文字库嵌入软件三维加工轨迹显示软件 第五章 总结与展望 全文总结工作展望 图i - 2 论文的框架 f i g i 一2t h ef r a m e o f t h ed i s s e r t a t i o n 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章嵌入式系统技术 2 1 嵌入式系统的构成 嵌入式系统的总体结构u 1 分为四大部分，包括：嵌入式处理器、存储器、系 统输入输出和软件( 嵌入式操作系统及其应用软件) 。下图为嵌入式系统的结构 框图。 图2 1 嵌入式系统的结构框图 f i g 2 - lt h es t r u c t u r eo f e m b e d d e d s y s t e m 通常，在实际应用上，嵌入式系统被理解为由嵌入式计算机系统和执行装置 两大部分组成。嵌入式计算机系统是嵌入式系统的核也t ，由硬件层、中间层、软 件层和功能层组成；执行装置负责接收嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行 相应的操作或任务。下面简要介绍嵌入式计算机系统的组成： ( 1 ) 硬件层。硬件层由嵌入式处理器、存储器、f o 接口( a d 、d a 、i o 等) 和通用设备接口( r s 2 3 2 、u s b 等) 组成，其核心为眼入式处理器； ( 2 ) 中间层。中间层，也被称为硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，由嵌入式系统初始化和 硬件设备驱动两部分构成，负责相关硬件的初始化、硬件设备的配置、 数据的输入输出等任务。 ( 3 ) 软件层。软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件管理系统、图形 用户接口( g u i ) 和通用组件模块等组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基 础和开发平台，它把c p u 时钟、中断、定时器等资源封装起来， 向使用者提供标准的a p 函数接口，从而保证基于r t o s 开发的应用软 件具有良好的可移植性。 o 第二章嵌入式系统技术 ( 4 ) 功能层。功能层由基于r t o s 开发的应用软件组成，实现对被控对象的 控制功能。 下图为嵌入式系统的组成框图。 图2 2 嵌入式系统的组成框图 f i g 2 - 2t h ec o n s t i t u t i o no f e m b e d d e ds y s t e m 2 2 嵌入式系统的分类 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件的核心是嵌入式处理器， 软件的核心是嵌入式操作系统和应用软件。 2 2 1 嵌入式系统硬件的分类 通常，嵌入式处理器分为四大类2 0 ，2 1 1 嵌入式微控制器嵌入式微处理器， 嵌入式数字信号处理器和嵌入式片上系统。下面简要介绍这四类嵌入式处理器： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 。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r o m 、r a m 、总 线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s hr a m 、e 2 p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需 求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内 核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装，从而使单片机最大 广东工业大学工学硕士学位论文 限度地和应用需求相匹配，减少功耗和降低成本。其最大特点是单片化， 体积大大减小，降低功耗和成本，提高可靠性。嵌入式微控制器的典型代 表是单片机，如8 0 5 l 、m c s 9 6 等。 ( 2 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 。嵌入式微处 理器内部集成更为丰富的资源，包括l c d 接口、s p i 、i i s 、1 2 c 等，性能 强，接口丰富，可方便根据实际需求进行扩展。在实际应用中，将微处理 器装配在专门设计的电路板上，通常只保留与嵌入式应用紧密相关的功 能硬件，去除冗余功能部分，大幅度减小系统体积和功耗，同时针对嵌入 式应用的特殊要求，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一股都做了 各种增强。目前嵌入式微处理器在数码产品、移动通讯设备、工业控制 等领域中获得广泛应用。其典型产品有p o w e rp c 、m i p s 、a r m 、 s t r o n g a r m 系列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 。数 字信号处理器是专门用于信号处理方面的处理器。其在系统结构和指令 算法方面进行了特殊设计，具有很好的编译效率和指令执行速度，适合 用在数字滤波、f f t 、频谱分析、语音和图像处理等方面。目前d s p 处理 器己在实际上获得大规模的应用，其典型产品包括t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、 5 0 0 0 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( e m b e d d e ds y s t e mo n c h i p ) 。片上系统是追求产品系统 最大包容的基础器件，实现软硬件无缝结合，在处理器片内直接嵌入操 作系统的代码模块，减少系统的体积降低系统的功耗，提高系统的可 靠性。目前片上系统在声音、图像、网络等领域获得广泛应用，其典型 产品有：p h i l i p s 的s m a r tx a 、m o t o r o l a 的m c o r e 等。 当前，嵌入式处理器的主流趋势为3 2 位，包括a r m ( 包括i n t e l 公司的s t r o n g a r m 和x s c a l e ) 、m i p s 等。其特点如下5 ，2 2 1 ： ( 1 ) 支持实时多任务操作系统能力强，中断任务相应时间短，大大减少实时 内核和内部代码的执行时间； r 2 1 存储区保护功能强，不仅可避免软件模块之间出现错误的交叉作用，还 便于进行软件故障诊断； 第二章嵌入式系统技术 ( 3 ) 处理器结构扩展性好，便于开发人员快速开发出可满足各种应用和高性 能的嵌入式处理器； ( 4 ) 处理器功耗低，满足无线、移动计算和通信等便携式设备的使用要求。 2 2 2 嵌入式系统软件的分类 嵌入式系统的软件由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式操作系统把计 算机硬件与应用软件连接起来便于开发人员控制计算机硬件，高效组织和正确 使用计算机的资源。通常嵌入式系统操作系统分为实时操作系统和分时操作系 统。下面简要这两种类型嵌入式操作系统。 ( 1 ) 实时操作系统。实时操作系统对事件进行实时处理时，必须在严格的时 限内作出响应，响应的超时将导致致命的失败。其特点是通过任务调度 实现在规定时间内对重要事件作出正确的响应，具有系统的可确定性， 即系统能够对运行的最好和最坏情况作出精确的估计。比较典型的实时 嵌入式操作系统有u c o s - i 【、r t - l i n u x 等。 ( 2 ) 分时操作系统。分时操作系统在对事件进行处理时，不要求软件的执行 必须在严格的时限内完成，时间上的延误或时序上的错误，不会导致系 统出现致命的失败。比较典型的分时嵌入式操作系统有w i n d o w sc e 3 0 等。 2 3 嵌入式系统开发平台的选择 嵌入式系统开发平台的选择巧，2 ”包含硬件平台和软件平台的选择，其中硬 件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择；软件平台的选择主要是嵌入式操作系 统的选择。 2 3 1 硬件平台的选择 嵌入式系统硬件平台的选择主要取决于应用领域、用户需求、成本、开发难 度等诸多因素。由于硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，在实际选择上 通常需要充分考虑系统外围设备的配置情况以选择合适的嵌入式处理器。下面列 出了实际上选择嵌入式处理器需要考虑的要素t 5 , 2 3 , 2 4 1 ( 1 ) 系统的运行速度和寻址空间： ( 2 ) 系统总线的需求，满足总线带宽的要求； 广东工业大学工学硕