（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux的数控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 以a r m 、d s p 、m i p s 为代表的新一代嵌入式微控制器基于精简指令集具有 指令简单丰富、执行速度快、实时性强、片上资源丰富、硬件浮点运算等优点， 非常适合数控领域的开发和研究，并且这些嵌入式芯片的开发手段和调试平台 越来越完善。嵌入式l i n u x 操作系统在嵌入式系统中应用广泛，为嵌入式系统的 开发提供了优秀的任务管理平台和底层驱动平台，这为应用系统软件的可靠简 便开发和管理提供了有力的保证。 本文在对国内外数控机床现状及发展趋势和对开放式嵌入式数控理论研究 的基础上，针对传统基于i p c 的c n c 系统结构复杂、成本高、硬件冗余且无法 裁剪、软件通用性差、功耗大且可靠性低等缺点，提出并设计了一套以嵌入式 微控制器a r m 和d s p 为硬件基础，以嵌入式l i n u x 操作系统和图形用户框架 软件q t o p i a 为软件基础的通用数控系统方案，并在数控铣床上实现了此方案。 硬件平台采用嵌入式微处理器a r m + d s p 作为系统的硬件核心芯片来构建， a r m 作为主控制芯片，利用其外围接口扩展数控系统的存储设备和诸如l c d 、 数控键盘、u r a t 等外部设备，采用d m 9 0 0 0 芯片扩展网络模块，从而方便网络 化开发，另外为方便加工代码的传输，采用主控制芯片自带的u s bh o s t 芯片扩 展u s b 模块，实现移动u 盘的读写及热插拔。d s p 作为运动控制芯片，通过i o 模块与伺服驱动器和机床i o 相连，完成机床的运动控制。 软件平台采用人机界面层、事务管理层和运动控制层作为系统的软件层次 结构来构建。人机界面层是用户和数控系统进行交互的媒介，采用专为嵌入式 设备提供图形用户界面的应用框架和窗1 3 系统的q t o p i a 来设计。事务管理层是 整个系统的中枢，采用嵌入式l i n u x 操作系统的多线程机制来设计。运动控制层 是系统对数控机床控制的执行者，采用基于单任务和中断处理的策略来设计。 本文所设计的基于嵌入式l i n u x 的数控系统方案相对于传统的基于i p c 的 c n c 系统而言具有结构简单、成本低、硬件可裁剪、软件可通用、可靠性高等 优点，相对于已有的基于嵌入式l i n u x 的数控系统而言具有系统性能可靠稳定， 功能强大，软件通用性强，系统灵活并且符合开放式数控系统的要求等优点。 关键字：嵌入式系统，l i n u x 操作系统，a r m ，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o m ee m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ss u c ha sa r m ，d s p , m i p su s u a l l ya d o p t r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ( r i s c ) t e c h n o l o g yw i t hv e r yf a s te x e c u t i o nc y c l e ， s t r o n gr e a l - t i m ea b i l i t y , v a r i o u ss o u r c eo nc h i pa n do n - c h i pf l o a t i n g - p o i n tu n i t s ( f p u ) w i t hs i n g l e - p r e c i s i o na n d o r d o u b l e - p r e c i s i o nc o m p u t a t i o n s ，v e r ys u i t a b l en u m e r i c a l c o n t r o ld o m a i nd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h ，a n dt h e s ee m b e d d e dc h i p sd e v e l o p m e n tm e t h o da n d d e b u g g i n gp l a t f o r mt ob eg e t t i n gm o r ea n dm o 陀p e r f e c t t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m a p p l i e sw i d e l yi nt h ee m b e d d e ds y s t e m , a n di th a sp r o v i d e dn o to n l yag o o dp l a t f o r mo ft a s k m a n a g e m e n ta n db o t t o md r i v e rb u ta l s oh a sp r o v i d e dt h ep o w e r f u lg u a r a n t e ef o rt h es i m p l e a n dr e l i a b l es o f t w a r ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h es t a g ea n df i e n do fn cm a c h i n e d o m e s t i ca n da b r o a d , a n do p e n s t r u c t u r ee m b e d d e dn c t e c h n o l o g yt h e o r y , a n d f o l l o w i n gt h ed i s c u s s i o no nt h ep r o b l e m si n t r o d u c e df r o mt h es y s t e ms t r u c t u r eo f c u r r e n tc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) ，s u c ha st h el a c ko ft a i l o r a b i l i t y , i n s u f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s ，t h eb a do fs o f t w a r ev e r s a t i l i t ya n dc o m p l e x i t yo f i n t e r c o n n e c t i o n sb a s e du p o np a r a l l e li n t e r f a c e se t c , p r o p o s e da n dd e s i g n e das e to f g e n e r a ln u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ss c h e m ew h i c ht a k ee m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r a r ma n dd s pa st h eh a r d w a r ef o u n d a t i o na n dt a k et h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e ma n dg r a p h i c a l u s e rs o f t w a r ef r a m e w o r ks o f t w a r e q t o p i aa s t h es o f t w a r e r o u n d i o n ，a n dh a sr e a l i z e dt h i ss c h e m eo nt h en u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n e t h eh a r d w a r ep l a t f o r mu s e se m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra r m + d s pa ss y s t e m s h a r d w a r ec o r ec h i pt oc o n s t r u c t ，a r ma st h em a i nc o n t r o lc h i p ，u s i n gi t sp e r i p h e r y c o n n e c t i o ne x p a n s i o nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ss t o r a g ed e v i c ea n ds u c ha sl c d ， n u m e r i c a lc o n t r o lk e y b o a r d ，u r a ta n ds oo ne x t e r n a li n s t r u m e n t a t i o n ，u s e st h e d m 9 0 0 0c h i pe x p a n s i o nn e t w o r km o d u l e ，t h u sc o n v e n i e n c en e t w o r kd e v e l o p m e n t ， m o r e o v e rf o rc o n v e n i e n c ep r o c e s s i n gc o d et r a n s m i s s i o n ，u s e sm a s t e rc o n t r o lc h j p b r i n g i n gu s bh o s tc h i pt oe x p a n dt h eu s bm o d u l e ，r e a l i z e su d i s kr e a d - w r i t ea n d i n s e r t sh o t l yp u l l so u t d s pa st h em o t i o nc o n t r o lc h i p ，d s pc o n n e c t e dt ot h ep u n c h e r 武汉理工大学硕士学位论文 t h r o u g hi om o d u l ea n dm o t o rs e r v o ，f u l f i l l i n gt h em o t i o nc o n t r o lt a s k t h es o f t w a r ep l a t f o r mu s e sm a n m a c h i n ei n t e r f a c el a y e r , b u s i n e s sm a n a g e m e n t l a y e ra n dm o t i o nc o n t r o ll a y e rs o f t w a r es t r u c t u r e a sas y s t e mt oc o n s t r u c t ，t h e m a n m a c h i n eb o u n d a r yl a y e ri st h eu s e ra n dt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc a r r i e so n t h ei n t e r a c t i v em e d i u m ，u s e sp r o v i d e st h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c es p e c i a l l yf o rt h e e m b e d d e de q u i p m e n tt h ea p p l i c a t i o nf r a m ea n dw i n d o ws y s t e m so t o p i at od e s i g n , b u s i n e s sm a n a g e m e n tl a y e ri st h eb a c k b o n eo ft h es y s t e m ，u s e st h ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m sm u l t i t h r e a dm e c h a n i s mt od e s i g n m o t i o nc o n t r o ll a y e ri s t h e e x e c u t o ro fn u m e r i c a l l y - c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l ，u s e st h e s t r a t e g y b a s e do n s i n g l e t a s ka n di n t e r r u p th a n d l i n gt od e s i g n t h i ss c h e m ew h i c hi sd e s i g n e df o rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne m b e d d e d l i n u xc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc n c s y s t e m sb a s e do ni p ch a st h ea d v a n t a g e s o fs i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n dh a r d w a r e 啪b ec u t ，t h es o f t w a r e nb ec o m m o n , h i g hr e l i a b i l i t y , i tc o m p a r e dw i t he x i s t i n gn cs y s t e m sb a s e do ne m b e d d e dl i n u x h a s t h ea d v a n t a g e so fs y s t e mp e r f o r m a n c er e l i a b l es t a b l e ，f u n c t i o nf o r m i d a b l e ，s o f t w a r e v e r s a t i l e ，s y s t e mn i m b l e ，a n dm e e t s t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m sr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，a r m ，d s p h i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其 它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了谢意。 签名：律滹 e l 期：趁坦：丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 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或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 帮淆 导师( 签期1 9 c 夕占上侈 武汉理工大学硕士学位论文 i i 课题来源 第l 章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目“基于资源的网络数字控制新理论及 关键技术研究 。本课题基于本实验室所拥有的主控制板( a r m ) 和运动控制 板( d s p ) 等软硬件资源，研究基于嵌入式l i n u x 的数控系统方案的设计，并综 合应用嵌入式系统开发技术、软件开发技术、数字控制技术、人工智能技术来 实现此方案。本课题所研究的数控系统方案的软件硬件具有良好的可配置性、 可扩充性、可重构性，易于推广应用到现有的各种数控机床中去。 1 2 数控技术国内外发展现状 装备工业的技术水平和现代化程度决定着一个国家整个国民经济的水平和 现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的制造技术 和最基本的装备1 1 l 。随着现代制造业生产方式的发展，生产设备正朝着灵活、多 功能、网络化的方向发展，它希望数控系统的功能，能够可配置、可修改、可 扩充和可改装甚至可重构，这就要求数控系统具有开放式。制造信息的集成化、 生产系统的分散化也促进了数控系统的开放i 到。 开放结构的发展数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电子器 件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模i c 数控， 小型计算机数控，微处理器数控。从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组 成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的c n c 数控系统，后者也称为软数控 系统。从伺服及控制的方式可分为步迸电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的 闭环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明 了机器，延长和扩展人的手脚功能【3 1 。当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望 数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊 的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交 互、诊断功能等。 目前，数控技术在国外已经成为一种相对成熟的技术其发展正逐步由专用 武汉理工大学硕士学位论文 型、封闭式、开环控制模式向通用型、开放式、实时动态、全闭环控制模式发 展【4 1 。在系统体系结构上，大都采用上下位机结构，即上位机运行平台为w i n d o w s 软件系统，高档数控一般采用l i n u x 、v x w o r k s 等嵌入式操作系统，下位机采用 专用的运动控制板和与上位机无关的自带操作平台软件，上下位机间只是数据 流的传输，以实现加工过程中的数据在线显示，二次开发时，一方面通过板卡 上增减接口数来实现控制轴数和通道数的改变，另一方面通过将自己构建下位 机软件的函数库以封装的形式提供给用户，来实现用户自己动手配置控制系统， 但难度较大。 我国在9 0 年代中期己开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统 的研发，代表产品有华中i 型，中华i 型，航天i 型和蓝天i 型，它们均是以 p c 为平台构成的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽有一定的开放特性，但还 不具备开放式数控系统的本质特征【5 捌。 国内已建立起不同程度的拥有一定规模的中高档数控设备生产基地，基于 嵌入式的数控研究也在不断展开，但从整体上看与国外先进技术有一定差距， 对于数控技术的研究工作还需继续加大。 随着集成电路技术以及嵌入式技术的飞速发展，为数控系统的开发注入了 新的活力，同时也使嵌入式技术在数控系统中得到了广泛的应用，如北京博创 公司和广州数控开发的数控系统中都广泛的使用各种嵌入式模块【7 1 。随着数控系 统硬件体系的嵌入式化，嵌入式实时操作系统也逐渐被应用到数控系统当中， 使得设计的应用软件具有更好的专用性和更卓越的性能1 8 l 。嵌入式系统拥有高度 的可靠性和理想的性价比，可以很好的替代i p c 实现网络控制以节约成本，除 此之外嵌入式系统还拥有众多适合数控系统应用的特点，诸如嵌入式系统的软 硬件可裁和系统灵活等特点。 随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式i a n u x 以其强大的性能和开放性，受到 广大开发人员的欢迎。基于源代码完全开放的优势和可以与商业操作系统相比 美的优秀性能，各大数控公司对基于嵌入式l i n u x 的数控系统进行了深入的研究 和探讨。国际上一些组织和研究机构在利用嵌入式l i n u x 构建中高档数控方面已 经取得了实质性的突破和进展【9 1 z j 。 总而言之，数控技术随着时代的进步在飞速的发展，嵌入式系统和l i n u x 操作系统在数控系统中的应用也有一定的发展f 1 引。现在国内各大数控公司已对 基于嵌入式l i n u x 的数控系统有了一定的研究并且取得了一些的研究成果，但从 2 武汉理工大学硕士学位论文 整体上看与国外先进技术有一定差距，对于嵌入式l i n u x 数控系统的研究工作还 需继续加大。 1 3 课题研究的目的和意义 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国家的经济水平和现代化程 度，数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。制造技术和装备是人 类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备的 核心技术【1 4 1 。世界各发达国家为了加速经济发展和提高综合国力而大力发展以 数控技术为核心的先进制造技术。 目前基于i p c 的开放式数控系统已经发展到相当高的水平，但是这种系统 有着它本身体系的不足和众多限制。由于口c 的设计主要是针对文件管理和数 据处理而设计的，并不是特别适合用于有大量计算和控制任务的场创1 5 1 。此外， 更为重要的是i p c 的硬件体系不是针对实时控制而设计的，往往需要进行硬件 扩展以满足实时控制的要求，而且大部分i p c 操作系统也不是针对实时控制而 设计的，所以需要对操作系统进行改造，这些都使得基于i p c 来开发数控系统 工作相对比较复杂，而且针对性较差。 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，是“嵌入到受控对象或宿主系统中的 专用计算机系统”，目前国内一个普遍被认同的定义是以应用为中心，计算机技 术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗 严格要求的专用计算机系绀1 6 1 。随着计算机技术的发展，目前出现了大量3 2 位 甚至“位的高性能嵌入式芯片，以a r m 、d s p 、m i p s 等为代表的基于精简指 令集的嵌入式芯片具有指令简单丰富、执行速度快、实时性强、片上资源丰富、 硬件浮点运算、功耗低且稳定性强等优点【”】。另外，嵌入式系统的一个重要发 展趋势是网络化，即通过串行通信、总线技术以及以太网将嵌入式设备联入局 域网甚至互联网，这也正迎合了网络化数字制造的发展要求。 l i n u x 操作系统具有免费开放源代码、内核可裁剪、丰富的网络功能、可靠 的安全性和稳定性、支持多平台等优点，使用者可以以较低的成本设计出能够 满足特定需求的嵌入式l i n u x 操作系统。l i n u x 操作系统具有强大的网络功能， 在工业控制领域可以充分利用强大的网络功能来开发分布式控制系统。l i n u x 操 作系统有一套完整的开放的免费的g n u 工具链，开发人员可以根据自身的需求 建立系统的开发环境、编译调试工具和仿真运行环境。l i n u x 操作系统具有广泛 3 武汉理工大学硕士学位论文 的硬件支持。由于l i n u x 的开源性和社区性，l i n u x 开发人员可以从互联网上获 得强大的技术支持。同时l i n u x 操作系统在稳定性和可靠性等方面的表现也异常 卓越【l s - 2 2 1 。 显然，相比于基于i p c 开发数控系统，嵌入式l i n u x 数控系统有着无可比拟 的优越性，更适合数控技术的要求，也成为了数控技术的发展方向之一。 1 4 课题研究目标和研究内容 本课题的研究目标是针对当前数控系统在通用性、扩充性、开放性和重构 性等方面所存在的问题，充分利用嵌入式技术、l i n u x 技术、数控技术设计出一 套以a r m 和d s p 微处理器为硬件基础，以l i n u x 操作系统和图形用户框架软 件q t o p i a 为软件基础的通用数控系统方案，并在数控铣床上实现此方案。并使 基于此方案设计出来的数控系统可通用性高、可重构性强、可开放性优、可扩 充性好，同时也具备强大的人机交互功能和网络支持功能，能够满足不同加工 需求，能够根据实际需求进行功能扩充和剪裁等多种特性。 本课题的创新点在于本方案所开发的数控系统是嵌入式数控系统，而且本 数控系统方案将l i n u x 操作系统和图形用户框架软件q t o p i a 引入数控系统的设 计，从而使本方案针对不同的数控机床在软硬件设计上具有一定的通用性，最 后基于本方案所开发的数控系统在一定意义上符合开放式数控系统的要求。 根据本课题的研究目标，本课题主要涉及的研究内容如下： ( 1 ) 数控系统发展状况、工作原理以及系统工作过程中各模块之间数据流 的研究； ( 2 ) l i n u x 内核移植、g n u 工具链的使用开发、q t o p i a 在a r m 上的移植 等技术的研究； ( 3 ) q t o p i a 的系统原理和编程技术的研究； ( 4 ) l i n u x 环境下的各种编程技术，包括工具软件的使用的研究； ( 5 ) 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统方案的设计； ( 6 ) 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统设计方案在铣床上的原型系统开发， 包括数控铣床人机界面系统的开发、主控制系统的开发、运动控制系统的开发、 原型系统的组装与调试等工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统方案设计 数控系统的功能需求、当前的嵌入式系统开发和l i n u x 操作系统的技术水平 以及硬件技术发展现状决定了数控系统的软硬件结构和系统开发思路，因此首 先应该分析数控系统的基本功能，然后依据嵌入式系统开发和l i n u x 操作系统的 技术水平以及硬件技术发展现状制定整个系统的解决方案。本章首先对数控系 统的功能进行了分析，然后根据功能分析进行数控系统的软硬件划分，并在此 基础上进行了基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统的总体架构设计、硬件体系设计 和软件体系设计。 2 1 数控系统的功能分析 数控系统的功能由必选功能和可选功能两部分组成。必选功能是数控系统 必须拥有的功能，可选功能是提供给使用者依据机床特点和使用需求进行选择 的功斛矧。 ， 2 1 1 数控系统的主要功能 数控系统通常必须拥有的功能为控制功能、准备功能、插补功能、进给功 能、辅助功能、主轴功能、刀具功能、补偿功能、字符和图形显示功能、自诊 断功能、通信功能、人机交互图形编程功能等例。 以上功能都是数控系统的必选功能。但从严格意义上而言这些功能并不是 所有数控系统所必须拥有的功能，数控系统设计者根据用户的需求将这些功能 有机的组合可以设计出不同的数控系统以满足不同的用户需求。 2 1 2 数控系统的任务划分 数控系统是一个典型的多任务系统，综合多任务系统任务划分的特点和数 控系统的主要功能分析，其软件系统必须完成主控制和运动控制两大任务，其 中，主控制任务包括输入输出管理、显示管理、诊断管理、n c 加工代码解码管 理等子任务；运动控制任务包括输入输出处理、n c 加工代码译码管理、刀补、 武汉理工大学硕士学位论文 插补、速度处理、位置控制等子任务，其任务分解图如图2 - 1 所示。 l 1 叫i o 管理 1 7 u 冒理 n y l 卜 刀补插补 l 显示管理 月 数运 主 八 控八动 i 译码管理控 广一 系 吖 控 制n | 诊断管理 统制 爿 速度处理 解码管理 圈 卜l 位置控制 图2 1 数控系统任务分解图 数控系统功能需求的差异和数控系统本身特点决定了不同的软硬件解决方 案【矧。从实时性的角度来讲，主控制部分对实时性的要求是较弱的，一般的拥 有较高稳定性和可靠性的分时操作系统就能够很好的满足主控制部分对实时性 的要求，而运动控制部分对实时性的要求则是较高的，一般的实时操作系统或 者硬件中断能够很好的满足运动控制部分对实时性的要求。 对数控系统进行功能划分和任务分解，对于整个通用数控系统的软硬件设 计而言是至关重要的。通过以上工作可以使整个数控系统软件体系的层次感更 强，模块构造以及模块之间通信接口设计更加合理，同时使设计的数控系统更 加符合开放式数控系统的要求，并且使数控系统的硬件体系沉余度低但通用性 强。最终使基于本数控系统方案开发不同的数控机床都可以遵循一套标准化设 计理念来设计系统的软件架构和硬件架构。 2 2 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统总体架构设计 依据数控系统任务划分的结论，本嵌入式l i n u x 通用数控系统将主要由两个 子系统构成：主控制子系统和运动控制子系统，其总体架构图如图2 2 所示。主 控制子系统的主要功能为：进行各种外设管理和监控，并将编写好的n c 加工代 6 武汉理工大学硕士学位论文 码进行格式检查和编译，然后通过串行通信总线发送给运动控制子系统，并及 时接收和处理运动控制子系统发出的各种请求并进行相应的处理。运动控制子 系统的主要功能为：完成诸如n c 加工代码的接收和缓冲、监控系统运行状况并 进行出错处理、实时向主控制子系统反馈各种状态信息、接收处理n c 加工代码、 命令和各种配置参数及软件和硬件限位，以及实现插补、刀补，并且监控i o 端 口状态等。通过两个子系统的合作，可以顺利完成对数控机床的有效控制。 各 伺 种 1 卜 卜 服 卜、 外 广叫 ， 电 设 主 还 机 数 控 动 控 制 l 控 机 广叫 制 器 检 床 服 器 门 测 卜 务 1 卜、 设 、 厂叫 器 备 图2 2 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统总体架构图 2 3 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统硬件体系设计 本方案选用嵌入式微处理器a r m 和d s p 作为系统的核心芯片来构建系统 的硬件平台，其中，a r m 微处理器作为主控制芯片，d s p 微处理器作为运动控 制芯片。嵌入式l i n u x 通用数控系统硬件体系结构图如图2 3 所示，主要由主控 制子系统、运动控制子系统、伺服电机和数控机床组成。 ( 1 ) 数控系统主控制子系统 采用外部接口丰富，综合处理能力强大的a r m 作为主控制器芯片，利用其 外围接口扩展一片s d r a m 和两片f l a s h 作为存储部分，其中，s d r a m 用来运 行操作系统和数控系统应用软件，n a n df l a s h 用来存储操作系统编译成功的内 核、数控系统应用软件的可执行文件以及各种文件( 如数控系统配置文件和n c 加工代码文件等) ，n o rf l a s h 用来存储b o o t l o a d e r 在系统启动时对操作系统进行 引导加载。同时利用a r m 的外围接口扩展诸如l c d 、数控键盘、u r a t 等外部 7 武汉理工大学硕士学位论文 设备，以用于数控系统的人机交互以及与运动控制子系统通信和系统调试之用。 同时通过网络芯片扩展数控系统的网络模块，从而实现数控系统的网络功能， 使数控系统可以作为整个数控网络系统中的一个客服端来工作。同时为了方便 n c 加工代码的传输，采用a r m 自带的u s b 主机控制芯片扩展u s b 主机模块， 用于实现u 盘的读写以及热插拔功能。 ( 2 ) 数控系统运动控制子系统 采用外部接口丰富，运算处理能力强大的d s p 作为运动控制器芯片，利用 其外部接口扩展u r a t 和j t a g 等设备，其中，u r a t 用来与数控系统主控制子 系统通信，j t a g 则接仿真器用来调试代码。同时利用d s p 众多的i o 接口来连 接数控机床的各种检查设备以检查数控机床的运行状况。同时利用d s p 的通用 定时器和i o 接口一起来控制数控机床的轴的运动。d s p 芯片拥有的资源使数控 系统的设计变的更加的简单和精确。 ， 、 厂 、 液晶显示器 键盘 ，o 网 j ej f 。f l 继电器e = ) 服 络 1 人机界面 7 一广 v 务 1 控 7 、f 厂 器 制 器广_ 1 j 、机 - 一 刮紫k 描 l r 叫伺服r s p ) 器吲裔器 二 一 床 丁了 、 i u s b 存储单元 广 主 刀 、 、i 位置l u 1 机 j fj ff 伍硼 v 盘 控 厂一 制 n o rf l a s hs d r a m 器 _ 一 l 图2 3 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统硬件体系结构 2 4 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统软件体系设计 嵌入式l i n u x 数控系统软件部分是嵌入式l i n u x 数控系统的重要组成部分， 8 武汉理工大学硕士学位论文 具体实现了嵌入式l i n u x 数控系统的各项功能。嵌入式l i n u x 数控系统软件包括 主控制系统软件和运动控制系统软件两部分。 2 4 1 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统软件总体设计 合理的层次结构和模块划分对数控系统方案的开放性，以及系统方案的通 用性具有重要的意义【2 6 j 。通过对数控系统功能需求、数控系统任务划分、本方 案硬件体系、多任务多线程程序设计中线程划分、以及各层之间通信方式的分 析，结合l i n u x 平台应用软件开发和d s p 应用程序开发的特点，将数控系统的 软件分为三层：人机界面层、事务管理层和运动控制层，每层又分为若干子模 块，同层模块之间相互配合共同完成该层的任务，各层之间相互配合共同完成 对数控机床的控制。数控系统的层次及模块划分图如图2 - 4 所示。 人机界面层为用户提供直观的人性化的人机交互界面，让用户不仅能够实 时的掌握数控机床的运行状况和加工程序的运行状况，而且能够实时的操作数 控机床。本层主要的工作是等待接收用户的操作请求并将这些请求及相关数据 传输到事务管理层，同时及时显示事务管理层反馈的信息。本层为用户提供一 系列的服务，诸如系统参数设置、n c 加工代码编辑以及格式检查、n c 加工代 码文件管理、运动控制和系统网络管理等。本方案的数控系统人机界面选用 q t o p i a 编写，0 t o p i a 是一个专门为小型嵌入式设备提供图形用户界面的应用框架 的第三方软件，通过o t o p i a 可以设计出功能丰富界面友好的图形用户界面。同 事q t o p i a 也拥有丰富的控件资源并且具有很好的可移植性，可以移植到各种硬 件平台上去1 2 7 - 3 2 1 。这就提高了数控系统人机界面系统软件的通用性和易重构性， 从而节省了数控系统的开发成本和开发周期。 事务管理层是整个数控系统的中枢，它接收来自人机界面层的各种命令和 数据，并依次解析这些命令和数据，然后依据解析结果通过串口向运动控制层 发送各种n c 加工代码信息和控制信息。事物管理层由总控制模块及若干功能模 块构成，总控制模块负责接收来自用户界面层的信息，然后调度相应的功能模 块处理这些信息，并将处理结果存入预先设计好的数据结构中或者文件中。若 接收信息与运动控制层有关则总控制模块不仅需要处理接收信息，而且需要及 时将处理结果通过串口传送给运动控制层。与此同时总控制模块也接收来自于 运动控制层的执行结果及控制返回信息，并根据这些反馈信息作相应的处理。 每个功能模块则负责完成某一特定的任务，诸如系统参数设置、n c 加工代码编 9 武汉理工大学硕士学位论文 辑、n c 加工代码解析等。 运动控制层主要完成对数控机床的实时控制，主要由主程序模块和中断处 理程序模块构成，主程序模块主要对各子模块进行轮询的调用，完成诸如n c 加 工代码和系统参数接收、n c 加工代码和系统参数的处理、与事务管理层之间通 信等，主程序的主要工作是与事物管理层通信以达到主控制子系统和运动控制 子系统的协调运行和处理接收信息并反馈相应信息。中断程序模块主要完成与 数控相关的刀补、插补及位置控制与运动控制。 人机界面层( q t o p i a ) 版本信ll 参数设i i 程序编ll 文件管i l 运动控i1 网络管jl 息窗口ii 置窗口il 辑窗口il 理窗e ll 制窗口i l 理窗口l 加t 用户操作及相关信息 事务管理层( a r m ) 息 代码| 信息 控制 信息 引圈圈圈国图隆 统参数、中间结果 雨弱而 执行及控制信息 串口通行 运动控制层( d s p ) 羹l 阂圈离网圉圈f 系统参数、中间结果 检测设备伺服电机 图2 4 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统软件层次及模块划分图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 本方案系统软件开发包括o t o p i a 人机界面程序、l i n u x 应用程序开发、d s p 应用程序开发以及l i n u x 各种驱动的开发和移植。本方案采用c 语言开发l i n u x 应用程序开发和d s p 应用程序，采用c + + 开发q t o p i a 人机界面程序，采用s h e l l 脚本语言开发m a k e f i l e 脚本执行程序，l i n u x 驱动程序开发是基于l i n u x 框架以 及现有资料文档采用c 语言开发的。q t o p i a 人机界面程序将每个界面都是作为 一个单独的界面来开发的，最后组装成整个数控系统的人机界面。l i n u x 应用程 序是基于多线程的，每个功能模块都是一个独立的线程，最后依据各个功能模 块对实时性的要求，分别设置各个模块的优先级。d s p 应用程序主要采取单片 机的开发策略来开发的，即基于单任务和中断处理来设计的。以上这些软件开 发的策略的目的都是在使系统的软件构架灵活的同时，使系统的通用性变强， 使代码的可重用性提高，以减少基于本方案开发数控系统的编程量。 2 4 2 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统主控制系统软件设计 嵌入式l i n u x 通用数控系统主控制系统软件整体结构图如图2 5 所示，该方 案数控系统的主控制系统软件主要由嵌入式l i n u x 操作系统和数控应用软件两 部分构成。嵌入式l i n u x 操作系统采用具备一定实时性的l i n u x2 6 2 9 4 内核定 制编译而成，使得基于此l i n u x 内核开发的主控制系统具备一定的实时性。本方 案的根文件系统采用c r a r n f s 制作，b o o t l o a d e r 采用三星公司的v i 开发，并开 发移植了数控键盘驱动、串口驱动、u 盘驱动、l c d 驱动、网口驱动、触摸屏 驱动。软件开发包采用g n u 的软件开发工具。 用户应用程序 h j eh l n u x 系统调 a n s i c q t o p i a 应用a p i 软 用接口 l i b r a r y q t o p i a 核心库 件 苴 开 l i 卜n j x 内核和设备驱动 发 包 b o o t l o a d e r 】【 数控系统硬件 竹 ： 目标机宿主机 凄 图2 5 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统主控制系统软件整体结构图 武汉理工大学硕士学位论文 b o o t l o a d e r 主要负责开机时软硬件环境的初始化以及将l i n u x 操作系统引导 到r a m 里面运行。数控键盘驱动负责控制数控面板工作，串口驱动负责与d s p 的通信工作，网口驱动负责与外界网络的通信工作，u 盘驱动负责u 盘的读写 工作。g n u 软件开发包用来制作数控系统软件开发过程中所要用到工具软件。 数控应用软件主要完成如下功能： ( 1 ) n c 加工代码的编辑和解析功能，监测输入装置的输入功能； ( 2 ) 与运动控制子系统通信并完成诸如n c 加工代码、操作命令、参数信 息、状态信息等的接收传送功能； ( 3 ) n c 加工文件的管理及各种运动状态的检测处理与显示功能； ( 4 ) 作为数控网络系统的客户端从数控网络中获取n c 加工代码、系统参 数信息、操作命令信息等功能； ( 5 ) 从优盘读取和写入n c 加工代码功能。 嵌入式l i n u x 通用数控系统数控应用软件架构如图2 6 所示。 主程序 _ 三l韭卫笠笠 佥笠笠监 豆 处信 与 还参网故 n cn c 加 理息 d s p 动 数 络 障 代 代 工 显输 通控 设 管 诊 码码 文 不入 解编 件 d s p 与 信 制 置 理 断管 反 外 析辑 馈 设 理 信 监 息 控 虿- - i f -酉酉歹虿虿 可 l i n u x 系统调用接口 a n s icl i b r a r y i q t o p i a 应用a p i i q t o p i a 核心库 ；乏多e l i n u x 内核和设备驱动 j 产 b o o t l o a d e r 图2 - 6 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统数控应用软件架构图 2 4 3 基于嵌入式l i n u x 的通用数控系统运动控制系统软件设计 嵌入式l i n u x 通用数控系统运动控制系统软件架构如图2 7 所示，运动控制 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统软件主要包括主程序和8 m s 中断程序两部分。其中，8 m s 中断程序主要实 现，插补、刀补，并且进行速度处理与位置控制。在控制伺服运动的过程中进 给控制模块首先把某一个轴的位置信息转换成相应的控制信息，然后通过d s p 产生p w m 脉冲和相应控制信号，经过耽i 模块传送给此轴所对应的伺服控制器， 完成运动控制。同