（农业电气化与自动化专业论文）注塑机械手控制器的研究.pdf

摘要 1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子可编程的工业机器人，并于1 9 6 1 年发 表了该项机器人专利。从此以后，随着机器人技术的发展和知识经济的出现，工业机器人在 现代制造业中起着越来越大的作用，机械手的设计和改进日益受到人们的关注。注塑机械手 是现代产品制造业中主要加工设备之一，是成型塑料制品的专用设备。近年来机械手控制技 术的飞跃发展为实现塑料制品的先进生产奠定了重要基础。 开展基于嵌入式系统的机器人技术的研究，对于生产技术的提升，对以数字化、柔性化、 敏捷化为基本特征的制造技术都有非常重要的意义。 本文设计了一种主从形式的机械手控制器。主机部分的微处理器选用三星公司的 s 3 c 4 4 b o x ，以c ，o s 一为嵌入式实时操作系统内核。源代码公开的p c o s - - h 具有内核 小，易剪裁，移植性好的优点，通过硬件的扩展和软件的功能扩充，充分发挥了嵌入式操作 系统的优势。 下位机部分使用单片机、变频器、转速传感器组成交流电动机转速闭环控制系统。详细 的分析了单片机控制板及其接口的组成和开发过程。整套设计方案实用可靠，实际应用效果 良好。 关键词：嵌入式；a r m ；$ 3 c 4 4 b o v m a n n i p u l a t o rc o n t r o l l e r r e s e a r c hf o r p l a s t i ci n j e c t i o nm a c h i n e a b s t r a c t 1 9 5 4 ，g e o 唱ed e v o l , a l la m 鲥c a np e o p l ed e s i g n e dt h ef i r s tp r o g r a m m a b l er o b o t l a t e rt h e f i r s tr o b o tm a n i p u l a t o rp a t e n tw a sp u b l i s h e db yu sp a t e n ta n dt r a d e m a r ko f f i c e s i n c et h e n ，w i t h t h ed e v e l o p m e n to f t h er o b o tt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo f t h ek n o w l e d g ee c o n o m y ，i n d u s t r i a l r o b o t sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e r n m a n u f a c t u r i n gi nt h e2 1 s tc e n t u r ym o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni s p a i dt ot h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a lr o b o t s m a n i p u l a t o rf o rp l a s t i c i n j e c t i o nm a c h i n ei so n eo f t h em a i ne q u i p m e n ti nm o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，w h i c h i su s e dt oc o n v e yp l a s t i cp r o d u c t s i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n t r o lt e c h n i q u eo ft h em a n i p u l a t o ri s d e v e l o p i n gb yl e a p sa n db o u n d s ，t h a tl a y sak e yf o u n d a t i o nf o rt h ee d v a n c e dm a n u f a c t u r ef o rt h e p l a s t i cp r o d u c t s t h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e di n t e g r a t i o no f h e t e r o g e n e o u sr o b o t i cm a n i p u l a t o r sw i l la b s o l u t e l y p u s hf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fr o b o t s t h i st e c h n o l o g yi si m p o r t a n tf o r e m b e d d e ds y s t e m b a s e dm a n u f a c t u r ew h i c hc h a r a c t e r i z e sd i g i t a l i z a t i o nf i e x i b i l i t ya n d - w ! , h l t y t h i st h e s i sd e s i g nam a n i p u l a t o rc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e d0 nm a s t e r - s l a v es y s t e m s 3 c 4 4 b o x i su s e da sm i c r o p r o c e s s o rf o rm a s t e rc o m p u t e r w h a tm a s t e rc o m p u t e rs e l e c t sf o ru s i n gi st h e r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mo fc h a r g i n gf r e ew i t ho p e ns o m c ec o d e ：p c o s - - l l ，i t sk e r n e li sv e r y e a s y a n dp r o p o s e sa ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mb yh a r d w a r ee x p a n s i o na n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tb a s e do ns 3 c 4 4 b o x ，u s i n gp c o s - - i ia si t sk e r n e l t h i ss l a v ec o m p u t e rp a r tn o to n l yf u l l yd i s c u s s e st h ec o n s t i t u t i o na n dd e s i g n e dp r o c e s sb u t a l s oi n t r o d u c e sh o w 幻b s es i n g l ec h i pc o m p u t e r ，t r a n s d u c e ra n ds p e e ds e n s o rt oc o n s i s tt h e c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mw h i c hr e g u l a t e st h es p e e do fa cm o t o r t h i sp r o j e c ti sp r a c t i c a l ， r e l i a b l ea n de 街e i e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；s 3 c 4 4 8 0 c a n d i d a t e ：c h e np i n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f o u y a n gb i n l i n v i 独创声明 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，也不包含未获得 l 逵! 塑邀直基丝孟塞挂型主盟丛：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。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。 7 文宁名：辎彳日俐明日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校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：t 碌事 日期洳辟荫尹 学位论文作者签名：r 蛛够日期t 虹加脾角绸 i j yy 导师签名：面霸汐扯日期小n 力年臼伊 1 1 研究的目的与意义 随着塑料加工行业在我国的迅速发展，注塑成型设备的自动化程度也越来越高。现代化 的注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。机械手可以完成注塑生产中的多个工序，目 前在我国注塑行业中比较常用的主要是从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产 工序上去的取件机械手。 机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送 制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注定产品质量、降低废品 率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到极其重要的作用。在我国发展机械结构和 控制系统相对较为简单而实用的注塑机械手与注塑机配合使用，具有较低的生产成本和较大 的经济效益( 牟文杰，2 0 0 0 ) 。 在工资水平较低的中国，塑科制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越 来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化 生产但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也 开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短 带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中 取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的 市场机会。以前，零件需要经过人工打磨和再加工才能出厂，模具质量的提高使生产出的零 件可以直接进行装配。 当然中国的制造业还是会持续发展下去的，中国的机械手市场会在十年左右的时问里达 到一定规模现在发达地区的加工厂在面对劳动力短缺和成本上升时，开始考虑自动化生产 ( 中国塑料网, 2 0 0 5 ) 。 目前国内的机械手类型比较简单上大都用于取件和喷洒脱模剂。随着注塑成型工业的发 展，以后将有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料等各个工序上， 而且将朝着智能化方向发展。 1 2 国内外研究概况 国内外众多注塑机主机生产厂及电脑控制厂商一直在努力研制、开发注塑机控制装置。 如三菱，西门子、富士等公司的注塑机控制器产品在我国许多注塑机厂得到采用。国内航天 部6 3 4 所、华南理工大学、上海交通大学、西北工业大学、西北轻工业学院、哈尔滨工业大 学及浙江大学等科研院所，大专院校，研制了各具特色的控制装置。国外产品系统的技术比 较先进、成熟，其特点是普遍采用c r t 或l c d 显示屏，信息容量大，同时具有更强的可操 作性和可连接性；普遍采用1 6 位机( 3 2 位机也有所见) 以满足压力、流量实时闭环控制要 求；引入分散处理技术( 多重处理) ，并尽可能多的处理工作分配给外围装置完成，提高注 塑机内的通讯能力，并减轻主控部分负荷。例如，飞利浦p 8 系列，反应时间缩短到0 2 m s ， 在c r t 上显示的任何数据均可以实时地供注塑机系统使用( 阎亚林2 0 0 4 ) 。 目前国内外的运动控制器可以归结为以下几大类。优缺点如下； 1 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。 早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬接线方式构成，这种系统的优 点有：可实现系统的商速控制，控制器的精度较高，但相对于数字系统，其缺陷也很明显：由 于所需要元器件较多，系统可靠性不高，而且系统设计采用硬接线，升级，功能修改几乎是不 可能的。 2 以微控制器为核心的运动控制系统。 这里的微控制器是指以m c s 5 1 、m c s - 9 6 等为代表的8 位或1 6 位单片机。利用微控制 器取代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统具有简单，灵活性适应性强等优点，在 一些性能要求不是很高的场合，现在普遍使用单片机作为电动机的控制器。 3 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统。 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、与计算机进行 信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统。这种实现方法可实现高性能、高精度、 复杂的控制算法洞时，控制软件的修改也很方便。但缺点是系统体积过大，难以应用于工业 现场，而且难以实现实时性要求高的信号处理算法。 4 利用专用芯片实现的运动控制系统。 专用运动控制芯片具有响应速度快、系统集成度商、使用元器件少、可靠性好等优点， 而且其价格便宜，可进一步降低系统的成本。但受专用控制芯片本身的限制，其扩展能力差， 系统升级困难，难以用于高性能高精度的应用场合。 5 以可编程d s p 控制器为核心构成的运动控制系统。 基于d s p 控制器构成的运动控制系统可靠性高，升级容易，扩展性、维护性好。但其开发周 期比较长，而且占用c p u 的时间比较多，有时为了提高性能不得不采用双d s p ，这就使得 系统整体性价比下降。 本系统的上位机部分采用嵌入式系统进行设计，充分发挥嵌入式系统对多任务的实时处 理能力，下位机部分利用单片机系统控制变频器对机械手的交流电动机进行控制。 1 3 本文的主要工作 本系统所研制的控制系统主要针对于注塑工业的机械手，具有较强的通用性。从结构上 可以分为上位机( 手控盒) 和下位机两大部分。，。一，一* ”一一 涵盖的内容为： 上位机( 手控盒) 部分： 1 a r m 硬件设计调试 2 操作系统的移植 3 图形用户界面软件( g u i ) 的移植 2 引言 4 操作界面的设计 5 主程序的设计 下位机部分： 1 下位机的硬件设计 2 下位机的程序设计 3 2 系统的整体方案设计 总体设计采用主从方式，上位机主要完成与操作者的交互，下位机主要完成对电机的控 制。系统的结构示意图如图2 1 所示。 上位 下位机 图2 - 1 系统示意图 f i g 2 1s y s t e ms c h e m a t i cd r a w i n g 下位机控制部分由于是对机械手的电机进行控制，一般被安装在机械手的支架上。通过 r s 4 8 5 总线与上位机通信。 2 1 系统功能及总体结构 本系统针对于注塑工业的机械手而设计，用户可以通过上位机( 手控盒) 直接对机械手 的位置、速度、开闭进行控制，通过下位机的电机控制可以使机械手的运行平稳且效率高。 机器的运行主要有两种方式： 1 用户自由操作方式，用户通过与上位机( 手控盒) 的交互。可以即时的改变机械手的 位置、速度等状态 2 自行运行方式，操作者首先在示教状态下通过对机械手的自由控制完成注塑工业的某 道工序，下位机顺序存储机械手的操作流程，机械手再现操作者在示教过程中的操作，达到 自动控制的目的。 一 肌 一川州 r 4 ， 2 2 上位机设计方案 本系统上位机的硬件设计属于典型的a r m 的晟小系统的设计，软件方面包括操作系统 的移植、图形用户界面( g u i ) 的移植及上层应用程序的设计上位机硬件设计框图如图2 - 2 4 所示。 固 图2 - 2 上位机的硬件框图 f i g 2 - 2 t h eh a r d w a r es h - u c t u r eo f h o s tc o m p u t e r 传统的软件设计方式编写时费时费力，一旦修改很多工作都需要重头开始，不便于产品 的升级，基于操作系统的软件设计将应用程序分割为若干个独立的任务，使应用程序的设计 大为简化。本系统选用的p c o s - i i 内核使得对时间要求苛刻的事件可以得到尽可能快捷、 有效的处理。本系统上位机的软件框图如图2 - 3 所示： 图2 - 3上位机的软件框图 f i g 2 - 3 t h ef r a m eo f m a s t e rc o m p u t e rs o f t w a r e 5 圉固 2 2 i 嵌入式控制芯片的选择 嵌入式微处理器有许多种流行的处理器内核，芯片生产厂家一般都是基于这些处理器核 生产不同型号的芯片。当前的嵌入式微处理器内核主要有：a r m s t r o n g , a r m 、m i p s 、 p o w e r p c 、x 8 6 等。在这些微处理器内核中，都具有各自的特点。应用各自的应用场合。 m i p s 是m i c r o p r o c e s s o r w i t h o u t i n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处理器内核标 准，是由m i p s 技术公司开发的一种高性能、高档次的嵌入式3 2 位和6 4 位处理器。 p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。主要用于高端工作站，服务器和桌面计 算机系统等。p o w e r p c 系列处理器的价格差异大，功耗、大小，整合程度等差异悬殊。比如 p o w e r p c4 0 5 g p 是一个专门用于网络设备的高性能嵌入式处理器，其价格可观。 a r m s t r o n g a r m 是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位r j s c 微处理器知识产权供应商。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作 伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。a r m 己成为移动通信、手持设备等嵌 入式解决方案的r i s c 标准。a r m 处理器目前由a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 等5 个系列，其 中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗等敏感的产品，它分为应用实时 环境的a r m 7 t d m i 和a r m 7 t d m i - - s 。 a r m 7 t d m i 内核使用流水线以提高处理器指令的流动速度，允许几个操作同时进行， 以及处理器和存储系统连续操作等它采用3 级流水线。使用冯诺依曼体系结构的单一3 2 位数据总线传送指令和数据，支持在片调试。 由上可知，选用以a r m 7 t d m i 为内核的处理器，具有高性能、低成本、低功耗等优点。 而三星公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片是以a r m 7 t d m i 为内核，片上集成有8 k b 缓存的2 5 v 静 态a r m t t d m ic p u 核、扩展内存控制器( f p f d o s d r a m 控制，片选逻辑) 、带1 个d m a 通道的l c d 控制器等，功能齐全，价格低廉。因此在设计本控制器上位机时，选用以 a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 处理器作为上位机微处理器。 2 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结 合后的产物。这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集 成系统。嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向应用的。 1 嵌入式微处理器与通用c p u 最大不同之处在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用 户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大 ”大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。” 。 一 。”。、 2 嵌入式系统的硬件和软件都必须赢效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的 硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 3 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行， 因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 4 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 6 系统的整体方案设计 片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 一 5 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的 程序功能进行修改的。必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指非p c 系统，包括硬件和软件两部分，其中硬件包括处理器微处理器、 存储器及外设器件和i o 端口，图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统， 它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存口l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和用户应用程序。应用 程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序与硬件的交互。 1 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器嵌入式微处理器一般具备4 个特点： ( 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己模块化，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。 ( 4 ) 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u w 级 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量己经超过1 0 0 0 种。流行的体系结 构有3 0 多个系列。其中8 0 5 1 体系占多半，生产这种单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器， 越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从“k b 到1 6 m b ， 处理速度为0 1 2 0 0 0 m i p s ，常用封装8 1 4 4 个引脚。 2 嵌入式系统的软件 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、 软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动 接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等b r o w s e r 。嵌入式操作系统具有通用操作系统 的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁 忙的驱动程序移植和维护中解脱出来，能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。 与通用操作系统相比较。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态 化以及应用的专用性等方面具有转为突出的特点 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作 系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移 动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等。 7 1 非实时操作系统 早期的嵌入式系统中没有操作系统的概念，程序员编写嵌入式程序通常直接面对裸机及 裸设备在这种情况下，通常把嵌入式程序分成两部分，即前台程序和后台程序前台程序 通过中断来处理事件，其结构一般为无限循环；后台程序则掌管整个嵌入式系统软，硬件资源 的分配、管理以及任务的调度，是一个系统管理调度程序。这就是通常所说的前后台系统。 一般情况下，后台程序也叫任务级程序，前台程序也叫事件处理级程序。在程序运行时，后 台程序检查每个任务是否具备运行条件，通过一定的调度算法来完成相应的操作。对于实时 性要求特别严格的操作通常由中断来完成，仅在中断服务程序中标记事件的发生，不再做任 何工作就退出中断，经过后台程序的调度，转由前台程序完成事件的处理，这样就不会造成 在中断服务程序中处理费时的事件而影响后续和其他中断。 实际上，前后台系统的实时性比预计的要差。这是因为前后台系统认为所有的任务具有 相同的优先级别，即是平等的，而且任务的执行又是通过f i f o 队列排队，因而对那些实时 性要求高的任务不可能立刻得到处理。另外，由于前台程序是一个无限循环的结构，一旦在 这个循环体中正在处理的任务崩溃，使得整个任务队列中的其他任务得不到机会被处理，从 而造成整个系统的崩溃。由于这类系统结构简单，几乎不需要r a m r o m 的额外开销，因而 在简单的嵌入式应用被广泛使用。 2 实时操作系统 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系 统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。“在 确定的时间内”是该定义的核心也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。 实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统软实时系统仅要求事件响应是实时的，并 不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时。 而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。实时应用 软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时 性。 实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统。其首要任 务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率， 重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作系统具有如下功能：任务管理( 多任务和基 于优先级的任务调度) 、任务间同步和通信( 信号量和邮箱等) 存储器优化管理( 含r o m 的管 理) 、实时时钟服务、中断管理服务。实时操作系统具有如下特点：规模小，中断被屏蔽的时 间很短，中断处理时间短，任务切换很快。 ”实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统而言，可抢占” 型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使用权并将使用权交给进入就绪态 的优先级更高的任务，是内核抢了c p u 让别的任务运行。不可抢占型实时操作系统使用某种 算法并决定让某个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来。中断由中断服务程序来处理，可以激活一个休眠态的任务，使之进入就绪态； 而这个进入就绪态的任务还不能运行，一直要等到当前运行的任务主动交出c p u 的控制权。 8 使用这种实时操作系统的实时性比不使用实时操作系统的系统性能好。其实时性取决于最长 任务的执行时间。不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一点，如果最长任务的执行时 间不能确定，系统的实时性就不能确定。 。 可抢占型实时操作系统的实时性好，优先级高的任务只要具备了运行的条件，或者说进 入了就绪态，就可以立即运行。也就是说，除了优先级最高的任务，其他任务在运行过程中 都可能随时被比它优先级高的任务中断，让后者运行。通过这种方式的任务调度保证了系统 的实时性，但是，如果任务之间抢占c p u 控制权处理不好，会产生系统崩溃、死机等严重后 果。 本文选用可抢占型实时操作系统”c ，o s i i ，i _ t c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核， 是一个完整的，可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。p c o s i i 是用a n s ic 编写 的，包含- - 4 , 部分与微处理器类型相关的汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用。 虽然c o s i i 是在p c 机上开发和测试的，但u c ，o s 的实际对象是嵌入式系统。并且很容 易移植到不同架构的微处理器上至今，从8 位到“位，g c o s i i 已在超过4 0 中不同架构 的微处理器上运行 2 3 下位机设计方案 下位机是对电机的控制部分，设计必须满足机械手控制的需要，还要考虑到系统的通用 性和可扩展性。每个机械臂部具有前进、后退，上升、下降和横入横出三维的动作本系统 下位机利用单片机系统控制变频器对机械手的交流电动机进行调速。8 0 5 1 通过a d 和d ，a 的扩展完成对电机速度的监测并且用模拟量反馈控制变频器。通过对测频法测速、测周法测 速和测频率，周期法这三种方法对测量转速的比较，下位机选用测频率，周期法。为了能够存 储大量的示教流程，单片机外扩了容量较大的a t 2 4 c 1 0 2 4 作为存储介质。 2 3a r m 移植代码的调试和下载环境 2 3 1a d s 编译器的选择 针对a r m 处理器核的c 语言编译器有很多，如s d t 、a d s 、i a r ，t a s k i n g 和g c c 等。据了解，目前在国内最流行的是s d t 、a d s 、和g c c 。s d t 和a d s 均为a r m 公司自 己开发，a d s 为s d t 的升级版。以后a r m 公司不再支持s d t ，所以不需要选择s d t 。g c c 虽然支持广泛，很多开发套件使用它作为编译器，但其编译效率与a d s 比起来实在太低， 初步比较同一个c 程序速度相差2 3 倍，这对充分发挥芯片性能极其不利所以最终选择 a d s 编译和调试程序。 a d s 是一套用来开发a r m 处理器应用系统的开发工具，可以用a d s 编辑、编译、和 调试c 、c + + 以及汇编程序。 a d s 包括下列四部分： i 命令行开发工具： 9 a r m c c ：a r m 的c 编译器，支持标准c 语言。 a r m c p p ：a r m 的c h 编译器，支持i s oc 语言以及e c + + 语言。 t c c ：t h u m b 的c 编译器，支持标准c 语言。 t c p p ：t h u m b 的c 编译器，支持i s oc 语言以及e c + 十语言。 a r m a s m a r m 和t h u m b 的汇编器，支持a r m 以及t h u m b 汇编语言。 a r m l i n k ：a r m 的链接器，产生e l f 格式文件。 a n n s d ：a r m 以及t h u m b 的调试器，支持代码级调试，可通过单步执行、设置断点以及 检查变量或内存。 r o g u ew a v e c + + l i b r a r y ：实现i s o i e c1 4 8 2 2 的标准c + + 库。 s u p p o r tl i b r a r y ：a r mc 库提供了支持c + + 的工具，可以编译成不同体系和处理器的代 码。 2 a r m 的图形开发工具包括： a x d ：w i n d o w s 以及u n i x 下的a r m 调试器，提供了完整调试c 、c + + 以及汇编语 言的w i n d o w s 以及u n i x 下的环境。 a d w ：w i n d o w s 下的a r m 调试器，提供了完整的c 、c + + 以及汇编语言的w i n d o w s 的环境。 a d u ：u n l x 下的a r m 调试器，提供完整的c 、c + + 以及汇编语言的u n i x 的环境。 c o d e w a r r i o ri d e ：w i n d o w s 下的项目管理工具。 3 实用工具包括： f r o m e l f ：a r m 的i m a g e 文件转换工具，可以将e l f 格式的文件转换成其它格式的文 件，如a i f ，i h f 等。 a r m p r o f i 显示程序调试时的信息文件。 a r n l a r ；将e l f 格式文件收集在库中 f l a s hd o w n l o a d e r ：下载二进制文件。 4 支持的软件有： a r m u l a t o r ：a r m 内核的仿真软件，提供了对指令的精确仿真，a r m 的调试器集成在 一起。 a n g e l ：运行在目标机上的调试监控程序，可以对a r m ，t h u m b 代码的应用程序调试。 a d s 提供了大量的在线英文帮助文档，了解a d s 的详细使用。本论文的上位机所有代码的 调试都是在a d s1 2 编译器下完成的。 2 3 2 删交叉开发的调试环境 - i“ - ，帅 4 同其他嵌入式系统一样，本系统也采用交叉开发的方法，如图2 4 所示，即是用于开发 的主机( 简称h o s t ) 与目标主机( 简称t a 唱e o 采用不同的体系结构的硬件和软件系统。本系统 中，采用p c 机作为开发主机h o s t ，运行w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。目标主机就是本系统的嵌 入式注塑机械手控制器的硬件平台，进行开发和调试。 1 0 图2 4交叉开发调试环境构成 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eo f c r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t 1 建立一个项目文件 和其它软件类似，打开a x d 工具，f i l e - n e w 一 州e c t ，在弹出的n e wp 喇e c c 菜单 中t y p e 选项中选择合适的模板，p r o j e c tn a m e 中输入自己的项目名p r o j e c td i r e c t o r y 中设定 文件保存的路径。就成功建立了一个项目 这时最后一级目录下都是空的，表示该目录下没有文件，需要添加源文件到项目中由 于a r m 嵌入式系统的源程序往往不是单一的文件，随着其功能的复杂化，一个应用程序可 能包含一组文件c 文件、a s m 文件，i n c l u d e 文件、库文件甚至还包含子项目文件。因此 项目组织文件的特点是针对一批文件的。因此需要分别在合适的目录下( 如d e b u g 下的5 0 u r c e 5 ) 点击p r o j e c t a d df i l et os o u r c e ：就可以向该目录添加自己的源文件。 2 配置项目工具 在项目建立完成后( 如果系统采用了自己的模扳，则可以免去这一个步骤) ，可以针对自 己的硬件来设置a x d 中的a l m a s m ，a r m l i n k ，a l - m c c 以及a d w 中的a r m u l a t o r 和时钟信号 的来源等。a r m 模板的主要功能是定义如何建立某一类型的项目输出 3 编译、连接和调试项目文件 点击p r o j e e t - c o m p i l e “d e b u g ”，p r o j e e t - b u i l d * a p j “d e b u g ”( 为对应的项目名) 对 项目文件进行编译和连接。 在应用程序编译成功之后，就可以进行调试。点击p r o j e n - d e b u g * a p j “d e b u g ”( 为对 应的项目名) 进入a d w 的d e b u g g e r 窗口，可以采用不同自方式调试程序。常用调试方法有两 种：一种是在a d w 中执行单步跟踪调试或连续运行某一段，在程序中设置断点，开辟查看 窗口，跟踪程序的运行，从而分析和排解出现的各种问题。另一种方法是直接使用代码下载 工具将编译好的代码下载到开发板上，并运行此程序，借助串口输出信息来查看程序的运行 情况。两种调试方法各有优缺点：第一种方法比较直接，但是通过i t a g 下载代码时间稍长， 而且有时候会出现仿真结果不太理想的情况；第二种方法更直接地反映了程序运行的情况下 载代码的时间也较长。 为通过串口查看信息，可将嵌入式系统通过r s 2 3 2 c 连接器d b - 9 与p c 机的串行端口 相连接，并运行w i n d o w s 自带程序超级终端饵y p e r l b m h 硼x 在w i n d o w s 附件中的通讯目 录下) 。 1 2 上位机( 手控龠) 的设计 3 上位机( 手控盒) 的设计 上位机是直接与操作者进行交互的部分，操作者通过液晶屏实时观测到机械手的各个状 态信息，用户的操作通过r s - 4 8 5 通信线传给下位机。在软件设计上，上位机充分发挥嵌入 式系统的特性，由操作系统协调各任务的运行。 3 1 上位机的硬件设计 3 1 1 电源电路 在本系统中，需要使用5 v 、3 3 v 和2 5 v 3 种直流稳压电源，其中s 3 c a 4 b o x 需要3 3 v 和2 5 v 两种电源，一部分外围器件需要3 3 v 电源，另一部分外围器件需要5 v 电源。系统 电源电路如图3 - 1 所示。 图3 1 电源电路图 f i g 3 - 1 p o w e rs u p p l yc i r c u i t 3 1 2f l a s h 接口电路 $ 3 c 4 4 8 0 自身不具有r o m ，需要外接r o m 器件存储程序以及掉电后需要保存的数据，本 系统选用s s t 公司推出的s s t 3 9 v f l 6 0 ，它是一款容量为1 m b 1 6 的c m o s 多用途f l a s h r o m ，其主要特性可参见器件的用户手册。通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序 列，可对其进行编程( 烧写) 整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。硬件连接时s s t 3 9 v f l 6 0 的片选脚n c e 与$ 3 c 4 4 8 0 的n g c s 0 相连被映射至, j 4 4 8 0 的b a n k 0 上。由于s 3 c a 4 8 0 是按照字节 编址的，而s s t 3 9 v f l 6 0 的存储单元是1 6 位的，所以处理器的地址需要左移”1 位s 3 c 4 4 8 0 1 3 引脚o m i ：0 】的0 00 11 0l l 四种状态分别对应b a n k 0 数据总线的8 位1 6 位3 2 位模式和测试 模式。硬件接口如图3 2 所示。 $ 3 c 4 4 8 0 x a d d r 2 0 l d a t a l 5 0 o i o r 正c s o e o m i 删e 图3 - 2f l a s h 接口示意图 f i g 3 - 2 t h ei n t e r f a c ec i r c u i to ff l a s h 3 1 3r a m 接口电路 s 3 c 4 4 8 0 的b a n k 6 和b a n k 7 支持s d r a m ( 同步动态r a j l ) ，只需对存储器控制器相关的 寄存器进行适当配置，处理器将自动产生读写刷新s d r a m 的时序。本系统中将h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 映射到b a n k 6 ，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的存储容量为4 组x 1 6 m 位( 8 m - 字- 节) ，1 6 位宽度。s d r a m 是 易失性的存储器，在调电以后数据即消失，不能够长久保存，但其随即读写速度非常快，写 入数据之前也不需要进行擦除。在本系统中，将数据区和堆栈区放在s d r a m q b ，供快速地 读写。 r a m 硬件接口如图3 - - 3 所示。 3 1 4l c d 接口电路设计 $ 3 c 4 4 8 0 内部含有一个l c d 驱动控制器，能自动产生l c d 驱动控制所需要的控制信号， 因此可以直接与黑白灰度s t n 型彩色等l c d 屏进行相连。而不需要另外加l c d 控制器。在这 种接口方式下，l c d 显示缓冲区映射在系统的存储器空间上，程序只需将象素点内容写入存 储器对应地址就可以实现对应l c d 屏上像素点颜色的显示，十分方便。本系统采用的是s h a r p 公司的l m 0 5 7 q c l t 0 1 型s t n 彩色液晶显示模块。该液晶模块的显示格式为3 2 0 ( 3 ) x 2 4 0 。 即显示屏每行具有3 2 0 个像素点，共2 4 0 行；每个像素点f l j r g b ( 红、绿，蓝) 三种颜色组成。 l c d 控制器的外部接口信号： v f r a m e ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的帧同步信号。该信号告诉l c d 屏的新的一帧开始 了。l c d 控制器在一个完整帧显示完成后立即插入一个v f r a m e 信号，开始新一帧的显示； 该信号与l c d 模块的y d 信号相对应。 v l i n e ：l c d 控