（机械电子工程专业论文）基于arm的机构运动综合实验仪的研制.pdf

基于a i 蝴的机构运动综合实验仪的研制 摘要 各种新技术的引入促进了仪器仪表领域的大力发展，但是其中的一个重要 分支一科教仪器领域，由于诸多因素的限制，许多教学实验仪器还没有能跟上 时代的节奏。本文即是在这样的背景下，利用与企业合作项目的机会，研制了 一款高性价比的新型机构运动综合实验仪，以探索最新的嵌入式技术在科教仪 器中的应用前景。 通过大量的资料查询以及对同类产品进行性能分析的基础上，本文提出了 利用a r m 芯片替代5 1 芯片，使用液晶显示替代传统的数码管显示，来开发新 型机构运动实验仪的设计思路，从而大大提高了产品的性价比，对同类产品的 开发具有理论意义和实际意义。 根据机构实验仪的结构原理，提出了实验仪控制器的设计要求，并对其软 硬件开发平台进行了选型。最终方案选用了p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 0 芯片以 及源代码公开的j t c o s i i 实时操作系统，并完成了实验仪控制器系统总体方案 设计。 在硬件系统设计中，按照a r m 芯片的特点设计了各个功能模块，完成了 各模块的硬件电路设计和制作。在软件系统设计中，依据g c o s i i 提供的系统 服务进行了软件任务的划分，采用基于消息处理的机制设计了各个软件功能模 块，完成了系统软件的开发。在控制器的核心模块一一数据采集处理部分，完 成了原理方案设计、硬件配置、软件开发、综合调试。 在系统的核心传感器件一光电编码器的使用中，采用了软件鉴相和软件消 抖相结合的办法，降低了硬件成本并简化了电路调试。在液晶显示编程中，使 用在数据结构中包含函数指针的方法，大大提高了液晶显示模块的集成度。 最后进行了机构运动综合实验仪的测试，验证了实验仪的各项功能指标达 到了设计要求，证明了控制器方案的可行性和实用性。 关键词：机构运动综合实验仪实验仪控制器 a r m g c o s - i i光电编码器 液晶显示 t h e d e v e l o p m e n to fm e c h a n i s m m o t i o ne x p e r i m e n t a li n s t r u m e n tb a s e do na r m a b s t r a c t t h ei n t r o d u c t i o no fv a r i o u sn e wt e c h n o l o g ya d v a n c e st h ed e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t s a n dm e t e r s f i e l d ，b u to n eo ft h em a i nb r a n c h e s t e a c h i n gi n s t r u m e n t sl a gb e h i n dt h et e m p o o fc u r r e n ts o c i e t yd u et ot h el i m i t a t i o nf r o mm a n y s i d e s a l o n gw i t hs u c hab a c k g r o u n d ，b y t h ec o o p e r a t i o np r o j e c tw i t h c o m p a n i e s ，t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h ed e v e l o p m e n to fo n e m o d e r nm e c h a n i s m - m o t i o ne x p e r i m e n t a li n s t r u m e n tw i t hh i g l lp e r f o r m a n c e - p r i c e r a t i o ，t o d i s c o v e rt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fu s i n gl a t e s te m b e d d e dt e c h n o l o g yi nt h et e a c h i n g i n s t r u m e n t s f i e l d b a s e do nt h ei n q u i r ya b o u ta b u n d a n tm a t e r i a l sa n dt h ea n a l y s i sa r o u n dt h ep r o d u c t p e r f o r m a n c eo fs a m ek i n d s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h en e ws c h e m eo fd e v e l o p i n gam o d e r n m e c h a n i s me x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t ，b yu s i n ga r m - s e r i a lc h i pt or e p l a c et h e51 - s e r i a lc h i p a n dt h e l c d - d i s p l a y m e t h o dt o l e d - d i s p l a y m e t h o d t h i s p r o m o t e s t h e p e r f o r m a n c e p r i c e r a t i oo fp r o d u c tg r e a t l y ，a n dc o n t r i b u t e st op r o d u c t s d e v e l o p m e n to f s a m ek i n dw i t ht h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h em e c h a n i s mi n s t r u m e n t ，t h i sp a p e r p r o d u c e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa b o u tt h ei n s t r u m e n t sc o n t r o l l e ra n dc h o o s e st h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m a n dt h e nt h i sp a p e rf i n i s ht h eg e n e r a l s c h e m ed e s i g n i n g ，b yu s i n gl p c 2 210 c h i pf r o mp h i l i p sa n dt h er e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e m ( r t o s ) - - - i t c o s u i nt h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，t h i sp a p e rf i n i s h e dt h ed e s i g no f e a c hf u n c t i o nm o d u l e a c c o r d i n gt ot h ea r mc h i pc h a r a c t e r s ，a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h ep c bm a k i n g a sw e l l a sf o rs o f t w a r ep a r t ，t h i sp a p e rd i v i d e st h ea p p l i c a t i o ni n t om a n yt a s k sb a s e do nt h e s y s t e ms e r v i c ef r o mr t o s ，a n du s et h em e s s a g e h a n d l i n gm e t h o dt oc o m p l e t ed e s i g n i n g e a c hs o f t w a r em o d u l e i nt h ek e r n e lp a r to ft h ei n s t r u m e n tc o n t r o l l e r 一d a t as a m p l i n ga n d p r o c e s s i n gm o d u l e ，t h i sp a p e rc o m p l e t et h es c h e m ed e s i g n i n g ，t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ， t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dt h es y n t h e s i sd e b u g g i n g w h e nu s i n gt h es y s t e mk e m e ls e n s o r - - - - - c o d e r , t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e t h o do f d i r e c t i o n - i d e n t i f y i n ga n dn o i s e p r e v e n t i o nb a s e do ns o f t w a r es e t t l e m e n t t h i sw a yg r e a t l y d e c r e a s e st h ec o s to fh a r d w a r ea n dt h ec o m p l i c a t i o ni nt h ec i r c u i td e b u g g i n gp r o c e s s w h e n p r o g r a m m i n gf o r t h el c d - d i s p l a ym o d u l e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em e t h o do f i n t e g r a t i n gf u n c t i o np o i n t e r si n t od a t as t r u c t u r e ，w h i c hi n c r e a s e st h ei n t e g r i t yo ft h ed i s p l a y s o f t w a r em o d u l e i i a tt h ee n dt h er e a lt e s to nt h em e c h a n i s mm o t i o ne x p e r i m e n t a li n s t r u m e n ti sc a r r i e d o u t 。t h et e s tr e s u l tp r o v e st h ep r a c t i c a l i t ya n df e a s i b i l i t yo fc o n t r o l l e r ss c h e m ea n ds h o w s t h a tt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n ti sa c h i e v e d k e yw o r d s ： m e c h a n i s mm o t i o ne x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t ；e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t c o n t r o l l e r ；a r m ； t c o s - l l ；p h o t o e l e c t r i cc o d e r ；l c dd i s p l a y i i i 插图清单 图2 1机构运动综合实验仪设备组成6 图2 2 实验仪三种机构示意图7 图2 3同步脉冲发生原理7 图3 1l p c 2 2 1 0 最小系统外围电路1 3 图3 2 键盘阵列接口1 5 图3 3 液晶模块及蜂鸣器接口1 6 图3 4 网络接口电路1 9 图3 5u s b 接口电路小2 1 图3 - 6串口通信接口2 2 图3 7 直流电机控制电路2 2 图3 8 数字式可控硅整流各部分波形2 3 图4 1 i t c o s 1 1 的任务状态2 6 图4 2 消息处理机制2 9 图4 3 液晶显示分区2 9 图4 4 显示编程的数据结构3 0 图4 5 人机接口的软件流程3 1 图4 6 实验仪中的t c p i p 协议3 2 图4 7 网络接口软件流程3 3 图4 8u s b 描述符的层次3 4 图4 9c h 3 7 5 模块读u 盘的层次结构3 5 图4 1 0u s b 接口软件流程3 5 图4 1 1利用p w m 脉冲触发可控硅原理3 6 图4 1 2电机控制接口软件流程3 7 图4 1 3 主控程序流程及消息管理器3 8 图4 1 4 实验仪软件系统整体架构3 9 图5 1同步脉冲信号调理电路4 0 图5 2 信号调理电路各部分波形。4 1 图5 3 计数器8 2 5 4 接口电路4 2 图5 - 4 速度检测中断流程4 3 图5 5 速度检测任务流程4 4 图5 - 6 编码器信号处理方案4 7 图5 7 编码器输出信号隔离电路4 7 图5 8 编码器信号锁相倍频环节4 8 图5 - 9 编码器a 、b 信号的相位关系4 9 图5 1 0 辨向环节原理流程5 0 图5 1 1 抖动干扰输出的表现5 0 图5 12 消抖环节原理流程5 2 图5 1 3 带抖动干扰的输出信号5 3 图5 1 4 位移采集任务流程5 4 图5 1 5 位移采集中的三个中断流程5 5 v i i 图5 1 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 。6 数据采集模块的整体架构5 6 机构运动综合实验仪实物图5 7 曲柄滑块机构实测莹线( 实物照片) 。5 8 曲柄导杆滑块机构实测曲线( 实物照片) 5 9 凸轮机构实测曲线( 实物照片) 5 9 重复测试时的运动线图( 实物照片) 6 0 计算机端显示的运动线图一6 l v i i i 表格清单 表3 1 l p c 2 2 1 0i o 口和地址资源分配2 4 表4 1 任务及中断优先级分配2 8 表5 1 编码器正反转状态变化。4 9 表6 1 计算机端接收的数据点6 1 i x 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， 也不包含为获得盒目巴王些盔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r t 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。 靴做储鹳咏妁糊 形i 谚y 一儿vl 辩醐：矸j 矿矿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月巴王些态堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目曼- 工些太 兰l 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) 学位论文作者签名： 弓妖永娩 导师签名 签字醐：叼年矽彳日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 粘c ，氏 签字日期川7 训月矿日 电话： 邮编： 致谢 本文是在我尊敬的导师一一朱家诚教授的悉心指导下完成的。在此论文完 成之际，对他在我的研究生学习阶段给予的学习和生活上的关心和帮助表示最 衷心的感谢。朱老师严谨求实的作风、渊博开阔的学识使我受益匪浅，为学生 树立了为人、治学和处事的榜样。朱老师对我论文撰写工作自始至终都倾注了 大量的心血，对我论文的选题、修改直至定稿都给予了精心的指导。谨向导师 表示最诚挚的谢意。 感谢机械原理及零件教研室的周美立教授、董玉革教授、汪进副教授、吴 天星副教授、田杰副教授、王纯贤副教授、王勇副教授以及陈奇老师，感谢他 们在学术上给予的指导和帮助! 感谢教研室其他老师在我读研期间给予的诸多 帮助。 感谢师兄王炎欢、靳习永、黄士伟、顾新春，师弟李方、储颖、高振刚对 我的帮助。感谢教研室的徐志山、苏学满、吴杰、娄银庭、方俊芳、陈家超等 同学给予的帮助! 最后，深深感谢我的父母和家人，感谢所有支持和帮助过我的亲人、同学 和朋友们! i v 张永松 2 0 0 7 年1 2 月 1 1 引言 第一章绪论 仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参 数等的器具或设备，它是人们认识世界的工具。在十七、十八世纪，由于温度 计的发明和实用温标的确立，才使温度的概念具有了更加准确的科学涵义，成 为可以测量和定量计算的基本物理量。在十九世纪，由于电流测量仪表的发明， 才使电学与磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个的重大发现，奠定了 近代电学的基础 。在某种意义上，正是由于测量，人类开始新知识的获取和 新理论的探索。 当今社会的各个领域都有仪器仪表应用的例子，无论从生产制造到科学研 究，再到人们的日常生活，仪器仪表无处不在。技术的发展和科学的进步促进 了仪器仪表产业的飞速发展，同时仪表测量学科的发展也带动了整个科技的进 步，可以说这二者是相辅相承地共同推动着社会经济的发展。目前，仪器仪表 产业的发展极为迅速。国际上，以科学仪器中的分析仪器为例，世界分析仪器 市场的销售总额在2 0 0 0 年为2 5 6 亿美元，至u 2 0 0 2 年已经增长n 3 1 6 亿美元，其年 增长1 1 以上，是全球经济增长速度的3 4 倍【2 】。从国内的情形来看，2 0 0 6 年仪 器仪表及文化办公机械行业实现销售收入3 4 4 0 亿元，同比增长2 4 4 9 ，占整个 机械行业同期收入的6 左右；全行业实现利润总额约为2 0 0 亿元，同比增长 3 1 4 2 。预计在未来3 5 年内国内仪器仪表行业的增速将保持2 0 以上。 与此同时，作为仪器仪表行业中科学仪器的一个重要分支一科教仪器，在 世界范围内作为一个新兴产业群正在迅速发展。国际上比较知名的如德国的 f e s t 0 公司和哈芙伦有限公司，国内做的较好的像清华科仪、浙江天煌教仪、 浙江中控教仪、南京日上自动化等公司，都是以赢利为目的的比较专业的教学 仪器生产企业。随着我国高等教育事业的不断发展，国家对教育投资逐渐加大， 高校办学规模也不断扩大。作为高校三大支柱之一的高校实验室，也面临巨大 的高质量、高技术的现代科教仪器的空缺，同时也需要开展对大面积的老旧设 备的更新换代。在这种形势下，各种新型、高性价比的教学仪器的研制和开发 都有着巨大的需求和发展空间。 1 2 仪器仪表技术的发展现状 随着仪器仪表在各方面的应用越来越广，涉及的领域越来越多，人们对其 使用的要求也在不断的提高。伴随着各种新兴技术( 如嵌入式技术和网络技术 等) 的快速发展，当前仪器仪表的总体趋势是向着计算机化、网络化、智能化、 多功能化的现代仪器仪表的方向发展。同时跨学科的综合设计、高精尖的制造 技术使它能够更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对 象的全方位信息。近几年来，整个仪器仪表技术的发展具有以下三个特点： ( 1 ) 大量的新技术、新理论被应用，许多最新的科技成果被采用。 科学技术与仪器仪表的发展必然是相辅相承，共同促进的。在仪器仪 表促进科学技术发展的同时，科学技术也被用于改造仪器仪表提升其 性能。一些新的科学研究成果和发现，如信息论、控制论、系统工程 理论被用于现代仪器仪表的开发制造；微观和宏观世界研究成果及大 量高新技术，如微弱信号提取技术、计算机软硬件技术、网络技术、 激光技术、超导技术、纳米技术等均成为仪器仪表和测量控制技术发 展的重要动力，使其得到了迅猛发展。 ( 2 ) 仪器仪表的技术指标得到不断提高。 大量新材料新工艺的使用，各种新型传感器的引入以及数字处理技术 的广泛应用，使得现代仪器仪表在测量精度、测量范围、响应速度、 可靠性和稳定性等方面，比传统的仪器仪表提高了好几个数量级。如 在测量精度上，工业参数测量精度提高n o 0 2 。在测量范围上，电阻 的测量可以从超导到10 h q ，温度的测量可以从绝对零度到1 0 ，电 压的测量可以从1 0 - 9 v n l 0 。v ，频率的测量最高可达1 0 h z 。同时现代 仪表的测量速度( 响应速度) 也越来越快，一般可达微秒级；其可靠 性一般都在2 万5 万小时以上；稳定性最高能达到仪器的年变精度 0 0 5 以内。 ( 3 ) 仪器仪表的智能化、微型化、网络化和虚拟化。 由于嵌入式技术和各种数字信号处理技术在仪器仪表中的大量应用， 出现了具有理解、分析、判断和控制等多种功能的智能化仪器。而微 电子技术和纳米技术的发展使得仪器仪表不断微型化。微型化不仅是 尺寸上的缩小，更体现在其功能上的相对增加，如可以在一个微型器 件上集成传感、检测、信号处理和执行等众多功能。同时由于测量设 备自动化程度的提高，以及现场总线和网络数据传输等技术的发展， 多台仪器联网应用变得越来越普遍。通过i n t e r n e t 网，仪器用户之间可 异地交换信息，厂商能够直接与异地用户进行交流，能及时完成诸如 仪器故障诊断、指导用户进行维修和软件升级等工作。近年来出现的 虚拟仪器技术是计算机技术和网络技术发展的产物，在“软件即仪器” 的概念下，可以通过计算机软件来实现原本仪器所具备的测试功能。 这种虚拟仪器在使用上具有很大的灵活性，同时与计算机结合使其具 备了强大的分析功能。 自7 0 年代初期微处理器问世后，就被引入了电子测量和仪器仪表领域。其 相关技术的大力发展，推动仪器仪表从传统的模拟电子仪器阶段发展到比较先 进的数字电子仪器阶段，一直到近几年出现的智能仪器和虚拟仪器阶段。因此， 可以认为微电子技术及计算机技术是推动仪器仪表发展的最大动力之一。而集 微电子与计算机技术于一体的嵌入式技术，近年来也正在被广泛地应用于仪器 仪表、机电一体化及其它消费品领域。从这方面来讲，研究嵌入式技术在科学 仪器中的应用是非常有实用价值的。本文要阐述的内容就是基于当前最热门的 嵌入式技术来开发一款高性价比的机构运动综合实验仪的控制器。 1 3 课题研究的内容与意义 科教仪器是科学仪器种类的一个重要分支，它是高校实验教学中老师和学 生之间进行信息传递的桥梁。科教仪器与其它仪器仪表一样，也随着各种新兴 技术的进步在不断的革新，向着数字化、多功能化、智能化和网络化的方向发 展。 目前，在国内高校的机械基础类教学实践中，虽然各种机电一体化技术课 程与相关教仪早已进入大学课堂，但大多数教学仪器还没能跟上技术发展的节 奏，有的设备甚至在操作和使用上还停留在纯机械阶段。这些老化的教仪，不 但操作繁琐，而且，更重要的是与现实脱节。教育的目的是传承和发展技术， 而技术就要反过来促进教育的有效进行。一个先进的教学仪器不但能使学生轻 松、形象、高效地完成实验，理解和掌握相关的知识，而且可以通过仪器设备 了解到工程领域的最新技术。造成目前高校实验室设备陈旧、数字化建设力度 不足的原因之一便是经费的不足。因此研究开发性价比较高，同时又能跟得上 技术发展的实验仪器就具有非常明显的意义。本论文以此为切入点，以机构运 动综合实验仪为载体，介绍了当前最热门的嵌入式技术；并以之为平台，设计 开发一款成本低、性能高的实验仪控制器，使其具有初步的自动化、智能化和 网络化的特点，达到一个现代实验仪器应该具备的要求。 目前市场上的机构运动综合实验仪( 又称为曲柄滑块、导杆、凸轮实验仪) ， 大多数是基于低端的8 位单片机来开发的，实验数据的输出多使用数码管( l e d ) 来显示。如果要显示相关曲线或保存实验数据，必须连接外部计算机。其中多 数的产品是采用了传统的r s 2 3 2 串行口通信方式，这样一台实验仪就需要一台 计算机，使单台实验设备的成本大大提高。本课题就是针对以上的缺陷，结合 最新的嵌入式相关技术，对实验仪的核心一控制器进行了方案上的改进和功能 上的扩展。 ( 1 ) 首先使用了目前市场上最流行的、高性能、多功能的3 2 位a r m 7 处 理器作为主控芯片，对原始的8 位机系统进行了改进，并在其上采 用实时操作系统g c o s i i 来开发应用程序。这样构建的嵌入式系统 无论是在系统的性能、功能还是健壮性上，都比原始系统大大提高： 更为重要的是系统以后的更新升级会非常方便，具有很大的开放 性。 ( 2 ) 利用了大屏幕的液晶图形显示器替代了原先的l e d 数码管显示装 置。这样组成的实验仪单体就具备了同时显示实验数据和实验曲线 的功能，不再过分依赖于外部的计算机的支持。同时设计了一个基 于菜单和操作提示的友好人机界面，让使用者可以短时间内懂得实 验仪的操作，而不必花太多的时间去阅读旧式实验仪的繁琐的说明 书，只是集中主要精力在做实验本身上面。 ( 3 ) 在实验仪控制器中集成了网络通信模块，使得多台实验仪器可以同 时连入局域网内，然后与一台主计算机相连接构成实验仪器的局域 网络，便于实验室的管理。同时考虑到无网络环境下的使用情形， 配备了u s b 接口，以实现实验数据往普通u 盘的传递保存。 从成本角度考虑，目前市场上的3 2 位a r m 内核的芯片其价格已接近5 1 系列 单片机；而且a r m 芯片在机电一体化产品和仪器仪表中的应用已经越来越广 泛，逐渐成为一种嵌入式应用的潮流，因此用a r m 芯片作为主控制器来进行开 发设计具有很高的实际价值和潜在价值。此外，基于3 2 位a r m 核的芯片在硬件 性能和资源上都远远超过了普通51 核的芯片，因此在设计液晶显示、以太网等 接口时，就会比5 1 系统节约一定的外围复杂电路的成本。如果使用带有液晶显 示界面的控制器，就可以使单体实验仪完成旧式实验仪必须配备一台计算机后 才能完成的任务，所以其性价比相对较高。开发应用程序时基于了g c o s i i 操 作系统，使软硬件资源的管理更有层次性，便于了系统将来的升级，这些都是 其潜在的实用价值。所以利用目前热门的嵌入式技术来开发新型的实验仪控制 器是很有实际意义的。 1 4 课题来源 本课题来源于与企业合作项目“智能型机构运动综合实验仪的研制 中的 核心部分一控制器的设计。 1 5 论文结构安排 本论文共分为七章： 第一章绪论部分介绍了当前仪器仪表的发展趋势，结合目前市场上同类产 品的的实际使用情况，提出了一种新型实验仪控制器的设计思想。 第二章基于实验仪的结构和原理，对控制器的开发平台进行了选型，然后 对控制器总体设计方案作出了规划。 第三章基于a r m 芯片一l p c 2 2 1 0 ，对实验仪控制器的硬件系统设计进行了 4 详细的阐述。 第四章结合实时操作系统g c o s i i 的特点，对控制器软件系统的实现进行 了讨论。 第五章对实验仪控制器的核心一数据采集模块的软硬件实现进行了详细的 论述。 第六章通过实际的运转测试，检验机构运动综合实验仪及控制器的相关性 能。 第七章对所做工作的总结和将来的一些展望。 第二章实验仪控制器总体方案设计 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，但是到目前业内还没有一个公认权 威的定义。一个比较合理的定义是：嵌入式系统是完成复杂功能的硬件和软件， 并使其紧密耦合在一起的计算机系统【3 】。通常嵌入式系统是更大系统中的一个 完整部分，被“嵌入到”应用环境和目标系统中实现相应功能。本课题中要设 计的实验仪控制器，是机构运动综合实验仪的核心部分。该控制器就是以计算 机控制技术为基础，完全服务于机构运动综合实验仪这个大系统，并实现一系 列复杂控制功能的软硬件集成的子系统。从这种意义上讲，也可以称之为实验 仪的嵌入式控制器。 2 1 实验仪简介及控制器设计要求 机构运动综合实验仪是集成曲柄滑块机构、曲柄导杆滑块机构和凸轮机构 为一体的运动参数测试实验设备。如图2 1 所示，该实验系统主要由以下设备组 成：组合运动机构，光电脉冲编码器，同步脉冲编码器( 或角度传感器) ，直 流电动机，实验仪控制器和可选的外部设备( 如p c 机等) 【4 1 。 叫光电脉冲编码器b 组合试验 运动叫同步脉冲发生器卜仪控 外部 机构制器 设备 叫直流电动机卜 图2 - 1 机构运动综合实验仪设备组成 其中的组合运动机构包含曲柄滑块、曲柄导杆滑块和凸轮这三种典型的机 械运动机构。每次实验时只需做一些简单的零部件改装，即可轻易实现三种机 构之间的互换。分别配备这三种机构时，实验仪的对应结构如图2 2 所示。 6 ( a ) 曲柄滑块机构 ：1 同步脉冲发生器 2 蜗轮减速器 3 曲柄 4 连杆 5 直流电机 6 滑块( 带齿条) 7 齿轮 8 光电脉冲编码器 9 导杆 1 0 导块 1 1 凸轮 1 2 顶杆 1 3 弹簧 图2 - 2实验仪三种机构不意图 实验过程中由直流电机提供原动力，经过蜗轮减速器减速后带动机构的原 动件( 曲柄或凸轮) 转动，进而推动滑块在滑道中作往复式直线运动。在滑块 上附有齿条，而齿轮与编码器同轴联接，通过此齿轮齿条机构即可将滑块的直 线位移反映成编码器的转角输出信号，再由实验仪控制器进行采样。同步脉冲 发生器主要由两个槽式光电开关与一个分度盘构成，其结构示意如图2 3 。 n 几几 个脉冲圈 构l l i l i i i 一- j 图2 - 3同步脉冲发生原理 在分度盘的边缘刻有18 0 个短格子和1 个长格子，当槽式光电开关的光路畅 通时输出高电平，被分度盘挡住时输出低电平。这样机构原动件每转一圈便有 两路同步信号输出：一路是18 0 个脉冲，另外一路是1 个脉冲；这两路同步脉冲 信号也由控制器加以采样。最后由控制器处理所采集的转角和位移数据，描绘 出滑块相对于原动件的位移转角、速度转角和加速度转角曲线；同时这也是 利用此实验仪作实验的主要目的。 根据上面对实验仪结构和原理的介绍，考虑现代仪器仪表技术的发展以及 目前市场上同类产品的功能不足，对本课题中要设计的控制器提出以下要求： ( 1 ) 控制器必须能准确地采集和处理相关数据，包括原动件( 如曲柄) 的速度和滑块的位移，从而最终得出实际的机构运动曲线来和理论 7 导 曲线相比较。 ( 2 ) 控制器应该有友好的人机交互界面，满足和方便使用者的操作需 求。这也是一个现代实验仪器必须做到的。 ( 3 ) 本实验仪的机构装置是组合式的，只需经过简易改装即可测试另外 两种机构的运动情形。鉴于此特点，控制器应该能够直接控制电机 的启停和转速，这样使用者可以在实验中方便地更换各种运动机构 进行比较。 ( 4 ) 单台实验设备如果不与外界发生信息交换，其存在价值就会大打折 扣。为此，控制器还必须有便利的方式和手段与外界发生通讯。 ( 5 ) 控制器应该具备相应的扩展接1 3 ，为以后实验仪的更新升级作好预 留和铺垫。 根据上述的设计要求，下面开始机构实验仪嵌入式控制器的整体方案设计。 2 2 控制器开发平台选型 在控制器设计工作的最初始，就是要选择一个嵌入式系统的开发平台，然 后基于所选定的软硬件平台来定出控制器的总体方案，进而展开下一步的细节 工作。在选择平台之前，首先要选定一种处理器内核。在嵌入式应用领域中， 常用的微处理器按字长分有8 位、1 6 位、3 2 位等。8 位微处理器的典型产品是5 1 系列单片机，它的发展和应用已经很成熟，但是由于先天体系架构的限制，处 理能力的提高始终有限。而16 位微处理器的应用相对少一些，主要是因为1 6 位 系统在性能上与8 位机相比没有太大的优势，而从成本和性价比考虑也比不上3 2 位机系统。3 2 位微处理器的典型代表就是a r m 系列处理器，而且经过近几年的 飞速发展，3 2 位处理器的应用范围越来越广，其相关的资源支持也越来越丰富。 考虑到实验仪控制器以后功能的提升和扩展的方便，在本课题中选择了a r m 微 处理器内核。 2 2 1硬件开发平台的选择 决定好处理器内核后，就要进行硬件开发平台的选型。在嵌入式系统开发 中，硬件平台选型主要是一款具体的处理器芯片的选择。使用什么样的处理器 芯片主要取决于应用的领域、功能需求、成本及开发的难易程度等因素。目前 a r m 处理器的具体实现芯片种类较多，一般不同的芯片其应用开发环境也不相 同。但长期以来基于a r m 体系结构的3 2 位系统大多在一些高端场合( 如通信领 域、p d a 等) 使用，要么以专用芯片的形式出现，要么价格较昂贵。而p h i l i p s 公司针对这一点，推出了性价比较高、通用性较好的l p c 2 0 0 0 系列a r m 处理器。 本课题即选用该系列中的一款产品一l p c 2 2 1o 作为实验仪控制器的硬件开发平 台。 l p c 2 2 10 是基于支持实时仿真和跟踪的16 3 2 位a r m 7 t d m i s 。o m c p u 的微 控制器。1 4 4 脚封装的l p c 2 2 1 0 有极低的功耗，多个定时器和多个外部中断使其 特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。l p c 2 2 1 0 主要具有以下 一些特性5 【6 】： ( 1 ) 片内有16 k b 静态r a m 。 ( 2 ) 可选的8 、1 6 或3 2 位外部总线；4 个可单独配置的外部存储器组。 ( 3 ) e m b e d d e di c e r t 接口可以同时使能断点和观察点，当前台任务使 用片内r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继续执行。 ( 4 ) 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时 跟踪。 ( 5 ) 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元、实时时 钟和看门狗。 ( 6 ) 多个串行接口，包括2 个符合1 6 c 5 5 0 工业标准的u a r t 、高速1 2 c 接 口( 4 0 0 k b p s ) 和2 个s p i 接口。 ( 7 ) 通过片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 时钟频率。 ( 8 ) 向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址。 ( 9 ) 多达1 1 2 个通用i 0 ，1 2 个独立外部中断引脚( e i n t 脚和c a p 脚) 。 本课题之所以选择l p c 2 2 1o k 种基于a r m 7 内核的c p u 芯片，主要是根据以 下四点来考量：a r m 7 内核采用三级流水线，且该芯片最高主频达到6 0 m h z ， 可以满足控制器对编码器信号的扫描采集。控制器的功能实现要用到较多的 外部中断信号，而l p c 2 2 10 已经具有1 2 个独立的外部中断口，完全满足需求。 从购买芯片的便利性来看，p h i l i p s 公司是国内常用a r m 芯片供应商之一。 为了控制器以后的升级和扩展，选用高性能的a r m 7 芯片作为硬件平台是符 合发展潮流的。实验室已经具有相关开发工具和资源。 2 2 2软件开发平台的选择 在8 位单片机为主的控制系统中，由于应用一般较为简单或者功能较单一， 在软件上不用操作系统。这类系统的应用程序常常是一个无限循环，在循环中 调用一定的函数完成相应的任务操作，称为后台任务；而在中断服务程序( i s r ) 中处理异步事件或进行一些时间相关性很强的操作，称为前台中断。这种系统 被称为前后台系统，它不会对整个系统资源进行管理分配，而且任务级的响应 时间也是不可预估的。 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，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在r t o s 基础上的多个任 务；r t o s 根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度和异常处 9 理等p 。基于r t o s 进行应用程序设计时，可以将整个程序划分成多个任务模块， 然后分别编写各任务；不必过多地考虑所有任务同时运行时可能出现的情况。 而且在系统出现软硬件资源调整时，基于r t o s 编写的应用程序只需对相应的任 务进行一些简要的修改即可适应新系统，不必对整个应用程序都作考量和重写。 在本课题的控制器设计中，涉及的硬件资源较多，中断服务的调用也很频 繁，而且一些关键任务在触发时要求立刻被响应执行。在这种情况下，基于前 后台系统的设计就很难处理了，而实时操作系统此时就可以很好地管理个部分 的软硬件资源，对任务的及时响应要求提供保障机制；而且对于系统以后的更 新升级非常方便。考虑上述各个因素，本课题的应用软件最终是采用实时操作 系统这个平台来开发。 目前国内最常用、研究最多的实时操作系统主要有三个t 嵌入式l i n u x ， w i n d o w sc e ，和g c o s i i ，它们各有特色： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 。 嵌入式l i n u x 是从l i n u x 2 0 2 4 内核上派生出来的，是为了支持没有 m m u 的处理器，如a r m 7 t d m i 等而进行了修改设计的嵌入式操作系 统。它是在标准的l i n u x 基础上进行了适当的剪裁和优化，形成了一个 代码紧凑的嵌入式的l i n u x 。虽然它的体积最小，但仍然保留了l i n u x 的大多数优点：稳定、良好的移植性，优秀的网络功能，对各种文件 系统的良好支持，以及标准丰富的a p i 等。嵌入式l i n u x 是一个完全符合 g n u g p l 公约的操作系统，其源代码完全公开。但是在嵌入式l i n u x 上进行应用程序开发对初学者来说不是很容易，而且其系统的代码量 是1 0 0 k b 级的，操作系统的实时性也不如g c o s i i 系统。 ( 2 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软公司开发的一个开放、可升级的3 2 位嵌入式操作系 统，是基于掌上电脑类电子设备的操作系统，是精简版的w i n d o w s9 5 引。 它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务 的操作系统。它的模块化设计使得它能够对从掌上电脑用户到专用的 工业控制器的用户的电子设备进行定制【7 】。在w i n d o w sc e 上开发应用 程序简单，但在相同条件下其实时性不如其他两种操作系统，且系统 占据的代码量大。另# w i n d o w sc e 是一款商业软件，不是免费的，源 代码不公开。 ( 3 ) g c o s i i 引。 f c o s i i 是一个完整、可移植、可固化、可裁减及占先式的实时多任务 操作系统。其绝大部分源码是用a n s ic 编写的，其中与时间相关性很 强的部分由汇编代码保证。至今，从8 位到6 4 位的应用，j t c o s i i 已经 在超过4 0 种不同架构的微处理器上运行成功。p c o s i i 适合小型控制系 l o 统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特 点。它的内核是10 k b 量级的，其内部使用条件编译在具体应用时实现 可裁剪性。g c