（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的数控机床远程监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息化和数控技术的不断发展，数控行业的网络化管理已成为必然。 为实现数控机床的网络化管理，针对目前一些老式机床无远程监控平台的问题，本 文提出了基于嵌入式l i n u x 的数控机床远程监控系统的设计与实现方案。该方案的嵌入 式模块采用嵌入式l i n u x 操作系统与a r m 处理器为平台，软硬件结合，完成车间级监 控主机与各数控机床之间的通信。并利用嵌入式s q l i t e 数据库对机床状态信息进行实 时备份。该方案的智能控制模块，可根据接收到的机床报警信息，向机床发送相应的控 制命令，保护机床正常运行。为达到对多台机床进行集中监控管理的目的，车间级监控 主机可同时监控车间内的所有机床，包括机床状态信息的显示，监控主机与机床的通信 设置，机床控制命令与数控代码的传输等。车闯级监控主机还可通过应用服务器直接接 入i n t e m e t ，以便将机床的状态数据发送到远程进行故障诊断。 本文首先从项目总体结构设计开始，由总的软硬件结构，各模块间的关系等出发， 给出了总的结构设计图。然后介绍了硬件结构设计，包括设计思路，各器件的选择，总 体硬件设计结构图，各器件间的接口、联系，各器件的功能，及其在本项目中所占的位 置等。硬件部分主要包括嵌入式模块的处理器的选择，处理器的作用，处理器与机床的 接口，数控机床的组网，嵌入式模块与上位车间级监控主机的通信，整个硬件环境的搭 建，环境变量的配置等。接着介绍了嵌入式软件模块的设计，结构图、流程图的实现， 各个模块间的组织关系，通信协议的创建等。接下来分别介绍了软件总体结构中的网口 模块，串口模块及信息处理模块的开发步骤，智能控制模块的设计思想及实现，以及嵌 入式数据库s q u t e 的设计与实现方法等。再接下来介绍了程序的调试，项目测试与项 目实验的开展等。最后作了一下整个项目的总结，对本课题做了进一步的技术展望。 实验结果表明，该方案可以有效地对老式无远程监控平台的数控机床，以及有危险 作业环境的数控机床进行集中监控，实现了数控机床的网络化统一管理。 关键词：嵌入式l i n u x ；a r m 处理器；嵌入式s q l i t e 数据库；数控机床；远程监 控 人连交通人学r 学硕十学僦论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec n ct e c h n o l o g y ，t h e n e t w o r km a n a g e m e n to ft h en ci n d u s t r yh a sb e c o m ean e c e s s i t y i no r d e rt or e a l i z eo fn e t w o r km a n a g e m e n to ft h ec n cm a c h i n e ，a n dt a r g e ta tt h e p r o b l e mo fs o m eo l d f a s h i o n e dm a c h i n ew h i c hd on o tr e m o t em o n i t o r i n gp l a t f o r m ，t h i sp a p e r p r e s e n t sap r o g r a ma b o u tt h ee m b e d d e dl i n u x b a s e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n t h ep r o g r a m se m b e d d e dm o d u l em a k eu s eo fe 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 da r mp r o c e s s o ra sp l a t f o r m ，a n dc o m b i n a t eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oc o m p l e t e t h ec o m m u n i c a t i o no ft h es h o pf l o o r sm o n i t o r i n gh o s ta n dt h ev a r i o u sc n cm a c h i n e a n d m a k eu s eo ft h ee m b e d d e ds q l i t ed a t a b a s et oc o n d u c tr e a l - t i m eb a c k u po nt h em a c h i n e s t a t u si n f o r m a t i o n t h ep r o g r a m si n t e l l i g e n tc o n t r o lm o d u l ea c c o r dt or e c e i v ea l a r m i n f o r m a t i o no ft h em a c h i n et os e n dt h ea p p r o p r i a t ec o n t r o lc o m m a n d st ot h em a c h i n ea n d p r o t e c tm a c h i n en o r m a l l yr u n n i n g i no r d e rt oc e n t r a l i z e dm o n i t o ra n dm a n a g em u c hm o r e m a c h i n e s ，p l a n t - l e v e lm o n i t o r i n gh o s tc a ns i m u l t a n e o u s l ym o n i t o ra l lt h em a c h i n e ，i n c l u d i n g d i s p l a yt h em a c h i n e s t a t u si n f o r m a t i o n ，m o n i t o rt h ec o m m u n i c a t i o ns e t t i n g sb e t w e e nt h eh o s t a n dt h em a c h i n e ，a n dt r a n s p o r tb e t w e e nm a c h i n e s t o o lc o m m a n d sa n dn cc o d ea n ds oo n t h eh o s to fp l a n t l e v e lm o n i t o r i n gc a nb ed i r e c t l ya c c e s s e da p p l i c a t i o ns e r v e rb yi n t e m e t ，s o t h a tc o n d u c tt h er e m o t ef a u l td i a g n o s i sa b o u tt h es t a t ed a t ao ft h em a c h i n e i nt h i sp a p e r ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ed e s i g ni sg i v e nf i r s t l yb ys t a r t i n gt h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h ed e s i g no ft h ep r o j e c t ，a n dt h e nb yp r o c e e d i n gt h eg e n e r a ls t r u c t u r eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a r i o u sm o d u l e s t h e ni n t r o d u c i n gt h e h a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g n ，i n c l u d i n gd e s i g ni d e a s ，t h ec h o i c eo fe a c hd e v i c e ，t h eo v e r a l l h a r d w a r ed e s i g ns t r u c t u r ed i a g r a m ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ev a r i o u sd e v i c e s ，c o n t a c t ，d e v i c e s f u n c t i o n ，a n di t sp l a c ei nt h i sp r o j e c ta n ds oo n t h eh a r d w a r ec o m p o n e n tm a i n l yi n c l u d e st h e c h o i c eo fe m b e d d e dm o d u l ep r o c e s s o r s ，t h er o l eo ft h ep r o c e s s o r s ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e n p r o c e s s o r sa n dm a c h i n e ，t h en e t w o r k i n g0 fc n cm a c h i n e ，t h ec o m m u n i c a t i o no ft h e e m b e d d e dm o d u l ea n dt h eu p p e r - l e v e l w o r k s h o pm o n i t o r i n gh o s t ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h e e n t i r eh a r d w a r ee n v i r o n m e n t ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ee n v i r o n m e n tv a r i a b l e t h e n i n t r o d u c i n gt h ed e s i g n o fe m b e d d e ds o f t w a r em o d u l e s ，s t r u c t u r ed i a g r a m s ，f l o w c h a r t s i m p l e m e n t a t i o n ，t h eo r g a n i z a t i o n a lr e l a t i o n s h i p so ft h ev a r i o u sm o d u l e s ，a n dt h ec r e a t i o no f t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds oo n t h e ni n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sw h i c h i n c l u d e st h en e t w o r kp o r tm o d u l eo ft h es o f t w a r eo v e r a l ls t r u c t u r e ，s e r i a lm o d u l ea n dt h e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm o d u l eo f , a n dt h ed e s i g nc o n c e p ta n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n t c o n t r o lm o d u l e a sw e l la st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h ee m b e d d e dd a t a b a s e s q l i t ea n ds oo n t h e ni n t r o d u c i n gt h ep r o g r a md e b u g g i n g ，p r o j e c tt e s t i n ga n dh o wt oc a r r y l i 摘要 o u te x p e r i m e n t sa n ds oo n f i n a l l ys u m m a r i z i n gt h e e n t i r ep r o j e c ta n dm a k i n gf u r t h e r t e c h n i c a lo u t l o o ka b o u tt h et o p i c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o g r a mc a ne f f e c t i v e l yc e n t r a l i z e dm o n i t o r o l d f a s h i o n e da n dn o n r e m o t em o n i t o r i n gp l a t f o r m sc n cm a c h i n e s ，a n dt h ec n c m a c h i n e s w h j c hh a v ed a n g e r o u so p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，a n da c h i e v i n g t h en e t w o r k b a s e du n i f i e d m a n a g e m e n to fc n c m a c h i n e k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；a r mp r o c e s s o r ；e m b e d d e dd a t a b a s e ；c n c m a c h i n et o o l s ；m o n i t o r i n g h i 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通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。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 撇嬲鲐王曦 日期： 够年t 上月多e i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太重塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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应遵守此规定) 学位论文作者签名： 互戮 日期：硝年1 2 月l 多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：之农丧一 倒l o 入 日期： 砷年j 文月l 弓日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基于嵌入式的数控机床远程监控技术概述 一直以来，数控技术都是制造业的一个关键领域，随着信息化的快速发展，数控技 术也面临着一个又一个新的挑战。早期的数控机床监控，主要是靠工作人员亲自在机床 跟前监控，包括查看机床的工作状态，输入控制命令，程序代码等，当机床出现故障时 可以立即采取措施进行维护。这种监控方式对工作人员的要求比较高，首先工作人员要 对机床特别了解，特别是出现故障时要求工作人员能迅速准确的做出判断，专业人员需 求量大l l j 。另外，对一些有危险作业环境的机床，如高温作业环境，高转速切削等，会 对工作人员造成身体危害，车间内的噪声环境也是对健康的一个大的威胁。 随着科学技术和数控技术的不断发展，出现了远离危险作业区的机床监控技术，但 监控主机的距离未能达到远程，而且一般都是一台监控主机只监控一台机床，不能完成 多台机床的统一管理。随着计算机、网络技术日益普遍运用，智能化、网络化成为当代 数控机床发展的主要趋势。在网络环境下实现数控机床的监视及控制，其意义在于：扩 大了操作者对操作对象的控制范围，提高了管理者加工设备运行情况掌握的方便程度； 利于制造资源共享，达到充分提高数控设备利用率的目的；为实现数控机床的高速、强 力切削，数控加工的无人化环境奠定了基础；实现数控机床的网络化管理，将网络化管 理递进至生产车间，为实现企业全面信息化奠定了基础。 常见的数控机床远程监控系统，一般是指基于p c 监控机的网络化远程监控。通过 基于p c 监控机的监控程序，将机床的状态或报警信息，发送到互联网的远程，利用专 家系统，对此机床的状态信息进行专家检测，或进行故障的诊断与排除。这些机床的远 程监控系统，除了最基本的状态信息采集外，有的与视频系统结合使用，通过实时查看 机床的工作情况，进行机床的实时监测，但这些系统的实时性有一定的延迟。还有一些 监控系统，利用各种传感器，采集机床的不同状态信息，然后传输到远程专家系统进行 故障诊断与排除。 本系统是基于嵌入式的数控机床远程监控系统。嵌入式系统是“控制、监视或者辅 助机器和设备运行的装置。是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 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统 。在机床 的监控领域使用嵌入式系统比传统工控机有很多优点，嵌入式和传统工控机的监控技术 比较如下： 大连交通大学。r ：学硕十学l 奇论文 ( 1 ) 在监控需求方面，对环境( 温湿度、电量、状态等监测) ，嵌入式系统是一体设计， 随插即用，将需要监控点的传感器接上即可，符合大型机房监控需求、扩充性佳；而传 统工控机，相容性不佳、扩充不易。功能性往往因地制宜，工控机组态软件修改，受制 于厂商，蓝不适用于i t 行业使用。 ( 2 ) 在视频监控方面，嵌入式系统使用网络视频服务器，与所有监控点整合并有互动，达 到全面监控的实质目的；而传统工控机则使用工控机d v r 系统，目前厂商无法有效解泱 监控图像和窄带传输的整合。 ( 3 ) 远程维护方面，嵌入式系统将嵌入式监控设备联网设定i p 后经过i n t c m e t ，总部即可远 程监控；而传统工控机一般不可能远程维护，系统费用高。 ( 4 ) 在系统费用方面，嵌入式系统监控用工作站使用普通p c 价格低，单一价格评估，整体 报价容易，审核方便，建设成本、维护成本和扩容成本都低；而传统工控机监控用工作 站使用专门的工控机价格高，整合所有分布系统时因地制宜，评估报价不易，组态系统 价格高，建设成本、维护成本和扩容成本都高。另外嵌入式系统是一个软硬件高度结合 的产物。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。片上系统，板上系统的实现，使得这 类产品拥有更加简便的操作界面和操作方式，比着传统的工控机组态等功能更加实用。 基于以上嵌入式系统与传统工控机的比较，本文选用嵌入式系统进行数控机床的远 程监控。主要是利用嵌入式a r m 处理器，嵌入式l i n u x 操作系统，结合嵌入式s q l i t c 数据库，对机床的状态信息进行采集，利用数控机床组网技术，将多台机床的状态信息 集中在一台局域网监控主机上，进行实时监控，达到多台机床统一监控管理的目的。 1 2 研究现状及发展趋势 数控机床的设备状态监测与故障诊断作为现代制造技术的一个重要环节，其研究已 经取得了很大的发展。它的目的是要获得设备运行状态的信息，从而保证设备的正常运 行，减少或消除事故，提高设备的生产率和使用寿命。随着相关技术的发展，它大致经 历了以下几个发展阶段：以多用户联机集中式控制为特征的单机监测与诊断系统。这 是第一代监测与诊断系统，这时的监测与诊断系统主要是针对某一特定被监测的设备而 设计的【2 1 。它主要由1 台计算机和1 块或多块功能模板构成。信息的交换与处理仅限于 监测与诊断系统内部，因而是一种封闭式的系统。继而是以局域网络集散化控制为特 征的分布式监测与诊断系统。它主要是针对大型机电设备的主机及辅助设备功能和地域 分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场，独立完成特定功能的本地计算机 2 第一章绪论 互联起来，以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理与诊断功能的工业 计算机网络系统，这是基于工业局域网的相对开放的系统【3 】。 国外对于设备监控故障诊断技术的研究是比较早的，早在二十世纪六十年代，美国 就成立了国家机械故障研究会，于第二年正式启动了设备状态监测与故障诊断技术的研 究。以后，各个国家和公司都开始了这方面的研究与开发。英国在六七十年代，以 r a c o l l a c o t t 为首的英国机械保健中心也着手开始故障诊断理论与技术的研究。欧洲其 他国家在开发故障诊断仪器上具有先进水平，如瑞典的i d h a n m a r 咨询公司负责推进 维修管理和状态监测，s m p 公司围绕轴承研究各种测试仪器等。日本在七十年代初开始 了故障诊断技术的研究，新日铁公司在1 9 7 1 年成立了“设备故障诊断技术研究的专 门组织。自八十年代起，故障诊断技术的理论基础，技术方法及诊断装置的研究与开发 有了快速的发展。这一时期较著名的系统有日本三菱公司的“旋转机械保健管理系统” ( m h m ) ，美国西屋公司的“移动诊断中心 ( m d c ) 等。在机械加工设备的故障诊断方面， 大多研究是以人工智能和专家系统的应用为主要手段，美国德克萨斯大学开发的柔性制 造设备故障诊断专家系统，日本东京大学研制出的制造系统监控与诊断系统等【2 l 。在国 内，设备状态监测与故障诊断技术是从七十年代开始的。到八、九十年代我国的监测与 故障诊断技术得到了长足发展，研究出了几套故障诊断和专家系统，如北航研制的“f m s 物流监测和故障诊断系统；北京机电研究院设计的b m e i a m s 1 先进制造系统可将 c a d c a m 集成其中，完成实体仿真、后置处理、自动传送、直接加工等全过程，且很 容易和i n t e r a c t 网相连，实现远程诊断、远程服务和实时图像监控等。 再后来，则是基于i n t e r n e t 的网络化远程监测及故障诊断。随着计算机技术和信息 技术的发展，特别是网络和开放式数控系统的实现，为远程监测及故障诊断提供了必要 的条件。许多的公司在产品中加入了网络模块，如n e n t l y 公司的计算机在线设备运 行状态监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程 终端发送设备运行状态；n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了 因特网模块，可以通过互联网，e m a i l ，f t p 方式发送测试数据等【1 1 。 总之，设备监控的网络化已经越来越重要，与网络结合才能使数控机床的监测系统 更加的强大和完善。 1 3 论文研究来源、特色及意义 本课题来源于辽宁省教育厅计划项目的延续研究，项目题名：基于现场总线的车间 异构数控机床网络监控系统。 3 大连交通人学工学硕十学位论文 现代制造系统是具有高度柔性、高度复杂和高度集成的系统。影响加工精度的因素 很多，复杂多变。要想获得稳定的加工精度和高的可靠性，就必须具备相应的状态监测 和故障诊断系统，才能使刀具和工件调整、加工状态监测和故障诊断融为一体。此外， 只有将现代化的数控机床、先进的制造技术以及生产组织模式紧密结合，并具有先进的 状态监测与故障诊断系统，才能充分发挥数控机床的加工潜力，提高加工效率及企业的 经济效益。 本论文研究的特色和意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 嵌入式系统是当今社会的研究与应用热点，应用已经涉及工业控制、交通管理、信息 家电、环境工程、军事设备等各行各业，与人们的生活息息相关。数控机床是我国的制 造业发展的主体，数控技术面临与国际化接轨，实现数控设备的网络化管理。本文以嵌 入式系统为研究方向，以数控机床为研究对象，体现了时代的发展，有一定的现实意义。 ( 2 ) 在数控机床的监控平台中使用了嵌入式数据库。一般的数控机床监控系统只有上位工 控机有数据库，用来存储机床的状态信息等，或者向远程客户端发送数据，但如果整个 监控系统的上位机出现故障，则无法实时存储机床信息。而本系统在嵌入式模块中增加 了嵌入式s q l i t e 数据库，用以实时存储机床的状态信息，为车间级监控主机做数据备 份。 ( 3 ) 数控机床的网络化统一监控管理。以前是一台机床一台监控机，而且由于数控机床的 输出端口为串口，串口的传输受距离的限制，使得机床的监控基本上都在机床旁边，这 对于有危险作业环境的机床监控人员会造成健康威胁。本系统的嵌入式模块用串口线与 机床相连，获得机床的状态信息等，而与上位车间级监控主机相连采用网线，这样就使 得监控主机与机床间摆脱了距离的约束。而且可以利用数控机床的组网，实现一台监控 主机在远程监控多台数控机床，方便了数控机床的管理，也有利于改善工作人员的工作 环境。 ( 4 ) 嵌入式模块的控制功能。本系统的嵌入式模块，不仅是上位车间级监控主机与数控机 床的通信枢纽，将由串口线转接网口线，打破监控的距离约束，而且为上位车间级监控 主机的数据库备份，另外还有部分的智能控制功能。本系统的嵌入式模块可以根据接收 到的来自机床的状态或报警信息，不经过监控主机的参与，自行根据具体情况向机床发 送相应的控制命令，达到保护机床的目的。这是在机床自身的保护系统外，又加了一层 实时保护。 正是基于目前的嵌入式发展状况和机床的网络化环境的需要，设计了此针对老式数 控机床的集中监控方案。通过此方案，可以使那些老式数控机床跟上目前的机床网络化 进程，改善工作环境，提高机床的利用率。 4 第章绪论 1 4 各章节结构安排 由于是嵌入式的应用领域，又涉及到嵌入式操作系统的相关知识，而且整个科研项 目的对象是数控机床，其中涉及到机床的状态信息的采集，数控代码的传送，机床部分 又涉及到数控机床组网，而且在项目中还用到了目前比较热门的嵌入式数据库，所以文 章从嵌入式l i n u x 的应用与操作系统的移植，设备的远程监控，嵌入式数据库的移植与 设计，数控机床的信息采集，数控机床的状态信息分析，及机床组网，a r m 处理器在 设备监控中的应用等几个大的方面进行展开。 全文共分六章展开，从软硬件的各自设计，到软硬件结合统一，实现了一个完整的 数控机床远程监控系统。具体如下： 第一章绪论部分，在了解嵌入式系统及数控机床领域的基础上，阐述了本课题研究的意 义、目的以及研究的主要内容；讨论了国内外的研究现状与发展趋势；同时简述了数控 机床远程监控的必要性。 第二章为系统的总体结构设计与实现。给出了本系统的软硬件开发平台，整个远程监控 系统的设计思路及功能等。 第三章为系统的硬件结构实现。从处理器的选择，各种处理器的优缺点及应用领域等， 进而设计了本系统的硬件结构功能图。 第四章为系统的软件结构实现。从嵌入式操作系统的选择、各系统的功能特点，到操作 系统的嵌入式配置、裁剪、移植与烧写；嵌入式数据库的分析、移植与应用开发：从整 个系统软件各模块的功能设计开发，到应用程序的烧写使用等。 第五章为软硬件测试与实验结果。本章将软件功能模块与硬件平台结合，使其成为统一 的完整嵌入式系统，然后通过实验验证，得出实验结果。 最后为全文总结与展望。总结全文的研究过程与成果，并对所研究课题的发展进行了展 望。 5 大连交通火学。i ：学硕十学位论文 第二章系统的总体结构设计与实现 2 1 系统总体结构设计简介 本系统采用目前比较流行的嵌入式a r m 处理器和l i n u x 操作系统，对机床进行状 态信息采集，以及向机床发送信息。在a r m 处理器芯片的f l a s h r o m 中，嵌入l i n u x 操作系统和采用目i i f 较前沿的嵌入式s q l i t e 数据库，将从机床接收到的状态信息，经 过处理，存入嵌入式数据库，同时向上反馈给车间级监控主机；以及接收从车间级监控 主机发送来的控制命令或程序代码。且本系统还有一定的智能功能，即本系统可以根据 接收到的报警状态信息( 为保护机床可自行设定相应报警信息的对应控制命令) ，在传 送到车间级监控主机之前，从嵌入式数据库中调出相应报警信息所对应的控制命令( 系 统初始化时设置) ，如对机床进行停机等，来对机床进行相应的控制，如此即使是监控 主机出现了异常，机床出现了危险情况也会被本系统控制而停机，不会对机床造成损坏。 因拥有嵌入式数据库，以及能对机床紧急状态作出处理，所以可减轻车间级监控主机的 实时监控负担，也不必担心数据的丢失。这样，工作人员就可以在监控室来监控整个车 间或几个车间的机床的工作状态，以及对车间级的各机床发送控制命令，从而实现局域 网内的数控机床远程监控。 6 第二章系统的总体结构设计与实现 2 2 系统总体结构图 图2 1 系统总体结构框图 f i g 2 1d i a g r a m o ft h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m 通过对系统功能的了解，可得到整个系统的层次结构图。系统的总体结构框图如上 所示。上图从软硬件结合的角度，给出了一个完整的基于嵌入式l i n u x 的数控机床远程 监控系统的层次结构图，各个模块的简单介绍如下： ( 1 ) 结构的最下层是智能设备层。这一层是整个课题项目的核心层，是设计开发的主要一 层，主要的功能模块的实现均在此层。其中的嵌入式模块通过串口与机床进行通信，来 采集机床的状态信息，并向机床传送上位机发送下来的控制命令和程序代码等。嵌入式 模块中的各应用程序模块实现整个系统的主要功能。嵌入式数据库备份与部分智能控制 也是在此模块实现的。 ( 2 ) 系统的中间一层是车间级监控层。此层是在局域网的监控室，实现一台监控主机同时 对多台机床进行监控，通过以太网与每台数控机床的嵌入式模块进行通信。而且此层的 多台车间级监控主机可以联网，形成一个监控主机局域网，每台监控主机监控多台机床。 然后多台监控主机最终与应用服务器相连，将采集的机床状态信息等数据通过应用服务 器，最终存入数据库服务器。 7 大连交通人学r 学硕十学位论文 ( 3 ) 最上层足互联网层。此层将局域网与外网相连，将数据库服务器中的数据通过应用服 务器发送到远程的客户端，主要用来传送机床的报警信息，状态信息等，来进行远程故 障诊断。 通过以上介绍可以清楚的了解到，本系统中要涉及哪些层次结构，以及各个层次间 的关系如何，从最底层的机床到最上层的远程客户端的数据流程等，清晰的展现了本系 统的整体架构。 本章小结 本章从整个系统的整体设计出发，给出了结合软硬件后的整体结构层次图，为以下 章节的展开奠定了基础。 8 第二三章系统的硬件结构设计与实现 第三章系统的硬件结构设计与实现 3 1 芯片级硬件结构 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助( 支持) 系统运行的硬件单元【4 1 。 嵌入式微处理器特点如下： ( 1 ) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而 使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有 利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器。 “) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备 中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至w 级。 基于本系统需要，我们选用了嵌入式a r m 处理器。a r m 处理器的相关特点如下： a r m 处理器是r i s c 芯片，因此它的内核很小，功耗也就很低，具有经典的r i s c 的特 点：有大的、统一的寄存器文件；具有装载保存结构，数据处理操作只针对寄存器内容， 而不直接对存储器操作；寻址模式简单；统一和固定长度的指令域，使得译码得以简化。 除此外，a r m 体系的结构特点如下：每条数据处理指令对算术逻辑单元和移位器控制， 实现了对算术逻辑单元和移位器的最大应用；地址自动增加和减小的寻址模式实现了程 序循环的优化；多寄存器装载和存储指令实现了最大数据吞吐量；所有指令的条件执行 实现了最快速的代码执行。且a r m 处理器支持7 种处理器模式：用户模式( u s r ) ：正常 程序工作模式，不能直接切换到其它模式；快中断模式( f i q ) ：支持高速数据传输和通道 处理，f i r 异常响应时，进入该模式；中断模式( i r q ) ：用于通用中断处理，i r q 异常响 应时，进入该模式；管理模式( s v c ) ：操作系统保护代码，系统复位和软件中断响应时， 进入此模式；中止模式( a b t ) ：用于支持虚拟内存，存储器保护，此模式在a r m 7 t d m i 核中用处不大，用于a r m 9 核处理器；未定义( u n d ) ：用于支持硬件协处理器的软件仿 真，未定义指令异常时，进入此模式；系统模式( s y s ) ：用于操作系统特权级，和用户模 式类似，但具有直接切换到其它模式等特权【引。基于以上特点，我们选用了a r m 系列 处理器。 而a r m 处理器又有许多不同的分类，分别用于不同的环境和不同的领域。而且各 个系列都有其独特的特点。a r m 7 系列，a r m 9 系列，a r m 9 e 系列，a r m l 0 e 系列， 9 大连交通大学丁学硕 学位论文 s e c u r c o r e 系列，x s c a l e 系列，s t r o n g a r m 系列等。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和 a r m i o 为4 个通用处理器系列，每种系列各自提供一套相对独特的性能来满足不同应 用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。而又因为其中的 a r m 9 与其他的处理器系列相比，在实际的开发过程中有如下的优点： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。结构如下： 图3 1 哈佛结构图 f 噜3 1h a r v a r dc h a r t ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 ( 4 ) 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。 m p u 支持实时操作系统。 ( 5 ) 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 9 系列微处理器主要应用于无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制，仪器仪 表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等【6 】。 基于以上所述，本系统的嵌入式处理器采用a r m 9 ，芯片采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x ， 此芯片集成了大量的功能单元，基于本系统用到的主要包括如下： ( 1 ) 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部1 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h ，1 6 k b 指令c a c h ，m m u 。 ( 2 ) 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) ；4 路带外部请求线的 d m a ；三个通用异步串行端口( i r d a l 0 ，1 6 b y t et xf i f o ，a n d1 6 b y t er xf i f o ) ，2 通道 s p i ；一个多主i i c 总线，一个i i s 总线控制器。 ( 3 ) 2 个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) ；4 个p w m 定时器和一个内部定 时器；1 1 7 个通用i o ；2 4 个外部中断。 h ) 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 ( 5 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口；带日历功能的实时时钟；芯片内置p l l 。 1 0 第三章系统的硬竹结构设计与实现 ( 6 ) 设计用于手持设备和通用嵌入式系统；1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 t c p u 核的强大指令集。 ( 7 ) a r m 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x ；指令缓存( c a c h e ) 、 数据缓存、写缓冲和物理地址t a gr a m ，减小了对主存储器带宽和性能的影响； a r m 9 2 0 tc p u 核支持a r m 调试的体系结构；内部先进的位控制器总线( a m b a 2 0 ， a h b 厶姐b ) 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 芯片的系统管理主要包括如下：小端大端支持；地址空间：每个 b a n k l 2 8 m b ( 全部1 g 字节) ；每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线；b a l l l 【0 到 b a n k6 为固定起始地址；b a n k7 可编程b a n k 起始地址和大小：一共8 个存储器 b a n k ；6 个存储器b a n k 用于r o m ，s r a m 和其他；2 个存储器b a n k 用于r o m ， s r a m 和同步d r a m ；每个存储器b a n k 可编程存取周期；支持等待信号用以扩展总 线周期；支持s d r a m 掉电模式下的自刷新；支持不同类型的r o m 用于启动 n o r n a n df l a s h ，e e p r o m 和其他1 7 l 。 3 2 数控机床接口相关 3 2 1 数控机床简介 数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制 系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机 床动作并j n - r _ 零件。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程 序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批 量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果【1 2 l 。 3 2 2 数控机床结构 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成，基本结构图如下： 大连交通大学丁：学硕十学位论文 图3 2 数控机床基本结构图 f i g 3 2 n cm a c h i n et o o ls t r u c t u r a lp l a n s 其具体结构组成如下： ( 1 ) 主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。它是 用于完成各种切削加工的机械部件。 ( 2 ) 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件( 印刷电路板、c r t 显示器、键盒、纸带 阅读机等) 以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数 据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 ( 3 ) 驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴 电机及进给电机等。 ( 4 ) 辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、 排屑、润滑、照明、监测等。另外编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序 编制、存储等。 ( 5 ) 伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。开环伺服机构是由步进电机驱动线路， 和步进电机组成。半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测 器和位置检测器组成。闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位 置检测器安装在工作台上。 3 2 3 数控机床与主机通信接口及通信协议 本课题的数控机床方面主要是数控机床与主机的接口技术，机床使用哪些接口向外 发送机床的状态信息，报警信息等。数控机床与主机的接口协议与接口主要有以下几种： ( 1 ) d n c l - 是实现c n c 系统与主计算机之间传送数据信息的一种通讯协议及通讯指令 库。d n c l 是由f a n u c 公司开发的，用于f m s 中加工单元的控制。可实现的功能有： 1 2 第二章系统的硬件结构设计与实现 加工设备的运行监视；加工与辅助设备的控制；加工数据( 包括参数) 与检测数据的上 下传送；故障的诊断等。硬件的连接是一点对多点。一台计算机可连1 6 台c n c 机床。 ( 2 ) d n c 2 ：其功能与d n c 2