（机械电子工程专业论文）基于arm微处理器的嵌入式数控雕刻机控制软件系统的研究.pdf

基于a 蹦微处理器的嵌入式数控雕刻机控制软件系统的研究 摘要 随着时代的发展，集机械、电子、计算机等多种技术于一身的数控雕刻机 以其加工效率高、精度高等特点，越来越广泛地应用于各行各业。本文所研究 的数控雕刻机系统是典型的嵌入式控制系统。该控制系统以a r m 微处理器为 控制核心，采用嵌入式实时操作系统i _ t c o s i i 实现多任务调度和资源管理。 本文首先介绍了数控雕刻机的发展现状、未来发展趋势及其应用特点，然 后分析了嵌入式控制系统的特点和嵌入式系统软件开发特点。在此基础上，结 合雕刻机系统的实际功能实现了整个控制软件系统。本雕刻机控制软件系统主 要分为7 个模块：系统初始化模块、键盘扫描模块、液晶显示模块、文件数据 读取模块、文件数据翻译模块、插补计算模块和伺服电机控制模块。系统根据 嵌入式操作系统i j t c o s i i 的要求将上述的7 个模块组织为3 个任务和2 个中断 服务，利用r t c o s i i 提供的邮箱、信号量服务，结合全局变量，有效地实现了 任务与任务、任务与中断服务之间的通信，从而最终实现雕刻机控制系统各个 模块协调一致地运行。 另外，本文还深入研究了雕刻机系统的数据通讯技术一一u s b 接口通讯。 在详细地分析了u s b l 1 协议的基础上，成功实现了u s b 主机系统，其中包括 u s b 主控制器驱动程序的设计、u s b 主机驱动程序的设计和m a s ss t o r a g e 类驱 动程序的设计。在u s b 主机系统中的应用软件层上建立了一个精简的f a t 文 件系统，从而使得雕刻机系统在实际加工过程中能够对存放在u 盘中的加工数 据进行读取。 关键词：数控雕刻机，嵌入式系统，a r m 微处理器，j _ t c o s i i ，u s b 主机系 统 r e s e a r c ho nc o n t r o ls o f t w a r es y s t e mo fe m b e d d e dn c e n g r a v i n gm a c h i n eb a s e do na r mp r o c e s s o r 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 i m e s ，n ce n g r a v i n gm a c h i n ew h i c hc o m b i n e sv a r i o u s t e c h n i q u e 一一m e c h a n i c 。e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n ds oo nh a sb e e nc h a r a c t e r i s t i c o fg r e a t e f f i c i e n c ya n dh i g hp r e c i s i o n s oi th a sb e e nu s e dw i d e l yi n a l lk i n d so fi n d u s t r i e s t h e c o n t r o ls y s t e mo fn ce n g r a v i n gm a c h i n ew h i c hi sd i s c u s s e di nt h ep a p e rb e l o n g st ot h e e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ea r mp r o c e s s o rh a s u s e du c o s i ir e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mt or e a l i z em u l t i t a s ks c h e d u l ea n da 1 1 s o u r c e s m a n a g e m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sq u o t h ef u t u r ea n da p p l i c a t i o no f 血cn c e n g r a v i n gm a c h i n em a dt h e c h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m , t h ew h o l e c o n t r o ls o f t w a r es y s t e mo ft h en ce n g r a v i n g m a c h i n eh a sb e e nr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ef a c t u a lf u n c t i o n s t h ec o n t r o ls o f t w a r es y s t e m h a s7m o d u l e s 一一t h em o d u l eo fi n i t i a l i z a t i o n ，t h em o d u l eo fk e y b o a r ds c a n n i n g ，t h e m o d u l eo fl c d ，t h em o d u l eo fr e a d i n gf i l e ，t h em o d u l eo ft h ef i l et r a n s l a t i o n ，t h em o d u l e o fi n t e r p o l a t i o nc o m p u t a t i o na n dt h em o d u l eo fs e r v o m o t o rc o n t r 0 1 t h ew h o l es y s t e mt h a t i n c l u d e s7m o d u l e sh a sb e e ns e p a r a t e di n t o3t a s k sa n d2i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e s ( i s r ) i n a c c o r d a n c ew i t hi s c o s i i s i n c ea d o p t i n gt h eg l o b a lv a r i a b l ea n dt h es e r v i c eo f m a i l b o x a n ds e m a p h o r ew h i c ha r ep r o v i d e db yu c 0 s - i i ，m ec o m m u n i c a t i o na m o n gt a s k so r b e t w e e nt a s ka n di s rh a sc o m et r u ee f f i c i e n t l y a sar e s u l t ，t h ep a r t so f t h ec o n t r o ls o f t w a r e s y s t e mo f t h en ce n g r a v i n gm a c h i n ec a nw o r ke f f i c i e n t l ya n dh a r m o n i o u s l y i na d d i t i o n ，u s bc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h en c e n g r a v i n gm a c h i n eh a sh a df u r t h e rs t u d y b a s e do nc o m p r e h e n d i n gt h eu s b1 1p r o t o c o l ， u s bh o s ts y s t e mh a sb e e nr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y , i n c l u d i n gt h ed e s i g no fu s bh o s t c o n t r o l l e rd r i v e r , u s bd r i v e ra n du s bm a s ss t o r a g ec l a s sd r i v e r w h a t sm o r e ，as i m p l e f a tf i l es y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e do nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r el a y e ro fu s bh o s ts y s t e m t o 剐m lr e a d i n gt h ed a t as a v e di nt h eud i s ki nt h ep r o c e s so fe n g r a v i n gt h ew o r kp i e c e k e y w o r d s ：n ce n g r a v i n gm a c h i n e ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r mp r o c e s s o r , g c o s i i ，u s b h o s ts y s t e m 插图清单 黧2 1 耀交8 枫实物绣梭攥楚5 图2 2 雕刻机控制器硬件结构糕淄6 圈2 - 3 键盘接口电路。8 圈2 4 魄瓠驱动接斌憩路9 蘑2 - s 潍粼辍较件系统黪艨次慧搦，i e 黧2 - 6 键彀按到瀛稷蹋，l l 霪2 。7 汉字显示滚程辫1 2 图2 - 8 蘩攀款英对废麴数据缭构1 2 图2 - 9 读取文件流程圈+ 1 4 烫2 - 10 文件数撵翻译流裰烫。15 强2 - il 卷渣聪数稻替算法滤稷黼1 6 蕊2 。 2 摄於逮浚按裁淡稷翅。1 6 图2 - 1 3p w m 控制流稷圈1 7 图3 - 1b t c o s 。j 鲍硬件，软件缭稳。2 仑 图3 - 2 麟刻貔系统中备个任务黪中辑熬关系2 7 葭4 - 1 麓肇靛u s b 系统模鍪，3 3 瘸4 2u s b 鼹貔漂撼羚结搦。3 3 翻4 3u s b 熬逻辑撼持缝揍3 4 潮4 。4 宠熬抟u s b 系统结擒一，3 4 图4 - 5u s b 的数据传输。3 7 图4 - 6 传输、攀务、趣帮域酌荧系。3 8 鹜4 。镪始诧设嚣除黢s e t u p 事努绪枣鼋，3 8 圈4 - 8 耳逡数据除袋i n 攀务袋o u t 豢务缭橡。3 9 强4 9 状态薅息黔段l n 搴务鼗o u t 蓼务绦构，一3 9 阁4 - i 0 同步传翰中i n 事务和o u t 事务结构。4 0 鬻4 一l l 中颇传输中i n 事务翻o u t 事务缭梅4 0 圈4 。1 2 抵避僚输中t n 事务和o u t 豢务绣褥，4 l 强4 。1 3 浚餐溃求念令秘撼透终之阕豹关系。4 2 露4 1 4 菇静撼遮簿之灏数关系4 3 銎4 ，1 5b u l k o n l y 赞翰貉议中鹣数撰流4 巷 图4 1 6u s b 主机系统结构4 7 圈4 一1 7u s b d 酌缩构。，莓8 霞4 1 8s l 8 1 l h s 硬件谶攘瀚。5 1 表格清单 袭2 1 代璐数据格式 表4 - 1 标准的设备请求命令的数据格式 表4 2 对应命令块撬蕊臻孑类伐戮；。 表4 3m a s ss t o r a g e 炎的传输协议 强鹎蝣 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f 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， 也不包含为获得盒月b 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 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。 学位论文作者签名：磅庄乞 签字日期：2 卯年护月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盘堂有关保留、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b 兰些盔兰一可 以将学位论文的全部或部分内容编八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 砺皮刍 签字日期：2 do ( 年加月孑日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 靳繇挺磊鬈 签字嗍纱铲f o 月莎日 电话 邮编 致谢 本论文是在导师桂贵生教授精心指导下完成的，在此向桂老师致以最衷心 的感谢和最崇高的敬意! 回首三年的读研足迹，我的每一点进步都与桂老师的 悉心指导和热情关怀是分不开的。在学习方面，桂老师从人力、物力和财力等 方面给我创建了一流的条件，使一贫如洗的我顺利地步入富丽堂皇的嵌入式系 统世界。在为人和治学方面，桂老师的身范言行让我真正理解了谦和诚恳、坚 强执着、严谨治学、诲人不倦的真谛，为我树立了为人、治学的榜样。在生活 方面，给予了我无微不至的关怀和照顾。 同时，感谢尹志强老师、李付军硕士、闰真才硕士，在项目的开发和调试 过程中他们给予宝贵的意见和积极的帮助与合作，使得项目得以顺利完成。 感谢吕堑老师、何庆老师、周丹老师在我的课题研究过程中给予我的指导 与建议。 感谢仓公林、彭丹丹、王艳琴、熊青春、赵汝海、朱颖兵、张艳、张大勇、 高雷等同学在我的课题研究以及论文撰写过程中给予的无私帮助。 最后，感谢我的父母、家人在我求学期间给予我的一如既往的关怀、支持 与鼓励。感谢所有支持、帮助过我的亲戚朋友。 作者：贾庭会 2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 1 1 数控雕刻机发展现状及趋势 数控雕刻机系统( 又称电脑雕刻机、雕刻机器人) 是机电一体化的典型产 品。它集传统的机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、电机传动技术、 传感检测技术和信息处理技术等于一身，体现了人类的高智能和高技能。2 0 世 纪9 0 年代以来，微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展，而 微型计算机技术使数控雕刻机有了质的飞跃。功能完善、性能稳定、造型美观 和价格合理成为雕刻机研制的基本要求i l l 。 随着高速电主轴技术、高速刀具技术、逆向工程( r e ) 技术、c a d c a m 技术、激光加工技术的发展数控雕刻机也向着高精度、高速度、高自动化方向 发展，同时还融入了新的加工技术一一激光加工、超声震动加工等。与此同时， 在雕刻机应用方面，也在不断发展，从原来应用于文字标牌、印刷滚筒、压纹 压花滚筒、铸币模具、轮胎模具、鞋模模具的加工发展到对石墨电极的加工拉j 。 目前数控雕刻机的发展体现如下： ( 1 ) 数控雕刻机的c a d c a m 软件。大多数数控雕刻机都能接收多种格 式的刀具路径数据文件，包括通用机械c a d c a m 软件的输出格式，但采用文 泰雕刻软件的居多，只有精雕采用其自主版权的c a d c a m 软件j d p a i n t 。 ( 2 ) 数控装置。目前雕刻机的数控装置可分为三种类型，即基于i p c 的 控制器，基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的控制器和基于单片机的控制器， 单片机的处理功能较强，d s p 控制器处理速度快。 ( 3 ) 雕刻机的加工效率和加工质量。文泰雕刻软件采用微线段逼近轮廓曲 线的技术方案，刀具在线段的交接点处停顿，加工表面不光滑，刀具运动速度 变化频繁，进给速度 3 m r a i n ，加工效率较低。美国麦迪克三维雕刻机( m u l t i c a m ) 采用a m d s c 5 2 0 微处理器作为控制核心，具有1 0 0 0 行代码的前瞻功能，最大 加工速度3 5 米分钟，整体技术水平高于国产雕刻机，但价格也高于国产雕刻 机。 ( 4 ) 控制软件方面。数控雕刻机控制系统是典型的多任务实时系统，系统 必须对多种任务进行实时控制。为了实现软件结构的模块化、可重用性、用户 的易操作性，一般采用通用的操作系统。目前，通常选用的通用操作系统有很 多，如d o s 、w i n d o w s 9 3 9 8 小t ，c e 、“c o s 、l i n u x 等。 现代计算机技术的不断创新，机构设计、电机应用、控制芯片、软件平台 和程序设计等领域的发展，将持续改进和提高雕刻机的性能；而今后计算机网 络的迅猛发展，也将给雕刻机带来一场革命 3 j 。下面是数控雕刻的几个发展方 向 3 ：| ( 4 j ： ( 1 ) c a d c a m 软件发展方向。目前雕刻机所采用的c a d c a m 软件多数 将雕刻图形轮廓离散成微小直线段，限制了雕刻精度的提高。因此，未来的雕 刻机c a m 软件必定会增加多种曲线( 如抛物线、样条曲线等) 逼近加工轮廓 的方法，以提高加工精度。通用c a d c a m 软件如p r o e 等也将逐渐应用于雕 刻领域。 ( 2 ) 刀具性能的提高。随着雕刻材料越来越广泛，对雕刻刀具的种类、材 料以及性能的要求也越来越高，各种刀具材料如金属基陶瓷、聚晶金剐石等高 速切削刀具将广泛应用于雕刻加工之中。 ( 3 ) 高速高精度。现在国内的雕刻机大多是采用步进电机控制进给的开环 系统，位置控制精度和加工精度都不高。今后的雕刻机的控制部分将向闭环、 半闭环系统发展，通过反馈调节，对误差进行补偿，进给部分采用更高精度的 滚珠丝杠和伺服电机，可进一步提高雕刻系统的精度和速度。 ( 4 ) 高效高可靠性。高效来源于高速进给和高速切削，这依赖于性能更好 的电机和刀具的研究；为了提高可靠性，一方面控制电路将采用更稳定更可靠 的d s p 技术，另一方面进一步提高电机性能也是刻不容缓的。此外软件方面也 要进一步提高，如采用面向对象技术等。 ( 5 ) 多轴联动。多轴联动可以完成更复杂的雕刻动作，雕刻出更复杂、更 精密的图案。多轴联动将是数控雕刻机的一个发展方向。 ( 6 ) 柔性化。开放式数控系统的概念逐渐应用于雕刻机中，软硬件的通用 化、模块化和标准化，大大提高雕刻机的柔性，可以采用不同的软硬件模块， 组成不同档次不同要求的数控雕刻系统。 ( 7 ) 网络制造。将雕刻机用网络连接起来，通过分布式系统，智能的选择 当前空闲的雕刻机完成当前的任务。充分、高效地利用系统资源，实现多品种、 大批量的生产。 1 2 计算机数控雕刻机的应用特点 随着雕刻工具和技术不断改进，雕刻行业所涉及的领域越来越广，如在模 具、广告、精密加工等方面，数控雕刻机得到了广泛的应用。数控雕刻机不仅 可以完成大多数传统的雕刻工作，如玉石、首饰、木雕、纪念币、小模具等， 而且扩展了新的雕刻领域，如艺术浮雕、复杂零件、高精度模具等。数控雕刻 机的整个运作都以计算机自动控制为核心，摆脱了雕刻过程对人的依赖，提高 了雕刻效率，改善了雕刻质量。 计算机雕刻系统集扫描、编辑、排版、控制雕刻诸多功能于一体，能方便 快捷地在各种软性材料( 如有机玻璃、木材、橡胶等) 和硬性材料( 如各种金 属合金、石料等) 上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形、文字及三维立体浮 雕。计算机雕刻系统的应用领域广泛，举例如下：( 1 ) 广告及礼品制作业，用 于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、 有机板浮雕、立体门头字等。( 2 ) 模型制作业，制作沙盘模型、房屋模型等。 ( 3 ) 模具制作业，雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模，注塑模、冲压模、鞋模等。 ( 4 ) 印刷行业，用于凹凸板制作。( 5 ) 电火花加工机床电极雕刻加工。( 6 ) 装 饰制品雕刻。( 7 ) 汽车工业、轮胎模具，车灯模具及装饰品模具加工。( 8 ) 包 装业等字模加工。( 9 ) 首饰精细雕刻等等。而且，随着各种新型装饰材料的不 断出现，能用于雕刻的材料越来越多，使得计算机数控雕刻机有了更广阔的用 武之地。因此，计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。 数控雕刻机的主要特点： ( 1 ) 自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。 ( 2 ) 产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成， 可以达到很高的精度和表面质量；批量加工时，产品的一致性好，这对于小模 具行业十分重要。 ( 3 ) 拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、 各种复杂的曲面，支持各种刀具。 ( 4 ) 数控雕刻机都有钻铣功能，可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比 高。 由上述特点可以看出，和传统的c n c 数控设备相比，c n c 电脑雕刻机在 加工速度、加工效率、加工质量、自动化程度、性价比等方面都有着显著的优 势。 1 3 课题的来源及主要研究内容 本课题来源于安徽力宇电脑设备制造有限责任公司的合作项目“高速高精 度数控雕刻机的开发研究”。 随着微电子技术和机电结合深度的提高，产品的附加值也随着不断提高。 数控雕刻机是一种典型的机电一体化设备，研制的总体目标是提高该产品在市 场中的竞争能力，研制目标具体体现在以下几个主要方面： ( 1 ) 提高可靠性并降低成本，开发基于软件控制的雕刻机数控系统。依靠 和发挥软件技术优势，提高系统性能，降低成本，加快产品的开发周期。 ( 2 ) 通过提高数控系统的插补运算速度和精度，处理好c a m 生成的微小 直线段间的加减速，提高控制速度的平稳性，实现高速高精度雕刻加工。 ( 3 ) 模块化。将雕刻机从软、硬件结构上按功能划分模块，各功能模块相 对独立研究、发展和完善，通过标准接口联成系统。 ( 4 ) 柔性化。提高产品应用功能的灵活性，适应用户多样化的要求。 课题主要研究了以3 2 位单片机为控制核心，对c a m 生成的加工代码作编 泽、解释秘撼补计算，辩雕刻枧刀其运动孰迹秘速度送行控铡。高速商精度雕 刻加工强传统的铙鬻熬工有缀大酶麓籍，牙发商遮高精度雕叠辊数控系统有一 定的难度和深度，因此本课题的研究内容对发展和提高数控雕刻技术有定的 理论意义和应用价值。 本论文主要兹磅究凌套包括： ( i ) 研究以3 2 位a r m 7 内棱徽处理器作为控制核心，在嵌入式搡佟系统 i u t c o s i i 的魅础上构建撼个控制系娩的软件架构，并且使用标准c 语言实现雕 刻机系统的控制软件； ( 2 ) 磷究憨妻l 穰系统中嵌入式u s b 主秘系统懿实臻，建立精篾豹文锋系 统，实现对u 盘的读写操作。 毒 第二章雕刻机控制系统的总体设计 2 1 嵌入式控制系统的特点 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。嵌入 式系统具各下列四项特性：( 1 ) 用来执行特定的功能；( 2 ) 由电脑和外设构成 核心：( 3 ) 需要严格的时序和稳定性；( 4 ) 全自动操作循环筘】。相对于通用计 算机系统，嵌入式系统的主要特点是：( 1 ) 平台种类繁多( 主要指处理器和系 统软件) ；( 2 ) 嵌入式系统要求体积小、能耗低、重量轻、可靠性高，因此在资 源方面有所限制；( 3 ) 嵌入式系统是与设备相关的专用系统，即需要与底层的 硬件设各直接进行通信和交互操作的功能相对较为单一的系统；( 4 ) 对编译器 的要求比较高，不同的处理器平台有各自不同的编译器和调试软件，需要专门 的调试工具，尤其是一些专用设备：( 5 ) 相对复杂的嵌入式系统一般都采取多 任务同时运行，这样产生的错误就比较多，从而要求系统对此能够做出及时地 反应，所以在系统性能和稳定性方面的要求特别高；( 6 ) 对代码的质量要求高 6 | 。 另外，嵌入式系统的软件开发流程也具有其自身的特点。其开发流程为： 系统定义与需求分析一系统设计方案的评估与确立一系统软、硬件并行协同设 计一软硬件集成测试一系统性能测试及可靠性测试h j 。 最后，嵌入式系统的开发和p c 系统有着密切的关系。嵌入式软件的开发一 般是先在p c 系统上借助一些集成开发环境来进行源代码编写、编译、连接 ( l i n k ) ，然后生成一个可执行的文件，最后借助一些特定的工具将这个可执行 的文件下载到目标板上运行。 图2 1 雕刻机实物结构框图 2 2 嵌入式硬件系统设计 本文瘊疆究与设诗戆稚麴鞔是一个究熬的嵌a 式设备，其实貔绩秘框图及 对应的硬件结构椴图如图2 。1 、图2 2 所示。 圈2 2 藤翔税燕巅嚣硬徉绪褥蓬强 雕刻机的工作原理如下：微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、 文字的设汁、排版，自动生成加工信息( 一般为g 代码、h p g l 格式文件) ， 逶过u s b 接日或蒸链数据传臻渡日( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等) 将刃买鼹径数据绩羧 给单片机控制系统，控制系统接收刀具路强数据，完成显示、入机交互等一系 列功熊后，用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信 息转化为驱动步避电机或伺服电帆的信号( 脒i 申串) ，接制雕刻枫x 、y 、z 三 轴鹃滋绘，霹嚣誊，麓亥l 辊静藏速旋转主辘带动按热工稀覆琵备的刃具，对鋈定 于机槭本体工作台上的工件避行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面 或立体图形文字，实现雕刻自动化加工1 8 l 。 2 2 1 开发摄貔蕊翔 在嵌入式系统的开发中，为了加速系统的开发的进程，利用现成的资源( 比 如开发投) 是常鬻使用欧策略。事实上，锻多芯片厂穗为了让他的芯片在市场 上更矮有竞争力，铯嚣j 会提供诸如系统弹德板( e v bb o a r d ) 、慧琦使用手籍 ( a p p l i c a t i o n n o t e ) 以及其它可以用来帮助加速系统开发的工具。有的厂商甚 至会在评估板上移植好( p o r t i n g ) 常用的操作系统，好让系统开发人员很快就 能进嚣上屡教应瘸壤痔夔开发。捷用会佟厂嘉毒品戆浮绣攫獒妊懿在予蔹像黪 系统开发有一个稳定的开始。e v b 提供了经过验证过的成熟的硬件及其简单的 6 驱动程序。开发人员可以充分利用这些资源，把宝贵的时间用在系统中能够体 现创意的重要的地方。所以在本项目的开发设计中，我们也沿用了使用现成的 开发板这一策略。根据实际的项目的需求和对几套不同厂商的开发板的分析比 较，在本雕刻机系统的实现中选择了s w 4 4 8 0 开发板。其硬件规格：微处理器 采用s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x6 6 m h z ( a r m 7 内核1 、8 m 的s d r a m 、2 m 的f l a s h 、 1 0 m 以太网接口、i d e 接口、u s b l 1 接口、i i c 总线接口、实时系统时钟、l c d 接口、2 个r s 2 3 2 串行口、1 4 针j t a g 调试端口、可扩展的总线接口一l 。开发 板提供的软件包括：g n u 工具包( 包括交叉编译器、链接、汇编工具) 、 a r m b o o t l o a d e r ( b i o s ) 系统初始化、外设初始化应用程序源代码以及相关技术 文档手册。 2 2 2 扩展电路的实现 s w 4 4 8 0 开发板提供了丰富的成熟的硬件资源及其相关的硬件驱动程序样 例。对于硬件资源，开发厂商充分考虑到不同用户的需求，把许多的硬件资源 预留出来以便于用户根据实际的需要进行硬件扩展。在本项目中，根据实际的 需要，保留了开发板的大部分功能模块，将部分本项目不需要的硬件( 如1 0 m 以太网接口、i d e 接口、u s b l 1 接口、1 + 4 键盘等) 闲置不用。在充分熟悉开 发板的基础上，本系统扩展了一部分硬件电路以满足实际的需要。扩展电路主 要包括3 个部分，扩展的4 4 键盘接口电路、伺服电机驱动接口电路和u s b 主机控制接口电路 ( 一) 扩展的4 x 4 键盘接口电路 在本系统中，键盘是雕刻机人机交互设备，通过键盘进行人工干预雕刻机 的工作，当雕刻机处于异常情况或某些情况需要人为干预时，就可以通过操作 键盘得以实现。 键盘一般分为独立式键盘和矩阵式键盘。其工作方式有3 种：编程扫描、 定时扫描和中断扫描。键盘电路的设计很大程度上取决于采用键盘的种类及其 采用的工作方式。本系统采用的是矩阵式按键设计。另外，为了提高c p u 工作 效率采用中断扫描工作方式，即在键盘有键按下时，通知c p u 有中断产生，再 执行键盘扫描并执行该按键的功能程序。系统键盘接口电路如图2 3 所示。为 减少干扰，键盘信号先经光电耦合隔离，再进入门电路进行逻辑组合以确定是 否有中断产生，再通过对应输出的行、列线的状态判断是哪一个键按下。 ( 二) 伺服电机驱动接口电路 考虑到所研究的雕刻机控制系统对精度的要求，本系统选用了3 台松下生 产的m s m a 0 2 2 a 1 c 型( 即小惯量a 系列电机) 交流伺服电机，其额定电机输 出2 0 0 w 、电压2 0 0 v 、标准型、有油封、直轴、无制动器i l 。通过控制器完成 对三台电机的高精度控制，实现雕刻加工。 图2 - 3 键盘接口电路 这个交流伺服电机的控制方式有：位置控制、速度控制、转矩控制。可配 用多种编码器，适应各种用户需要。如：普通型的2 5 0 0 p r 增量式编码器；高 精度型的1 7 位型( 2 1 7 ) 增量式编码器；特殊型的2 1 7 位型( 2 1 7 ) 绝对式编码 器【10 1 。本控制系统中采用的是位置控制方式，编码器为普通型增量式编码，指 令脉冲类型为脉冲符号方式。参数设置及控制方式等的选择可通过触摸面板 完成。 驱动器需要的指令脉冲和指令符号都是一对相位相差1 8 0 0 的信号，系统中 采用s 3 c 4 4 b o x 所具有的p w m ( 脉宽调制输出) 方式来满足其要求。每路p w m 只能输出一路信号，为了节省资源和实现更加精确的控制，就需要设计一定的 转换电路。本系统采用的是微控制线路驱动电路( q u a d r u p l ed i f f e r e n t i a ll i n e d r i v e r ) a m 2 6 l s 3 1 。由c p u 输出的单路信号经过a m 2 6 l s 3 l 处理就可以得到 一对相位相差1 8 0 0 的信号。 a m 2 6 l s 3 1 每一个输入脚a 对应两个输出y 和z 。对应的输出脚y 、z 的 状态由使能脚g 和g 脚的状态来决定。具体驱动接口电路的实现如图2 - 4 所示。 即s 3 c 4 4 b o x 发出3 路方向信号和3 路脉冲信号，经4 路微控制线路驱动电路 得到d o d 1 1 共1 2 路信号。 p f 6 5 8 p h l 5 9 t o l _ 1 0 ，p e 3 佑8 n ) 帆，p e 4 6 9 t 0 【n 2 ，p e 5 月0 幽2 4 电机驱动接口电路 1 2 路信号中6 路方向6 路脉冲信号。为了减少电机带来的干扰，提高系统 的稳定性，1 2 路信号后端经过高速光耦6 n 13 7 隔离得到信号1 z 、1 y 、2 z 、2 y ； 3 z 、3 y 、4 z 、4 y ；5 z 、5 y 、6 z 、6 y ，送入电机驱动器，用来控制3 台交流伺 服电机。 ( 三) u s b 主机控制接口电路 u s b 协议规定，一个完整的u s b 系统是由一个u s b 主机和若干个u s b 设 备组成，u s b 主机是必须的，u s b 设备只能与u s b 主机相连，u s b 设备之间 不能直接相连来实现数据的交换。在开发板上原有的u s b 系统是一个u s b 设 备，而u 盘也是一个u s b 设备，它们之间不能实现数据的交换。所以开发板 上的u s b 接口舍去不用。为了实现雕刻机系统对u 盘中的加工数据的读取， 必须要扩展一部分电路来实现u s b 主机功能，在本系统中，采用了c y p r e s s 公 司的s l 8 1 1 h s 芯片来满足系统的需要。具体的硬件设计在第四章叙述。 2 3 嵌入式软件系统设计 2 3 1 软件系统的总体框架 在嵌入式系统的开发中，经常采用嵌入式操作系统。这是因为引用操作系 统，可以减少很多不确定的因素，从而使系统的稳定性得到了极大的保证，同 时使嵌入式开发人员从繁杂的硬件控制中解脱出来以专注于应用系统的开发， 9 盘錾一gm弘好丝m b 胡一 案翌一。卜 瓿商大大缩斑系统翡开发瘸麓驿j 。 嵌久式掇 謦系统是嵌入式藏溺软件靛纂礁霸开发平台，它是殴嵌入奁嚣 掭代璃审懿获传，愆户黪箕绝纛震稷痒都建立在攥传系统之上。嵌入式系统申 使用的嚣常烧实时操作系统( r t o s ) 。r t o s 是个可靠性朔可信魔很高的嶷 l i 于内棱，它将c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源都毽装怒来，掰给餍户 个标准滟a p i ，并根据备个任务的优先级，合理蟪程不同任务之阕分靛c p u 阿 闽。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魏，它的出蠛大大提离了嵌入式系统开 发憝效率，减少了系统开发瓣慧工终鬟，露虽提惑了嵌入式应蠲欺 孛熬耐移楗 戆 本系统慕矮了嵌入式捺作累统g c i o s 。i t ，系统释模块在弘c o s - 噩的统 控制管理下肖效的协调的工作。雕刻机系统软件的层次结构如图2 - 5 所示。由 黼可知，本系绕软件主娶宙7 个功稳模浚缀成：系绞镪始亿模块、键蠹掴攘模 获、液箍显示楱浚、文件数据读取禳块、文传数据熬译模块、撬於计算及速凌 箍稍模块稻髑凝泡梳控弼貘块，这7 个楱块在揉捧系统躲管溅调发下蛰调一敬 媳运行。 2 + 3 。2 聚绫耪娥豫横块 图2 - 5 雕刻机软件系统的层次缩构 在这个初始化模块中，酋先进行晶搬和m c l k 的定义和幸刀始化、f l a s h 、 s d r a m 等存绦嚣瓣配霰设蹩；续藿对系统灏i o 端翻功麓定义，镶据对数撵 寄存嚣、控铡寄存器察土拉魄辍毒存器黪设翟留始纯；然后渡糕蒗示定义及荚 裙拣仡，键擞定义及其穰始纯，u s b 浚器秘按攀；最矮进行中躲襁始讫，镬攒 设嚣中斯模式寄存器、中断控制寄存器、中断屏蔽寄存器以及设踅各个中断暇 务程序的入羽地娃，即襁始化中断向蹩袋疑难栈等簿。掰井，各模块的全爝变 誊及数据结稳也簧程这个模块串进行妫始值的设鬣。 i 0 2 3 3 键盘扫描模块 如前所述，本系统的键盘采用的是矩阵式键盘，键盘工作方式选用中断扫 描方式，此模块的软件设计亦要以此为基础。键盘中断扫描是指当有键盘按下 时就会产生一个外部中断通知c p u ，并由中断处理程序通过读取i o 口的状态， 来判断哪一个键按下。结合键盘硬件控制电路，设计的键盘扫描模块主要包括： 键盘控制初始化、键盘中断服务程序、按键识别程序以及各功能按键对应的子 程序。程序流程如图2 - 6 所示。 图2 - 6 键盘控制流程图 键盘控制初始化指的主要是i o 端口初始化及对相关中断控制寄存器的设 置。系统使用的是s 3 c 4 4 b o x 的p c 口作为键盘行、列的输入，因此，在初始 化时设置c 端口控制寄存器、数据寄存器和定义c 端口为普通i o 口功能。当 有键按下时，对应的中断产生输出脚k e y i n t 状态就会变化，通知c p u 有中 断产生，因此与之相关的中断控制寄存器也需要设置。中断控制的设置包括中 断模式( i r q 和f r q ) 的设置、中断优先级的设置、中断服务程序入口地址的 设定、中断触发方式( 高电平触发、低电平触发、高低触发、低一高触发) 的 选择以及设置中断屏蔽寄存器、中断挂起寄存器来控制中断的开关等。 键盘中断服务程序的功能是当中断产生时，系统按照初始化程序中给指定 的地址进入服务程序。在服务程序中，首先清除中断标志以及中断屏蔽寄存器， 接下来调用按键识别程序，在按键识别程序中对键盘行、列状态即p c 口的值 读取判断，以确定是哪一个键被按下。 l c d 初始化 读取汉字机内码 工 查找汉字字模 上 提取字模 j r 调用显示子程序 图2 - 7 汉字显示流程图图2 - 8 菜单及其对应的数据结构 2 3 4 液晶显示模块l 液晶显示模块的实现在硬件上采用的是s 3 c 4 4 b o x 微处理器内置l c d 控 制器，而液晶显示屏采用的是最为普通的e p s o n 公司生产的不带l c d 控制器 的e g l l 4 7 液晶屏。在软件的实现上，主要体现在单个汉字的显示和中文菜单 的实现两个方面。 ( 一) 单个汉字的显示 要实现汉字的显示必须先进行l c d 的初始化。还要将所需汉字的字模放 在一个数缀中建立个汉字库。在此基础上，在具体使用时，通过一个索引表 查找汉字的字摸在字库中对寝的使鬻并取出字疆。然后，诵丽汉字显示涵数将 要漫示的汉字显示出来，从而实现汉字在l c d 屏上静整示。汉字显示静具体流 程闺2 。7 如图所示。 ( 二) 中文莱荦静实现 中文菜萃嚣实现是液嚣显示模块髓最终望菰。实现中文慕罄的显示有多种 方式，我们采用鸵实理算法霄特照。我们对蘩摹的数疆结构进行了合理的经缀， 锼负责菜单驻示的程序代碣只依赖于蒹革的数据结构定义丽不荐依耧予县体静 藜单数据，不同菜单内容的艇示谈赠阉一黢菜单显示代谬。茭突擞嚣特点是摁裹 程序代礤的重用褴。一个宪整的菜单数摄鳞构组织始躅2 - 8 腰示。图中各项禽 义解释如下： 菜单项数：揩这个菜单由多少个菜单项缎成。 菜单项的最大字符数：撂所有菜单项中缀成菜单项的墩大字符数。 在l c d 上照示的位置：播整个菜单最左上角的字符( 鞠第一字符) 在 l c d 屏上显示的坐标位鬣。 商亮盈示行：蹙一个行号，表示魏行需要离巍显示。 第1 菜擎项的字符率：共出2 x 个字节兹字籍缀成，2 x 个字节内餐分剃愚 x 个中文字符的极蠹码。其余菜尊项含义与 【琏：穗丽。 蠢了这个菜单数撂缝稳，我们藏可以建c 语言来构造一个数据类型，将其 寝为m e n u s t r u c t ，其体实现如下： t y p e d e fs t r u c t u n s i g n e dc h a rn u m b e r o f i t e m ； 菜雎项数 u n s i g n e dc h a rm o s t e h a r n u m b e r p e r l i n e ；菜单项的磺大字符数 u n s i g n e dc h a rx s t a r t ，y s t a r t ；，菜单左上角酌坐标 u n s i g n e dc h a rl i g h t l i n e ；离亮显示行钓行号 u n s i g n e dc h a r4 i t e m e o n t e x t m a x n u m ；，县体菜单硬的海容 jm e n u s 下r u c t 4 p m e n u s t r u c t ； 在具体黝斑用中，对于每一个系统开发中所餐要的擦体菜鼙，是需毙声镄一 个类型为m e n u s t r u c t 的变繁，然嚣将英按上瑟鼹结翰秘始化具体豹菜单数 瓣内容。翔最示菜单内容据图2 - 8 所示，变燮声躜帮袒始化如下： m e n u s 彳r u e tm a n n e n u = 1 3 5 。此菜单共5 行 4 ，各行的最大字符数为4 5 6 8 0 ，菜单左上角坐标( 5 6 ，8 0 ) 1 ，高亮显示行为第1 行 “加工设置”， “运动设置”， “系统设置”， “数据管理”， “阵列加工” 2 3 5 文件数据读取模块 在系统进行一系列的初始化后，对u 盘进行枚举，以便系统识别u 盘设备， 然后打开你要读取的文件，文件成功打开后，就能调用本模块实现对文件的读 取。 图2 - 9 读取文件流程图 文件读取模块的主要功能是根据需要从u 盘读取若干个字节，流程图如图 1 4 2 - 9 所示。该功能模块需要2 个输入参数，一个是要读取的字节数l e n ，另一个 是存放读取数据的缓冲区的地址。该模块首先进行2 个判断，一个是文件是否 成功打开，另一个是要读取的字节数是否合法，如果都成功，则使用一个变量 o n c e l e n 来记录本次读取行为读取的字节数，在u s b 主机的实现中，本系统规 定读取u 盘的读取单位是1 个扇区( 5 1