（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的嵌入式机床数控系统的研究.pdf

基于a r m 的嵌入式机床数控系统的研究 摘要 数控机床是现代制造系统的基础和核心，而先进的数控技术是解决机床制造业持 续发展的关键。随着嵌入式系统、微计算机技术和集成电路的迅速发展，高性能的3 2 位c u p 开始普及。它执行速度快、功能强大，在中、低档数控系统中已经完全可以 替代p c 机及8 位单片机，获得更大的价格和技术优势。本文旨在打破传统基于p c 机及8 位单片机的数控系统，研究并设计一种基于a r m 的3 2 位嵌入式机床数控系统。 本文设计了基于a r m 内核的嵌入式机床数控系统，并给出了硬件设计方案、软 件程序设计思想及相应设计。硬件部分选用是日本n o v a 电子有限公司研制的d s p 运动控制专用芯片m c x 3 1 4 a l 作为数控装置电机的驱动芯片，其性能优良、接口简 单、编程方便、工作可靠，给运动控制带来极大方便。采用a r m 微处理器s t r 7 1 0 负责控制m c x 3 1 4 a l 、外围逻辑电路的管理及后台任务的实现。系统软件平台采用 源代码公开的嵌入式实时操作系统u c o s ，对数控系统软件模块的任务进行划分， 并根据其实时性要求赋予不同优先级，采用基于优先级的抢占式调度算法，设计了任 务间的通信方式及中断事件的响应，使该数控系统具有良好的实时性和稳定性，可以 满足高精度加工的要求，同时也具有良好的人机界面和网络支持。 关键词：数控系统，嵌入式，a r m ，u c o s i i r e s e a r c ho fe m b e d d e dc n cs y s t e mb a s e do na r m a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ( n c ) m a c h i n et o o li so nb a s i ca n dk e r n e lg r o u n di nm o d e m m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( m m s ) t h ek e y t oa p p r o a c hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n ti st oa c c e l e r a t e a n da d v a n c en ct e c h n i q u e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n dm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e g r a t ec i r c u i t ，h i 【g hp e r f o r m a n c e3 2 一b i t s e m b e d d e dc p u b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r , w i t hi t sh i g hs p e e da n dl o wc o s t ，t h i sk i n do fm i c r o p r o c e s s o rc a nt a k ep l a c eo fp cp l a t f o t i na n d8 - b i t sc p u i nm i da n d1 0 wm a r k e t ，i nw h i c h p r i c ea n dt e c h n o l o g ya r ev e r yc r i f i c a l ，w i t hs u c hab a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sp r e s e n t sad e e p r e s e a r c ho ne m b e d d e dn cs y s t e m t h i sp a p e rp u tf o r w a r dn cs y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o r i tp r e s e n t st h eh a r d w a r e d e s i g na n dt h es o f t w a r ep r o c e d u r et h o u g h t s t h eh a r d w a r ep l a t f o r ms e l e c tn o v a e l e c t r o n c o r p d s pd y n a m i c sc o n t r o ls p e c i a l p u r p o s ec h i pm c x 3 1 4 a la sn cm o t o rd r i v e r m c x 314 a l b r i n g sd y n a m i c sc o n t r o lg r e a tc o n v e n i e n c eb e c a u s eo fi t sc h o i c ep e r f o r m a n c e ， s i m p l ei n t e r f a c e ，c o n v e n i e n tp r o g r a m m i n ga n dr e l i a b l ew o r k a r ms t r 7 10i sa d o p t e dt o m a n a g em c x 3 1 4 a l ，p e r i p h e r a ll o g i c a lc i r c u i ta n db a c k g r o u n dt a s k t h eu c o s i ii su s e d t op r o v i d er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e ma st h es o f t w a r ep l a t f o r ma n di t ss o u r c ec o d ei so p e n t h es o f t w a r em o d u l ei sd i v i d e dt os e v e r a lt a s k s a c c o r d i n gt ot h er e q u e s tf o rr e a lt i m e ，t h e y a r ee n d u e dw i t hd i f f e r e n tp r i o r i t i e s t h ew a yo fi n t e r t a s kc o m m u n i c a t i o na n di n t e r r u p t r c s p o n s ea r ed e s i g n e d t h eu c o s i is u p p o r t sp r e e m p t i v ep r i o r i t ys c h e d u l i n gw h i c hm a k e s t h es y s t e mr e a l - t i m ea n ds t a b l e i tc a nm e e tt h ed e m a n d so fh i g hp r e c i s i o np r o c e s s i n g a t t h es a n l et i m e ，i ta l s oh a sg o o du s e r - i n t e r - f a c ea n dn e t w o r ks u p p o r t k e y w o r d s ：c n cs y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，u c o s i i 插图清单 图2 1m c x 3 1 4 功能方框图7 图2 2 系统总体结构模式图1 1 图3 1 数控系统的硬件总体结构框图1 2 图3 2 电源电路1 3 图3 3 时钟电路1 4 图3 4 复位电路1 4 图3 5s t r 7 1 0 与m c x 3 1 4 a l 的接口电路。1 5 图3 6 限位输入信号连接电路1 5 图3 7 差动线驱动输出电路1 6 图3 8 步进电机控制系统原理框图。1 7 图3 9 主轴控制接口电路图18 图3 1 0 手轮输出信号2 0 图3 1 1 手轮输出信号辨向电路。2 0 图3 1 2 辨向计数电路的信号2 0 图3 1 3 键盘输入电路2 1 图3 1 4 液晶显示模块设计电路2 3 图3 1 5r s 2 3 2 串行通信电路图2 4 图3 16c a n 模块结构图2 5 图3 17c t m l0 5 0 接口电路。2 6 图4 1u c o s i i 的主要工作流程图。3 0 图4 2 可剥夺性内核31 图4 3 任务的状态3 2 图4 4 任务、中断服务子程序和信号量之间的关系3 2 图4 5 函数o s i n t e x i t ( ) 的流程图3 4 图4 6 中断服务子程序流程图3 5 图4 7u c o s i i 硬件软件体系结构3 6 图4 8 软件流程图3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特另, j j 3 n 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金日里王些太堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：髫孵编签字日期：矽p 年v - 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 本人授权 金旦曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：宫船疵 导师签名： 签字日期：加苦年午月) 二日 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师胡毅副教授的悉心指导和热忱关怀下完成的，在论文的选题、课 题研究、论文撰写、修改的全过程中无不凝聚着导师的心血。导师在科学研究中，民 主、严谨和求实的治学态度，广博精深的学术水平，敏捷的思维，创造性地学术思想， 使学生受益匪浅，终生难忘。她的敬业奉献精神以及在学习上、生活上给予的关心使 作者深受教育和感动。几年来，作者的每一点进步，每一次科研成果均与导师的谆谆 教诲和辛勤培养分不开。在此，谨致以深深的谢意和崇高的敬意。 课题的完成也要特别感谢几位同窗好友这两年来对我学习和生活上的帮助，同 时，对所有曾给予过我帮助和关心的人们，在此一并表示深深的感谢! 家人和亲友给 予最大的关怀、理解和支持。我将在以后的工作和学习中加倍努力来回报他们的厚爱。 作者：宫璐璐 2 0 0 8 4 第一章绪论 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2 0 世纪4 0 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1 9 5 2 年研制成功了世界上第一台三 坐标数控铣床【1 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 了两个阶段、六代的发展。 ( 1 ) 数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 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( n c ) 。随着元器件的发展，这 个阶段历经了三代，即1 9 5 2 年第一代一电子管；1 9 5 9 年第二代一晶体管；1 9 6 5 年第 三代一小规模集成电路【2 1 。 ( 2 ) 计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 现在) 到1 9 7 0 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( c n c ) 阶段。到1 9 7 1 年 美国i n t e l 公司采用大规模集成电路技术第一次将计算机的两个最核心的部件运算 器和控制器，集成在一块芯片上，称之为微处理器，又可称中央处理单元( 简称c p u ) 。 到1 9 7 4 年微处理器被应用于数控系统。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故 仍称为仿计算机数控。到了1 9 9 0 年，个人计算机( p c 机) 的性能已发展到很高的阶 段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机生产批量很大，价格便宜，可 靠性高。数控系统从此进入了基于p c 的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代， 即1 9 7 0 年第四代一小型计算机：1 9 7 4 年第五代一微处理器和1 9 9 0 年第六代一基于 p c 的阶段( 国外称为p c b a s e d ) 【2 1 。数控系统近五十年来经历了两个阶段、六代的 发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格昂贵、应用很不 方便等极为关键的问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和 普及也是在七十年代末八十年代初以后的事情，即数控技术经过近三十年的发展才走 向普及应用。 1 1 2 国外发展现状 近年国外数控技术发展呈如下趋势： ( 1 ) 国际机床市场的消费主流是数控机床 1 9 9 8 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7 0 ， 我国为6 0 。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1 3 】。 ( 2 ) 国外数控机床的网络化 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、集成化已成为 必然的趋势和方向。从另一角度来看，目前流行的e r p 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a n - r - 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。对于面临日益全球化竞争的现代化制造工厂来说，第一是要大大 提高机床的数控化率，即数控机床必须达到一定的数量或比例；第二就是所拥有的数 控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间 及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 以f a n u c 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r s 2 3 2 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。1 9 5 8 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。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。直到1 9 7 0 年，北京第一机床厂的x k 5 0 4 0 型数控升降台铣床才作为商品小批量生产并推向市场，1 9 7 5 年沈阳第一机床厂的 c s k 6 1 6 3 型数控车床面世才使数控机床真正实现商品化。在1 9 7 4 - - - 1 9 7 6 年间，虽然 开发了加工中心、数控镗床、数控磨床和数控钻床，但是由于系统不过关，多数机床 没有在生产中发挥作用1 3 】。 2 0 世纪8 0 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1 0 0 多种数控机床。 尤其是最近1 0 年来，我国已研制了具有自主版权的数控技术平台和数控系统，但绝 大多数全功能的数控机床还是采用国外的c n c 系统。 从数控机床的整体来看，无论是可靠性、精度、生产效率和自动化程度，我国与 世界工业化国家相比还存在不小的差距，但这种差距正在缩小。随着我国国民经济的 发展、企业设备改造和技术更新的深入开展，各行业对数控机床的需求量将大幅度增 加，这将有力促进数控机床的发展。 1 1 4 数控技术的发展趋势 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： ( 1 ) 高速、高效、高精度、高可靠性 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 2 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。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。当前国外数控装置的m t b f 值已达6 0 0 0 小时以上，驱动装置达3 0 0 0 0 小时以上，表现出非常高的可靠性【4 】【5 1 。 ( 2 ) 智能化、网络化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的 智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接 方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、 自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机 界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 数控机床的联网便于远距离操作和监控，也便于远程诊断故障和进行调整。通过 机床联网，不仅有利于在任何一台机床上对其它机床进行编程、操作和设定参数，也 有利于生产厂家对产品监控和维修，还适于在操作人员不宜到现场的环境中工作。 ( 3 ) 开放性、柔性化 开放式数控系统的含义是：数控系统的开发者在一个统一的体系结构下开发自己 的产品，这个统一的体系结构是一个广泛认可并透明的规范。其优点在于：具有广泛 的兼容性，机床使用者可在较大的范围内根据需要配置硬件；同时也可方便地扩充系 统的功能。此外，系统能直接运行第三方软件，充分利用现有的软件来开发出满足自 己要求的数控系统。 数控系统的柔性化包括两方面：第一是数控系统本身的柔性也就是数控系统的模 块化设计，其功能覆盖面大，可裁剪性强，特别是依据用户的不同需求，可方便灵活 的配置和集成；第二方面是群控系统的柔性，为适应制造自动化技术的发展，向f m c ( 柔性制造单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 和c i m s ( 计算机集成制造系统) 提供基础 设各，同一群控系统就能根据不同的生产流程要求，对物料流和信息流进行自动的动 态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能【6 】。 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，并且软件硬件可裁减，适应 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统【7 】。 世界上第一个应用的嵌入式系统可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期的阿波罗导航计 算机a g c ( a p o l l og u i d a n c ec o m p u t e r ) 系统，用来完成阿波罗飞船的导航控制。纵 观嵌入式系统的发展历程大致经历了4 个阶段。 ( 1 ) 无操作系统阶段 3 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，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，一般 没有操作系统的支持，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 1 ：3 。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 ) 简单操作系统阶段 2 0 世纪8 0 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r a m 、r o m 等部件集成到一片v l s i 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。 ( 3 ) 实时操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的数字 信号处理器产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。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，逐渐形成了实时多任务操作系统，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。 ( 4 ) 面向i n t e m e t 阶段 2 1 世纪是网络时代，随着i n t e m e t 的进一步发展，以及i n t e r n e t 技术与信息家电、 工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 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i n t e m e t 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。1 9 9 9 年，根据国外研究机构的统计，嵌入式操作系统全球产值3 6 2 亿美元， 并预计到2 0 0 1 年市场规模将达到3 1 7 亿美元。2 0 0 2 年嵌入式系统带来的工业年产值 已超过了1 万亿美元1 8 】【9 】。嵌入式系统不仅在制造工业、通信、仪器仪表、汽车船舶、 消费类产品等方面上应用广泛，而且在上航空航天、军事装备也得到了广泛的应用【l0 1 。 1 3 课题研究意义及主要工作 1 3 1 课题研究意义 数控系统是现化制造业的核心技术，是衡量一个国家制造业水平的重要标志之 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p c 机作为基础的c n c ，为我国的 c n c 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 4 术发展潮流的机遇。然而，在我国蓬勃发展的基于p c 的数控系统也有着不足之处。 由于p c 的体积限制，基于p c 的数控系统不能够装入体积严格要求的微型或小型系 统内。另外，基于p c 的c n c 往往功能强大，相对一些功能要求单一的简单系统，就 显得有些大材小用，且成本过高，结构复杂，可靠性较低。因此，目前国内中小型的 数控系统多采用8 1 6 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、升级和维护比较困难，并且人 机界面及网络功能不是很完善。而嵌入式系统的蓬勃发展，正好解决了这些问题。嵌 入式系统为数控技术提供了一种灵活方便的，能够嵌入在工业系统内部，在工业极端 环境里能够连续长期稳定可靠工作的微小型廉价的控制系统。目前，嵌入式系统的研 究与应用，已经成为一个新的潮流，也成为中小型机床数控系统的发展趋势。 本课题研究基于嵌入式处理器及网络的开放式嵌入式数控系统，是低成本、高性 能数控系统研究的一种新的尝试。 1 3 2 课题主要内容 本课题的实现主要分为以下几个方面： 1 研究嵌入式数控机床的组成及实现方式，并针对a r m 处理器平台提出数控系 统的整体实现方案。 2 设计基于a r m 处理器的数控系统的硬件，并使系统网络化，具有良好的人机 界面，设计过程中充分考虑到数控系统所应该具备的稳定性、网络化及人机界面的设 计。 3 嵌入式实时操作系统u c o s i i 在a r m 平台上的移植。 4 将数控系统划分为多个独立并行运行的任务并将其添加到u c o s i i 中来实现 数控系统所要完成的功能。 5 采用m c x 3 1 4 a l 运动控制芯片实现系统对运动控制设备的控制。软件系统将 用户编写的指令代码分解转化为m c x 3 1 4 a l 的指令或指令组合，实现系统功能。 5 第二章数控系统总体结构设计 2 1 系统需求分析 本文所要研究的系统是基于嵌入式处理器及网络的开放式嵌入式数控系统，该系 统必须具有功能强大的微处理器，使得嵌入式数控系统能够满足高速运动控制时的高 速运算；运动控制部分须具有良好的性能，可以实现较精确的直线插补、圆弧插补， 能够实现对异常情况的实时处理；同时，系统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简单的加工代码编程；此外，系统还能够支持网络及串口通信， 使得系统可以通过网络或串口与p c 机进行通讯。 由系统需求可知，系统的关键部分就是运动控制部分，为提高系统的性能并减少 研发周期，选用专门的d s p 运动控制芯片m c x 3 1 4 来负责运动控制。同时，选用高 性能的嵌入式a r m 微处理器s t r 7 1 0 来进行管理和调度。 2 2a r m 处理器s t r 7 1 0 目前，嵌入式系统中的所使用的处理器可以分为微控制器( m c u ) 、微处理器 ( m p u ) 、数字信号处理器( d s p ) 和片上系统( s o c ) 。其中采用a r m 技术知识产 权d 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产 品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各类产品市场，基于a r m 技术的 微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器7 0 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步 渗入到我们生活的各个方面【l l 】。 a r m 处理器根据使用内核的不同划分为a r m 7 、a r m 9a r m l 0 和a r m l l 等系 列，除了具有a r m 体系结构的共同特点( 如体积小、低功耗、低成本、高性能、兼容 8 1 6 位器件) 以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中 a r m 7 系列微处理器还具有调试开发方便、支持多种操作系统、主频高、运算处理能 力强等特点，非常适合于工业控制。 本论文中a r m 处理器选用了意法半导体公司生产的s t r 7 1 0 处理芯片。s t r 7 1 0 是一款基于a r m 7 内核的3 2 位r i s c 架构的处理器，最适合用于对价位和功耗要求 较高的消费类应用。它具有如下特点： ( 1 ) 片内带有2 5 6k b 的程序f l a s h 、1 6 k b 的数据f l a s h 和6 4 k b 的r a m ，拥有可以 寻址4 个存储器段的外部存储器接口( e m i ) ： ( 2 ) 1 0 个通信接口( 2 个1 2 c 、4 个高速u a r t 、2 个带缓冲同步串1 2 1b s p i 、1 个c a n 以及1 个1 2m b s 的全速u s b 接口) ； ( 3 ) 多达4 8 个i o 端口： ( 4 ) 1 6 位的看门狗( w t d ) 定时器，4 个1 6 位的定时器且支持p w m 及脉冲计数模式 【1 2 】。 6 2 3m c x 3 1 4 a l 运动控制芯片 m c x 3 1 4 a l 是日本n o v a 电子有限公司研制的d s p 运动控制专用芯片，通过 m c x 31 4 a l 进行运动监控，主要是下达命令，进行运动状态参数的读取或运动参数 的发送。这些命令和参数对应不同地址的寄存器，每个寄存器字宽1 6 位，这些寄存 器共用1 6 个地址，其所有功能都是由这些特定的寄存器控制的，例如命令寄存器、 数据寄存器、状态寄存器和配置寄存器等。其功能方框图如图2 1 所示。 x 轴 i o 信号 y 轴 i o 信号 z 轴 i o 信号 u 轴 i ，o 信号 图2 1m c x 3 1 4 功能方框图 2 3 1m c x 3 1 4 a l 功能分析 m c x 3 1 4 a l 可实现4 轴的运动控制，它以脉冲串形式输出，能对伺服马达和步 进电机驱动器进行位置控制、插补驱动、速度控制等实时监控。其具体功能如下： ( 1 ) 4 轴控制 4 轴控制中的4 个轴都有着相同的功能能力，并且允许至多3 轴联动，对于恒速 驱动、线形或s 曲线驱动都有着相同的操作方法。 ( 2 ) 脉冲输出 7 m c x 3 1 4 a l 不仅可以输出固定的脉冲数，也可以连续不断地输出脉冲。输出脉 冲的模式有两种：一种是脉冲方向电平模式，另一种是正向脉冲负向脉冲模式。 ( 3 ) 恒速控制 恒速控制功能允许在不同的插补轴进行改换时保持运动速度不变。在插补驱动 中，m c x 3 1 4 a l 可以将2 轴同步脉冲输出设置为1 4 4 倍脉冲周期，而将3 轴同步脉 冲输出设置为1 7 3 2 倍脉冲周期。 ( 4 ) 速度控制 m c x 31 4 a l 可以以较小的误差合成在其频率范围内的任何频率。每根单独的轴 还可以被独立的预置为s 曲线或梯形加减速。使用s 曲线加减速命令可以使输出脉 冲按抛物线规律进行a n 减速。除此之外，m c x 3 1 4 a l 还有一套特殊的方法来防止当 使用s 曲线命令时产生三角形曲线情况的发生。对于恒速驱动、梯形或s 曲线n 减 速驱动，输出脉冲的频率范围从1 h z 到4 m h z ，而输出脉冲频率的精度( 在时钟频率为 1 6 m h z 时) 小于o 1 。驱动脉冲输出的速度可以在不运行的时候自由改变。 ( 5 ) 位置控制 每个轴都有1 个3 2 位的逻辑位置计数器和1 个3 2 位的实际位置计数器。逻辑位 置计数器记录输出的位置脉冲，而实际位置计数器则记录从外部编码器或者线性比例 尺输入的反馈脉冲。 ( 6 ) 比较寄存器和软件限位 每个轴都有2 个3 2 位比较寄存器，用于逻辑位置计数器与实际位置计数器的位 置大小比较。比较结果可从状态寄存器读出，也可通过中断报出。这些寄存器也可被 用来实现软件限位。 ( 7 ) 直线插补 运用m c x 3 1 4 a l 的直线插补，任意选择的2 轴或3 轴都可以实现线性运动。运 动位置边界的坐标界于一8 3 8 8 6 0 8 + 8 3 8 8 6 0 7 之间，同时线性误差为0 5 最小插补单 位。插补频率范围为1 h z - 4 m h z 。 ( 8 ) 圆弧插补 任意选择2 轴都能实现圆弧插补。其边界坐标界于一8 3 8 8 6 0 8 - + 8 3 8 8 6 0 7 之间，同 时圆弧误差为1 o 最小插补单位。插补频率范围为1 h z - 4 m h z 。 ( 9 ) 位模式插补 对任意选择的2 轴或3 轴，m c x 3 1 4 a l 可以实现位模式插补。这种插补的数据 由上位机进行运算。上位机将插补结果写入m c x 3 1 4 a l ，然后m c x 3 1 4 a l 在预置的 驱动速度下连续输出插补脉冲。这样，通过使用这种模式，m c x 3 1 4 a l 可以实现各 种形状的曲线进行插补。 ( 1 0 ) 连续插补 m c x 3 1 4 a l 允许不同的插补方式连续使用，例如直线插补一圆弧插补一直线插 补不间断的连续插补时允许的最大速度为2 m p p s 。 ( 1 1 ) 单步插补 m c x 3 1 4 a l 还可以在单步插补情况下输出脉冲，即当所有参数设定完成之后， 一旦上位机写入1 次单步指令，或者外部输入1 个下降沿信号，m c x 31 4 a l 将输出1 个脉冲。 ( 1 2 ) 中断信号 中断信号可以由几种不同的情况产生，例如：恒速的开始结束、移动的结束以及 由比较寄存器触发等等。在插补运动过程中也可以产生中断信号。 ( 1 3 ) 由外部信号驱动 每个轴的脉冲输出也可以是外部信号驱动的。选择定长脉冲驱动或是连续脉冲驱 动由外部管脚控制。这个功能可用于低速运行，以减轻c p u 的负载。 ( 1 4 ) 输入输出信号 除急停信号、硬件限位信号以外，每个轴都有4 个输入信号来实现减速和制动。 这些输入信号可以在机械原点附近以及在回零过程中对编码器零信号执行高速查询。 每个轴另有8 个通用输出点。 ( 1 5 ) 伺服电机反馈信号 每一个轴都包括输入连接管脚。这些管脚用来接收在闭环位置控制中所需要的两 相编码信号、伺服报警信号以及到位信号。 ( 1 6 ) 实时监控 在驱动操作的任何一个状态，命令指定的位置、实际位置、驱动速度、a n 减速等 状态都可以被读出。 ( 1 7 ) 可用8 位或1 6 位数据总线 m c x 3 1 4 a l 可以与8 位或1 6 位c p u 相连。使用不同的设置，进行8 位或1 6 位 数据操俐13 1 。 2 3 1m c x 3 1 4 a l 的寄存器 与m c x 3 1 4 a l 的数据交换，主要通过以w r 开头的8 个写寄存器和以r r 开头 的8 个读寄存器，其中数字相同的寄存器有相同的映射地址。 ( 1 ) 命令寄存器w r 0 m c x 3 1 4 a l 中各轴的这个寄存器主要用来设定命令，包括用于轴设定、命令字 以及复位命令的各位。在向此寄存器写入轴设定字和命令字后，它将立即执行。某些 命令在写入w r 0 之前，应先写入w r 6 和w r 7 。 ( 2 ) 模式寄存器w r l 、w r 2 和w r 3 4 轴都有各自的状态寄存器。哪个寄存器被写，取决于由n o p 指令的指定或写前 的情况。w r l 可以控制输入信号与中断信号的使能，并用于设定减速状态和比较结 果寄存器；w r 2 被用于设定外部限位开关输入、反馈计数器脉冲类型以及伺服驱动 的反馈信号：w r 3 可用于操作手动减速、单独减速、s 曲线a n 减速、外部操作模式 设定和通用输出的设定。 9 ( 3 ) 输出寄存器w r 4 该寄存器用于设定各轴的通用输出信号。 ( 4 ) 插补模式寄存器w r 5 该寄存器被用于指定插补轴，包括直线定速模式、单步插补输出模式和中断请求。 ( 5 ) 数据寄存器w r 6 、w r 7 数据寄存器w r 6 、w r 7 在操作与数据相关的命令时使用。在将命令字写入w r 0 之前，应先将数据写入w r 6 和w r 7 。w r 6 用来存放数据的低字，w r 7 用来存放数 据的高字。 ( 6 ) 主状态寄存器r r 0 该寄存器用来显示各轴驱动与错误的状态。此外，它还显示了插补、连续插补的 就绪信号、圆弧插补的象限和b p 插补的栈计数。 ( 7 ) 状态寄存器r r l 、r r 2 和r r 3 每个轴都有状态寄存器r r l 、r r 2 和r r 3 。哪个状态寄存器被读取，决定于写 入m c x 3 1 4 a l 的命令。它主要显示各轴的运动状态和限位信号状态；r r 2 主要显示 各轴出错的原因；r r 3 主要显示中断的来源。 ( 8 ) 输入寄存器r r 4 、r r 5 r r 4 和r r 5 为通用输入寄存器。 ( 9 ) 数据寄存器r r 6 、r r 7 r r 6 和r r 7 是数据寄存器并对应于相应的数据读取命令。r r 6 存放低字，r r 7 存放高字。 特殊地，在使用位模式插补的时候，w r 2 ，wr 3 ，w r 4 ，wr 5 ，w1 6 ，wr 7 ，以及r r 2 ， r r 3 ，r r 4 ，r r 5 ，r r 6 ，r r 7 将作为专用于位模式插补的数据寄存器不再实现原来的功 8 邑t 1 3 。 2 4 嵌入式数控系统的总体设计 该嵌入式数控系统的总体结构模式如图2 2 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a r m 处理器硬件构架和运动控制芯片组成，a r m 处理器 用来管理调度，而运动控制芯片用于完成复杂的运动控制，大大减少了开发的工作量， 并且能得到更优秀的性能。嵌入式数控系统的o s 层采用了源代码公开的嵌入式实时 操作系统u c o s i i ，u c o s i i 是一款功能可根据需要裁减，采用可剥夺性实时内核的 多任务操作系统。采用u c o s i i 使得嵌入式数控系统的控制软件变得简单起来，并且 使系统具有多任务处理能力及良好的实时性。操作系统层包括了内存管理、任务管理、 设各管理、运动控制芯片接口、通讯接口等。在最上层是数控系统匹配软件，主要包 括各种运动控制函数。 1 0 数控系统匹配软件i 软件层 系统调用接口 o s 层 运动控制芯片 内存管理任务管理设备管理通讯接口 接口 运动控制芯片 硬件层 a r m 处理嚣硬件构架 图2 2 系统总体结构模式图 第三章数控系统硬件平台设计 3 1 数控系统的硬件总体结构设计 系统的控制核心电路为a r m 基本系统，由电源电路、通信电路、液晶显示电路、 键盘电路、主轴控制电路及与运动控制芯片的接口电路等组成。在这种结构中，所有 的数控功能和管理功能，诸如数控加工程序的输入、数据预处理、数据输入输出、人 机交互处理和诊断等都由微处理器来完成。而运动控制芯片m c x 31 4 则是通过a r m 对其命令、数据和状态寄存器的读写来实现运动控制和实时监控，系统硬件总体结构 框图如图3 1 所示。 c a n l 毽2 3 2 液晶 按键 ，- 翱 光 运动控制芯片 o卜 隔 步 ( m c x 3 1 4 ) 、 离 l _ 一 a r m ( s t r 7 1 0 ) _ 卜 一 1 。 厂= = = ： 变频器 叫交流电机厂叫主釉控制 图3 - l 数控系统的硬件总体结构框图 3 2 数控系统的硬件设计 3 2 1 电源及时钟模块设计 电源为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。系统 中所用的m c x 3 1 4 a l 及s t r 7 1 0 都需要外部3 3 v 电源供电，而s t r 7 1 0 中1 8 v 的内 核逻辑供电电压是由两个内部电源稳压器( 主电源稳压器和低功耗电源稳压器) 产生。 另外，系统中用到的放大器均是1 2 v 供电，因此须将5 v 分别转化为3 3 v 及1 2 v 。 l t l 0 8 6 是l i n e a rt e c h n o l o g y 公司生产的线性稳压电源芯片，可完成5 v 到3 3 v 的转 化，输出电流可达1 5 a t l 4 】。m a x 7 4 3 是m a x i m 公司近年推出的d c d c 转换器集成 电路，它包含了所有构成小型、双路输出电路所需的电路。m a x 7 4 3 可将4 5 v 5 5 v 的电压转换成1 2 v 或1 5 v 电压，并可相应提供1 2 5 m a 或1 0 0 m a 的电流【l 5 1 。 其电平转化电路如图3 2 所示。 ( a ) 1 2 v d d v c c ( b ) 图3 2 电源电路 ( a ) 十5 v 转接为+ 3 v 电路图( b ) + 5 v 转接为1 2 v 电路图 系统使用2 个晶振，如图3 3 所示，其中1 6 m 的有源晶振信号作为s t r 芯片及 m c x 3 1 4 a l 的主时钟，3 2 k 的振荡器用于提供s t r 芯片的实时时钟信号。 u 1o s c1 6 mv d d ( a ) ( b ) 图3 3 时钟电路 ( a ) 1 6 m 时钟电路( b ) 3 2 k 时钟电路 3 2 2 复位电路模块设计 微控制器在上电时状态不确定，会造成微控制器不能正确的工作。为解决这个问 题，所有的微控制器都需要有一个复位信号，它负责将控制器初始化为某个确定的状 态。一些微控制器自己上电时会产生复位信号，但是多数控制器需要外部输入这个信 号，因此它的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。简单的阻容复位电 路成本比较低，但它不能保证任何情况产生稳定可靠的复位信号，由于a r m 和d s p 芯片的高速、低功耗、低电压导致噪声容限低，对电源的纹波、瞬态相应性能、时钟 源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本系统复位电路使用 了专用芯片s t m 8 1 1 ，在电源上电、掉电以及监控系统电源电压的变化时，产生可靠 的电源复位信号，提高了系统的可靠性。当按下复