（机械制造及其自动化专业论文）基于嵌入式linux的数控系统研究与开发.pdf

摘要 数控技术是机械加工技术，微电子技术、监控检测技术、计算机技术、自动 控制技术等多种学科的集成，对机电工业及国民经济的发展具有十分重要的作 用。随着当今微电子技术和计算机技术的发展，大量的高性能嵌入式处理器应用 于数控系统，从而使数控技术的发展进入了嵌入式数控阶段。 本论文在实验室目前正在研发的a r m + d s p 硬件平台上研究开发基于嵌入 式l i n u x 的数控系统，主要完成了如下工作： 1 研究嵌入式l i n u x 系统应用和编程开发，根据系统硬件平台定制、编译 l i n u x 内核，按照实际需要组织并制作根文件系统，从而搭建了数控系统的嵌入 式l i n u x 运行平台；研究并搭建嵌入式系统基于“宿主机目标机”结构的交叉 编译和远程调试开发环境。 2 研究l i n u x 字符设备驱动模型，定义并实现了标准化键盘模块，设计构 建了人机交互消息机制。 3 研究l i n u x 的f r a m e b u f f e r 显示驱动，设置l c d 显示模式；研究绘图算 法和汉字编码及点阵字库，设计实现了包含基本绘图功能和文字显示功能的图形 库。 4 从功能性和人机工程学两方面深入研究了数控系统人机交互技术，在功 能分类基础上确定人机交互的多界面显示，设计实现软硬件结合的多级可扩展菜 单结构，详细设计并实现各界面功能。 5 研究l i n u x 的多线程机制，基于此实现系统管理任务( 管理线程或称交 互线程) 与控制任务( 控制线程) 的并行协调运行。 6 将数控系统应用于铣床，并测试系统各功能，验证了其设计的正确可行 性和系统功能的可靠性。 关键词：嵌入式l i n u x 多线程数控系统人机交互人机工程学 a b s t r a ct t h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi st h ei n t e g r a t i o no fv a f i o u ss u b j e c t si n c l u d i n g m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c s ，m o n i t o r i n g a n dd e t e c t i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya sw e l la sa u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds oo n i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o m e c h a n i c a li n d u s t r ya n dn a t i o n a l e c o n o m y n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , m a s s i v ee m b e d d e dp r o c e s s o r sw i t hh i g hp e r f o r m a n c eh a v eb e e na p p l i e d i n t ot h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c he n a b l e st h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yt o d e v e l o pi n t ot h ee m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o ls t a g e t h i sp a p e rr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e e m b e d d e dl i n u xs y s t e mo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fa r m + d s pw h i c hw a sc u r r e n t l y r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h i sp a p e rw a sg o i n gt od ot h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s i n g o nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dl i n u x ， c u s t o m i z e da n dc o m p i l e dt h el i n u xk e r n e la c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h e s y s t e m ，o r g a n i z e dt h er o o tf i l es y s t e mi na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ln e e d s ，a n dm a d e t h ei m a g eo fi t s ow ec o n s t r u c t e dt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mw h i c ht h ec n cw o u l d r u no n t h i sp a p e ra l s or e s e a r c h e da n dc o n s t r u c t e dt h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n tb a s e o nt h eh o s tm a c h i n e t a r g e tm a c h i n es t r u c t u r e ，w h i c hi n c l u d e sc r o s s c o m p i l i n ga n d r e m o t ed e b u g g i n g 。 2 t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h em o d e lo fl i n u x sc h a r a c t e rd e v i c ed r i v e r , d e f i n e d a n dr e a l i z e dt h es t a n d a r d i z e dk e y b o a r dm o d u l ea n dd e s i g n e dt h em e s s a g em e c h a n i s m o ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e 3 t h i sp a p e rs t u d i e dt h el i n u x sf r a m e - b u f f e rd r i v e ro fd i s p l a yd e v i c e s ，u s e di t t os e tt h ed i s p l a y i n gm o d eo ft h el c dd i s p l a y t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h eg r a p h i c a r i t h m e t i c ，t h ee n c o d i n go fc h i n e s ec h a r a c t e ra n dt h es t r u c t u r eo ft h em a t r i xf o n t l i b r a r y t h r o u g ht h el a s ta s p e c t st h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o nl i b r a r y i n c l u d i n gb a s i cg r a p h i cf u n c t i o n sa n dt e x td i s p l a yf u n c t i o n 4 t h i sp a p e rs t u d i e dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g yo fc n cf r o mb o t h t h ef u n c t i o n a la n de r g o n o m i ca s p e c t s ，d e f m e dt h ev i e w so ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ec n c sf u n c t i o n s ，d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h e m u l t i 1 e v e la n de x t e n s i b l em e n us t r u c t u r ea n dm a d ead e t a i l e dd e s i g no ft h ef u n c t i o n s o f e a c hv i e wo ft h ec n ca n dr e a l i z e dt h e m 5 t h i sp a p e ra l s os t u d i e dt h el i n u x sm u l t i t h r e a dm e c h a n i s m ，b a s e d0 1 1w h i c h r e a l i z e dt h ec o n c u l l r e n ta n dc o o r d i n a t e dr u n n i n go ft h es y s t e mm a n a g e m e n tt a s k ( i n t h em a n a g e m e n tt h r e a d ，o rc a l l e di n t e r a c t i o nt h r e a d ) a n dt h ec o n t r o lt a s k ( i nt h e c o n t r o lt h r e a d ) 6 f i n a l l yt h ep a p e ra p p l i e dt h ec n co nam i l l i n gm a c h i n ea n dt e s t e d i t s a l l f u n c t i o n s t h et e s tt e s t i f i e dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g na n dt h e d e p e n d a b i l i t yo f t h ec n c sf u n c t i o n s k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，m u l t i t h r e a d ，c n c ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ， e r g o n o m m s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也小包含为获得基盗盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：仡占旃 签字日期： 2 驴痧9 年么月岁目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞太鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授议墨盗盘鲎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j 二采 j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 阳冢仃关部门或杉l 构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 7 j 毒f 一论艾作荷签名： 碜。川j j ：刀d 7 年 翮签名：铄弓 签字目期：孔功罗年月夕日 柳目 卜汐卜夕 上已 月 一，厂d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式数控系统国内外研究现状 1 1 1 嵌入式数控系统概述 数控技术是机械加工技术，微电子技术、监控检测技术、计算机技术、自动 控制技术等多种学科的集成，是- - i - j 传统而又新兴，且发展迅速的高新技术，对 机电工业及国民经济的发展具有十分重要的作用。 数控技术的发展中经历了三个主要阶段【2 】 3 】：第一阶段称为传统数控m c ) ， 以采用电子管、晶体管以及小规模集成电路进行数字控制为标志；第二阶段称为 计算机数控( c n c ) ，以通用小型计算机、微处理器和个人计算机( p c ) 应用于数字 控制为标志；第三阶段即以高性能嵌入式处理器大量应用于数控系统为标志的嵌 入式数控阶段。 嵌入式技术在工控领域，特别是数控领域的应用研究起步较晚。2 0 世纪九 十年代中后期，随着具有成熟操作系统的嵌入式系统的蓬勃发展，传统数控技术 与嵌入式技术相结合，新型嵌入式数控技术进入了一个高速发展的阶段。 1 1 2 嵌入式数控系统主要研究方向 目前国内外嵌入式数控技术的研究与开发方案多种多样，各有特色，但是可 以从处理器核心、操作系统结构这两个方面进行简单划分。 1 以处理器核心划分 1 ) 采用a r m 微处理器的嵌入式数控系统 a r m 微处理器是典型的3 2 位r i s c 芯片，运算速度快，片内集成度高，可以 作为系统的主控芯片【4 1 。而且目前市场上采用a r m 处理器的集成开发板比较多， 相关的技术支持也更为完善。一般a r m 微处理器作为主控核心，搭配大规模可 编程逻辑控制器件( f p g a ) 作为系统的接口处理芯片，f p g a 可根据系统需要进行 任意配置。采用a r m 和f p a g 设计的经济型数控系统，具有性价比高，可升级性 和可扩展性好的突出特点，占有很大的市场份额。 2 ) 采用数字信号处理器( d s p ) 的嵌入式数控模块 第章绪论 嵌入式数控系统的一个研究方向是采用嵌入式模块进行数控改造，其中采用 较多的就是专用d s p 控制器。该方案可以保证原有的数控系统中的一些传统控制 核心，如工控机等设备专注于人机界面、输入输出、预处理、发送指令、故障诊 断等非实时性功能，而需要大量运算的插补、补偿处理、速度控制、位置控制等 则由嵌入式d s p 控制器模块完成【5 】。这种方案在传统数控改造以及功能模块较为 复杂的中高档数控上采用较多。 3 ) 采用p c 1 0 4 嵌入式计算机模块的嵌入式数控系统 p c 1 0 4 嵌入式计算机是上世纪8 0 年代末出现的一种新型的工控机，采用层 叠式结构，因其总线之间互连使用1 0 4 个信号线，该嵌入式计算机又称为p c 1 0 4 。 它提供与p c 总线在体系结构、硬件和软件上完全兼容，而且结构紧凑的栈接式 模块很适合嵌入式应用的独特要求。已有的p c 1 0 4 模块为构造嵌入式系统提供 了种类繁多的构件，它的高集成度和模块化的结构适用于数控系统的构建【6 1 。 2 以操作系统划分 1 ) 采用l i n u x 操作系统的嵌入式数控系统 在中低档嵌入式数控系统中大量采用嵌入式l i n u x 操作系统，有其必然性。 l i n u x 是开放源代码的，遍布全球的众多l i n u x 爱好者都是l i n u x 开发者的强大技 术支持；l i n u x 的源代码随处可得，注释丰富，文档齐全，便于进行二次开发； 嵌入式l i n u x 的内核小、效率高；l i n u x 是开放源码的操作系统，在价格上极具竞 争力，适合中低档数控的市场定位；l i n u x 具有良好的跨平台性和良好的网络支 持，可以很好的支持数控加工的网络化【7 】。需要指出的是，己经有许多高校和企 业针对数控加工需要，进行了嵌入式l i n u x 的二次开发，如实时性很强的 r t - l i n u x ，以及针对数控需求定制的n c l i l l u ) 【8 】。 2 ) 采用w i n d o w sc e 操作系统的嵌入式数控系统 w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 为多种嵌入式系统和产品而设计的一个紧凑、高效、 可升级的多进程、多线程、抢先多任务实时操作系统。w i n d o w sc e 可以满足嵌 入式数控系统的实时性要求；w i n d o w sc e 可以满足嵌入式数控系统的模块化和 功能柔性的要求；w i n d o w sc e 可以兼容市场上大量的软硬件资源，具有强大的 通讯互联功能。但是作为一种商业化操作系统，w i n d o w sc e 源码没有完全开放， 不利于用户的二次开发，而且还要考虑到软件版权问题【9 】o 3 ) 采用1 tc o s i i 操作系统的嵌入式数控系统 1 1c o s i i 是个源代码完全公开的嵌入式实时操作系统。它的绝大部分代码 都是用a n s ic 写的，可移植性较强。同时协l ac o s i i 还具有可裁剪、可确定以 及稳定性与可靠性高的特点，是一种全透明的实时操作系统，非常适合嵌入式以 及开放式数控系统中对开放性和强实时性控制的需求【10 1 。 第一章绪论 4 ) 采用其他操作系统的嵌入式数控系统 除以上操作系统外，在嵌入式数控系统中还有采用包括美国e m b e d d e d s y s t e mp r o d u c t s 公司的r t x c 、采用加拿大q n xs o f t w a r es y s t e m sl t d 公司的 q n x 以及美国w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 等专用商业操作系统的嵌入式数控产 品。尽管这些产品有着很好的实时性，但是其开发工具昂贵，详细的技术及开发 文档很难得到，可利用的资源不多【1 1 | 。 实际上，以上两种划分方法具有交叉性，即在同一硬件平台上可能可以采用 多种不同的操作系统，而同一操作系统也同样可以运行在多个硬件平台上。 1 1 3 国内外研究现状 在国外影响较大的是由欧盟( 原欧共体) 发起并资助的i s t ( i n f o r m a t i o n s o c i e t yt e c h n o l o g i e s ) 计划中，称为p e n g u i x ( p o r t i n ga l le m b e d d e dn u m e r i c a l c o n t r o lo ng n ul i n u x ) 的研究项目u 2 。 该项目于2 0 0 1 年6 月启动，由意大利的f d i a i 公司负责开发。该项目的主 要目标是使用开放源代码的l i n u x 来实现数控系统的软件平台，取代过去的专用 软件平台。使数控系统实现软件化、模块化，并使用组件技术( c o r b a ) 实现系统 内部的通信。从而使数控系统独立于专有硬件平台，可以实现不同硬件平台的移 植。该项研究符合数控系统的发展趋势，是嵌入式数控技术发展的新探索【l 3 1 。 此外包括美国以及日本和韩国的相关企业也都有了一些成熟的嵌入式数控 产品，如美国的g e f a n u c 、日本的三菱、韩国的现代等。国外众多成熟嵌入式 数控产品，一定程度上反映了嵌入式数控系统的发展方向。 以德国e c k e m a n n 公司的嵌入式数控产品e e n c 5 5 为例。它是一种新型 的高性能独立型模块化数控系统，基于d s p 和a r m 微处理器硬件结构，同时借 助于现代通信技术，该系统可以通过t c p i p 协议、p c m m i 技术以及c a n 现场 总线与多台数控加工系统连接。 与传统的高性能数控系统相比，该系统完全独立于p c ，是一种真正的高性 能嵌入式数控系统。该系统拥有3 2 b t i m p g 5 5 5 控制器，可编程范围广，并可进 行附加指令扩展；最大支持8 个数控加工轴，并可同时进行5 轴插补；集成完善 的p l c 模块，可以支持所有符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的编程语言【l 4 | 。 与国外相比，目前国内嵌入式数控技术的发展方兴未艾，主要还处于预研阶 段。但是已经有一些企业与高校以及相关研究机构合作，开发出一些嵌入式数控 产品，这里作一个简单的介绍。 基于l ac o s i i 的嵌入式数控系统。它是广州数控有限公司与北京航空航天 大学智能技术与装备实验室于2 0 0 3 年开始合作开发的产品。该系统采用u 第一章绪论 c o s i i 实时操作系统软件平台、pc o s 1 1 人机界面、a r m 微控制器硬件平台、 f p g a 夕 - 围电路。该系统已经成功加工多种零件样品，并开始产品化推进工作【1 5 】。 广州数控与广州工业大学合作的嵌入式数控铣床系统，在开发思路上与前一 产品相似。硬件选择上以a r m 主控板和d s p 运动控制板为核心，并辅以相应的外 围通讯模块组成完整的硬件平台；软件选择1 1c o s i i 实时嵌入式操作系统，开 发并嵌入系统所需的应用软件。与前一系统相比，此系统已经进入产业化阶段， 广州数控有限公司已经生产出相应产品，并进行市场推广【l 6 】。 上海电气集团下属的上海开通数控有限公司，是国内最早从事数控系统和交 流伺服驱动系统开发生产的企业之一。2 0 0 4 年，开通数控和美国s o f t s e r v o 公司 合作，在上海成立了数控技术研究所，他们开发出了基于光纤伺服总线的中高档 开放式嵌入式数控系统平台k g 2 0 0 0 系列产品。该系统采用嵌入式结构和光纤通 信，以c f 卡代替硬盘，运行uc l i n u x 操作系统，人机界面采用k y l i x ( d e l p h i 的l i n u x 环境发行版) 集成开发环境开发。控制核心分为两部分，数控译码和图 形界面由a r m 7 处理器控制，插补运算和执行机构由专用d s p 控制。该系统已 经有了成熟的商业化产品。 此外，包括北京威控科技、华中数控等公司也都有了各自的嵌入式数控产品， 在结构上进行了不同方案的探索，有着各自的特色。 1 2 课题的提出与意义 制造业是国民经济最重要的支柱产业。在工业化国家，约有四分之一的人口 从事制造业，约7 0 一8 0 的物质财富来自制造业。制造业是我国国民经济的核 心和工业化的原动力，我国制造业工业总产值约占全国g d p 的4 2 5 【l7 1 。嵌入式 系统已经应用到制造业的各个方面，从嵌入式与智能化电机、嵌入式与智能化水 泵、嵌入式与智能化机床到嵌入式与智能化汽车，等等【l 踟。嵌入式技术已经成为 现代制造业不可缺少的个重要部分。当前，世界范围内装备制造业蓬勃发展， 信息技术对传统装备产品的提升改造，是装备制造业产品升级换代的有效途径。 嵌入式数控技术是传统数控技术与计算机技术，控制技术，嵌入式操作系统 以及应用软件相结合的产物，是传统制造业信息化改造的典范。通过与嵌入式技 术的结合，缩小了国内外在数控硬件技术和应用软件上的技术鸿沟，为我国制造 产业特别是装备制造业的革新和发展带来了新的机遇。 数控实验室已开发出基于工控机和p m a c 运动控制卡的t d n c m 4 伺服型 数控系统，在此基础上提出基于芯片级架构的a r m 和d s p 的嵌入式数控系统硬 件体系和基于免费开源的嵌入式l i n u x 的数控软件系统，对于数控系统功能的灵 4 第一章绪论 活扩展和生产成本的降低具有重大意义，其平台的软硬件重构能力对于形成产品 系列、甚至用于机器入或其他专用设备都具有极为重要的意义。 1 3 论文主要研究内容与安排 本论文深入了研究嵌入式数控技术的发展和国内外研究现状，在实验室目前 正在研发的a r m + d s p 硬件平台上研究开发基于嵌入式l i n u x 软件的数控系统， 内容主要涉及嵌入式l i n u x 系统及其开发环境的构建、数控系统人机交互界面各 层次的设计与实现和基于l i n u x 多线程的数控系统多任务的并行设计。 论文章节安排及各章主要内容如下： 第一章：简要阐述数控技术及嵌入式数控系统的发展、研究方向及国内外研 究现状，课题的提出和意义及论文主要研究内容。 第二章：介绍数控系统原理，研究当今多微处理器架构c n c 的系统架构与 特点，阐述论文涉及数控系统的硬件架构及嵌入式操作系统的选型和基于嵌入式 l i n u x 的数控系统的软件架构。 第三章：阐述如何构建嵌入式l i n u x 系统，包含l i n u x 内核的定制和交叉编 译以及根文件系统的构建与制作，构建嵌入式l i n u x 的操作系统平台，并搭建“宿 主机一目标机”的嵌入式l i n u x 开发环境。 第四章：研究数控系统人机交互技术，这里所讲的人机交互实际包含了操作 者对于机床所有的操作与管理，包括操作者指令输入、机床状态信息反馈，也包 括数控系统文件管理、系统参数管理、运行方式管理等诸多方面。论文首先从功 能性和人机工程学两方面研究人机交互技术，然后设计和实现人机交互基本模 块：键盘输入模块和l c d 图形显示模块，在此基础上构建起人机交互的消息机 制，然后对数控系统功能进行分类，并做人机交互各功能的详细设计与实现。 第五章：介绍l i n u x 的多线程并行程序设计原理，利用多线程实现系统管理 任务( 管理线程或称交互线程) 与控制任务( 控制线程) 的并行协调运行。编码 测试任务完成，介绍系统在加工中心上的应用。 第六章：课题总结和展望。 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 2 1 数控系统原理 数控系统一般由输入输出装置、数控装置、驱动控制装置、机床电器逻辑控 制装置四部分组成，机床本体为被控对象，如图2 - 1 所示【1 9 】【2 0 1 。 输入数控蚓驱璇制旧机 输出 h 、 装置 装置床 二= 爿电器逻辑高= 二今 图2 - 1 数控系统组成的一般形式 数控系统是严格按照外部输入的程序对工件进行自动加工的，我们将从外部 输入的、描述机床加工过程的程序称为数控加工程序，它是用字母、数字和其它 符号的编码指令规定的程序。数控加工程序按零件加工顺序记载机床加工所需的 各种信息，有零件加工的轨迹信息、工艺信息及开关命令等。 输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置，输入内容及数控系统的 工作状态可以通过输出装置观察。 数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程 序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。 其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。前者 称作硬件数控装置，其数控功能由硬件逻辑电路实现；后者称为c n c 装置，其 数控功能由硬件和软件共同完成。 数控装置将数控加工程序信息按两类控制量分别输出：类是连续控制量， 送往驱动控制装置；另一类是离散的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置。 控制机床各组成部分实现各种数控功能。 驱动控制装置位于数控装置和机床之间，包括进给轴伺服驱动装置和主轴驱 动装置。进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反 馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱 6 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 动机床受控部件；主轴驱动装置主要由速度控制单元控制；电动机可以是各种步 进电动机、直流电动机或交流电动机。 机床电器逻辑控制装置也位于数控装置和机床之间，接受数控装置发出的开 关命令，主要完成机床主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功能，工件装夹功 能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能及其它机床辅助功能。其形式可以是 继电器控制线路或可编程序控制器。 数控机床配有各种辅助装置，其作用是配合机床完成对零件的加工。如切削 液或油液处理系统中的冷却或过滤装置，油液分离装置，吸尘吸雾装置，润滑装 置及辅助主机实现传动和控制的气动、液动装置等；除上述通用辅助装置外，从 目前数控机床技术现状看，至少还有五类辅助装置是数控机床应配备的：对刀仪， 自动编程机，自动排屑器，物料储运及上下料装置及交流稳压电源。 当数控系统的一般组成形式中的数控装置采用计算机数控装置时，该数控系 统就称作计算机数控系统。计算机数控系统内硬件和软件共同完成数控任务，组 成以图2 2 所示的系统为例【2 0 1 。 输入 叫嚣h 剐 主轴 程序涪单+ 电动机 装置计簋机 t。 机 信息载体 数字 床 编程器 通信控制 c k d t c , m 系统+ 速度进给 上位机+ 线路装置 控制电动机 ( c h c ) 位置 输出 检测器 装置 图2 - 2 计算机数控系统组成 集成电路及计算机技术的迅猛发展，给数控硬件技术更新换代注入新的活 力，现代数控系统普遍采用超大规模集成电路( v l s i ) 、专用芯片( a s i c ) 、f p g a 及数字信号处理( d s p ) 技术。作为数控系统核心的处理器广泛采用高速r i s c c p u ，保证高速、高精度的数控加工。现代c n c 系统的硬件结构一般分为单微 处理器和多微处理器两大类。早期的c n c 和现在的一些经济型c n c 系统都采用 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 单微处理器结构；但是，随着机械制造技术的发展，对数控机床提出了加工精度 高、进给速度高和更丰富的功能要求，以及适应更高层次自动化( f m s 和c i m s ) 的要求，因此多微处理器结构得迅速发展，它代表了当今数控系统的新方向。 2 2 多微处理器结构c n c 系统 多微处理器数控系统是由两个或两个以上的c p u 构成处理部件，各处理部 件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个c p u 都可享用系统公用存 储器或i o 接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的c n c 装置中顺 序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个 系统的性能。 2 2 1多微处理器的基本功能模块 多微处理器结构按其功能可分为如下基本模块【2 1 】： 1 c n c 管理模块具有管理和组织整个c n c 系统工作过程的职能。例如 系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等。 2 c n c 插补模块对工件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算 和进给速度处理等插补前的预处理工作。然后按给定的插补类型和轨迹坐标进行 插补计算，向各个坐标轴发出位置指令值。 3 位置控制模块将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的 实际位置值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和 漂移补偿，得到速度控制的模拟电压，驱动进给电动机。 4 p l c 模块对加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理， 实现各功能与操作方式之间的连锁，如机床电气设备的起动与停止、刀具交换、 回转台分度、工件数量和运行时间的计算等。 5 数据输入输出和显示模块包括加工程序、参数和数据、各种操作命令 的输入( 如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等) 和输出( 如通过打印机、纸 带穿孔机等) 以及显示( 如通过c r t 、液晶显示器等) 所需要的各种接口电路。 6 存储器模块既可以是存放程序和数据的主存储器，也可以是各功能模 块间传送数据用的共享存储器。 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 2 2 2 多微处理器结构的特点 1 计算处理速度高多微处理机结构中的每一个微处理器完成系统中指定 的一部分功能，独立执行程序，并行运行，比单微处理机提高了计算处理速度。 它适应多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统共享资源， 性能价格比也较高。 2 可靠性高由于系统中每个微处理器分管各自的任务，形成若干模块插 件，模块更换方便，可使故障对系统影响减到最小。共享资源省去了重复机构， 不但降低造价，也提高了可靠性。 3 良好的适应性和扩展性多微处理机的c n c 装置大都采用模块化结构。 可将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的 软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元， 称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或 工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成c n c 装置，使设计简 单，有良好的适应性和扩展性。 4 硬件易于组织规模生产一般硬件是通用的，容易配置，只要开发新软 件就可构成不同的c n c 装置，便于组织硬件规模生产，保证质量，形成批量。 2 2 3 多微处理器c n c 装置的典型结构 采用多微处理器结构的c n c 装置，有共享总线和共享存储器两种典型结构。 1 共享总线结构以系统总线为中心，把组成c n c 装置的各种功能模块划 分为带有c p u 的各种主模块和不带c p u 的各种从模块，如r a m r o m 模块或 i o 模块是从模块，管理模块、控制模块、插补模块是主模块。所有主、从模块 共享严格定义的标准系统总线。系统总线有效地连接各个模块，按照要求交换各 种数据和控制信号，构成一个完整的系统。在系统中只有主模块有权控制使用系 统总线，由于某一时刻只能有一个主模块占有总线，必须有仲裁电路按各个主模 块按其担负任务的重要程度而预先排好的优先级别裁决多个主模块同时请求使 用系统总线的竞争。 2 共享存储器结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口存储器来 实现各主模块之间的互联和通讯，同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只 能允许有一主模块对多端口存储器进行访问( 读写) ，所以，也必须有一套多端 口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多端口存储器设计较复杂，而目对 两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，降低系统 效率，给扩展功能造成困难，所以一般采用双端口存储器( 双端口r a m ) 。 9 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 2 3 系统硬件体系结构 本课题所研究系统即采用了a r m + d s p 的双微处理器结构。系统硬件体系结 构如图2 3 所示。 图2 - 3 系统硬件体系结构 从a r m 系列处理器中选择a r m 9 作为中高档数控系统的核心处理器是完全 可以满足要求的。a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性 能，具有以下特点： 1 5 级流水线结构，指令执行效率更高。 2 提供1 1 m i p s m h ：的哈佛结构。 3 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 4 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 5 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式 操作系统。 6 m p u 支持实时操作系统。 7 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 主控板即以a r m 9 微处理器为核心，辅以s d r a m 、f l a s hr o m 存储器， 2 d 图形加速器( 独立2 m 字节显示存储器的图形加速引擎、最大支持1 6 b p p 模式 8 0 0 6 0 0 分辨率的t f t 液晶屏接口) ，标准3 线9 线的r s 2 3 2 串口，r s 4 8 5 通讯 接口，1 0 0 m 网口，u s bh o s t 、u s bd e v i c e 接口，c a n 总线接口( 支持c a n 2 0 a 、 c a n 2 0 b 协议) ，等外围设备接口，可在其上连接t f tl c d 显示屏、以太网络、 扩展s d m m c 卡、i d e 硬盘等诸多外围设备，并有一个5 0 芯2 毫米间距用户扩 1 0 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 展接口，引出了地址线、数据线、读写、片选、中断、i o 口、5 v 和3 v 电源、地 等用户扩展用信号【2 2 1 。这样a r m 主控板完全可以完成系统的输入输出、网络通 信和显示操作界面功能，实现对数控系统的整体控制。该a r m 主控板即通过上 文所述双端i r a m 实现与d s p 运动控制模块的通信。 d s p 控制模块以d s p 为核心，搭接r a m 、r o m 等其他外围芯片而构成。 它外接机床主轴伺服单元、进给伺服单元、机床i o 电路以及传感器等，实现对 机床运动轴的运动控制和逻辑控制以及一些机床辅助装置( 如刀库、冷却系统、 润滑系统等) 的控制。其中，运动控制需要完成插补运算、刀补运算等，而这些 工作的计算量非常之大，其精度也直接影响着整个数控机床的精度，用一般的处 理器难以达到较好的效果，而d s p 器件是专门为快速实现各种数字信号处理算 法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度已高达2 0 0 0 m i p s ，比最快 的c p u 还快l o 5 0 倍，因而，d s p 能够出色的完成机床运动控制以及其它电器 元件的逻辑控制，和a r m 主控板紧密配合完成数控机床的整体控制，并保障其 安全高效的运行。 2 4 系统软件总体框架 数控系统涉及运动控制、数据管理、输入输出、网络通信等诸多功能，在计 算机技术迅速发展的今天，操作系统以其强大的功能管理计算机c p u 、内存、 外设、文件系统等，为用户使用计算机提供了诸多方便，因此我们在嵌入式操作 系统上构建数控系统应用程序。 2 4 1 嵌入式操作系统选择 作为嵌入式系统灵魂的嵌入式操作系统是随着嵌入式系统的发展而出现的， 它是嵌入式系统发展到一定阶段的产物。最初的嵌入式系统是用汇编语言编写 的，只能用于特定的处理器，对硬件的依赖性强。许多系统根本没有操作系统， 只有循环控制。对于一些简单设备，这些程序己经足够，可是更多的嵌入式系统 需要图形显示功能，可能还会需要与各类网络联接，这时仅仅用简单的循环控制 就不够用了，必须使用操作系统，因此，嵌入式操作系统就应运而生。嵌入式操 作系统的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，使嵌入式系统的开发更具科学 性。 硬件平台会影响到嵌入式操作系统的选择，硬件设计方案一旦确定之后，操 作系统的选择就需根据此设计方案做出。当然，嵌入式操作系统的选择并不简单。 第二章基于嵌入式l i n u x 的数控系统体系结构 对特定的应用而言，选择的关键是寻找一个最适合所开发系统的操作系统，通常 可以从以下几个方面进行考虑【2 3 】： 1 操作系统提供的开发工具：有些实时操作系统( r t o s ) 只支持该系统供应 商的开发工具，因此还必须向操作系统供应商获取编译器、调试器等；而有些操 作系统使用广泛，且有第三方工具可用，从而选择的余地就比较大； 2 操作系统向硬件平台移植的难度：操作系统到硬件平台的移植是一个重 要的问题，是关系到整个工程能否顺利完成的一个关键因素。因此，要选择那些 可移植化程度高的操作系统，从而避免操作系统难以向硬件移植而带来的种种困 难，加速系统的开发工作； 3 操作系统的可配置性：尽量选择具有很高可配置性的操作系统，从而可 根据具体任务的要求，配置出既满足系统应用，又能充分发挥系统硬件平台性能 的e o s ； 4 操作系统的内存要求：均衡考虑是否需要额外购买r a m 或e e p r o m 来 满足操作系统对大内存的要求； 5 开发人员对操作系统及其提供的应用程序接v i ( a p i ) 的熟悉程度。 l i n u x 是一种在网络上产生的操作系统，它的产生来自于一名芬兰学生l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好。l i n u x 作为一个自由软件，近年来发展迅速，逐渐成为一 个健壮的操作系统，l i n u x 操作系统具有如下优点： 1 免费开放源代码 l i n u x 的源代码是免费开放的，不存在黑箱技术开放源代码的特点注定了 l i n u x 适合嵌入式系统因为可以根据需要对操作系统源代码进行定制和修改 从而满足不同应用的需求。 2 内核结构模块化 l i n u x 的内核可以被划分为独立的模块。l i n u x 提供的模块机制使用户根据 自己的需要将某些模块插入到内核或从内核中移走，所以系统内核可以裁剪得精 而小。 3 功能强大，支持多种硬件平台 l i n u x 对硬件具有广泛的兼容性，可以非常稳定地运行在许多种体系结构的 处理器上，最新的l i n u x 内核支持x 8 6 、d r a g o nb a l l 、a r m 、s t r o n ga r m 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 等微处理器体系结构。 正是由于具有上述优点，使得用l i n u x 构建嵌入式操作系统具有相当大的 优势：与其它商业操作系统相比，免费开放