基于双ARM的PCB钻床控制器的研究.doc

江苏大学硕士学位论文基于双ARM的PCB钻床控制器的研究姓名：张春树申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：殷苏民20070401江苏大学硕士学位论文摘要钻床是电子工业中重要的生产设备。随着电子工业的飞速发展，的尺寸越来越小，元器件却越来越多，这对加工设备提出了更高的要求，反映在钻孔加工上为单位面积上的孔的数量大大增加，而孔的尺寸却越来越小。传统的基于单片机和步进电机的中低档钻床已经越来越难以满足产品的加工要求。所以研究新一代的嵌入式钻床控制器对于提高中档钻床性能有着非常重要的意义。本文结合开发项目“钻床控制器的设计”，在深入研究机床控制器的性能要求后，研制了基于双的钻床控制器。该控制器功能强大，界面友好，相对于传统的基于单片机的钻床控制器，基于双的钻床控制器在性能上有了很大的提高。本文详细讨论了钻床控制器的设计。基于双的钻床控制器由两个子系统组成：人机交互系统和运动控制系统。其中人机交互系统采用基于内核的芯片控制；运动控制系统采用基于内核的芯片控制。两个系统之间通过总线进行数据交换。控制器的软件由人机交互系统软件和运动控制软件组成，人机交互系统程序复杂，所以人机交互系统软是基于嵌入式实时操作系统进行设计的，而运动控制系统的程序设计比较简单，它采用基于时间触发方式进行设计的。实验表明，采用双体系结构后，钻床控制器的具有性能稳定，界面友好，操作方便，加工效率和精度高等优点。关键词：，钻床，时间触发，双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，同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密回。学位论文作者签名：敬痞抽。订年月指删嗽：醛呔碉年月叶独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：致春柯日期：，年月日江苏大学硕士学位论文第一章绪论数控技术的历史年，美国帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，研制成功世界上第一台数控机床三坐标数控立铣床。年晶体管问世，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路，数控系统跨入第二代。年，出现小规模集成电路，数控系统进入第三代。前三代数控机床的控制系统均为硬连接数控系统，即（）系统。随着计算机技术的发展，出现以小型机代替专用硬接线装置，以控制软件实现部分或全部数控功能的计算机数控（）系统，数控机床进入第四代。年代出现微处理器，数控机床进入第五代微机数控（）系统。年代计算机技术的发展迅猛，数控系统进入了第六代基于机平台的开发式数控系统。数控技术的现状我国数控系统的发展始于年，经过“六五”、“七五”、“八五”、“九五”的发展，我国基本上掌握了现代数控技术，初步形成了自己的数控产业。华中型以位工控机为硬件主体，能进行复杂曲面造型、数控加工规划、程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现曲面直接插补功能。此外，还有蓝天型、等系统，这些高档数控系统的开发成功表明我国具备了开发、生产高档数控系统的能力。自年代以来，由于开放式系统的优越性，西方发达国家提出了向规范化、标准化方向发展的开放式数控系统，如欧盟的计划，美国的和计划，日本的计划等。数控系统按开放程度分主要有：（）传统数控系统。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。如系统、系统、系统等。（）主板：把一块主板插入传统的机器中，板主要执行人机交互系统任务，主要执行坐标轴的运动控制任务，如、系统、系统、等数控系统。（）运动控制板：把运动控制板插入机的标准插槽中作实时控制用，江苏大学硕士学位论文而机主要进行非实时控制，如美国的系统、日本的系统等。（）型开放式数控系统：这是一种新型的开放体系结构的数控系统。它的软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部之间的标准化通用接口，如美国公司的、德国公司的等。哪嘲数控技术发展趋势性能发展方向）高速、高精度：采用了高速芯片、芯片、多控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。）工艺复合性和多轴化：数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控多轴技术，是指数控系统可以同时控制多根进给轴和主轴，例如西门子系统控制轴数可达轴。数控系统的多轴控制功能为数控机床的复合性加工提供了技术保障。）柔性化：包含两方面，一方面是指数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；另一方面由多台数控系统组成的柔性制造系统和计算机集成制造系统具有的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。）智能化：在数控技术领域，智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。体系结构发展方向）集成化：采用高度集成化、芯片和大规模可编程集成电路、以及专用集成电路芯片，提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。）网络化：网络的主要任务是通信、共享信息。数控机床的通信范围为：江苏大学硕士学位论文与上级主计算机通信；数控装置与数字伺服系统间的通信；与现场设备及装置通信；通过因特网与其它工厂交换制造数据；通过因特网与服务中心通信，传递维修数据。）模块化：硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如、存储器、位置伺服、输入输出接口、通讯等模块，做成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。）通用型开放式闭环控制模式：采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。印制电路板数控钻床现状近年来我国的数控技术和装备取得了相当大的进步，但是我国的板数控钻床与发达国家相比有着较大的差距，特别是小孔加工能力、加工精度和速度等方面。这个差距主要来自控制系统软硬件上的差距和机床零部件上的差距。国外数控系统的平均无故障时间在小时以上，国内自主开发的数控系统为小时；整机平均无故障工作时间国外达小时以上，国内一般只有小时。目前国内板数控钻床企业的钻床控制器大都采用工控机加运动控制卡结构，厂家主要是设计控制系统的软件。但是目前产品的开发没有统一的平台，控制系统源代码参差不齐。对机床的关键技术没有掌握，比如：定位精度软件补偿技术，温度变形补偿技术，高速主轴系统的动平衡技术。总的来看我国印制电路板数控钻床现状为“：）加工效率不高。目前以下的孔径加工，平均每分钟仅能达到个孔，很难满足当前电子工业的生产效率和加工效益的要求。）加工精度不高，实际加工精度普遍只能达到以上。盲孔、深孔不江苏大学硕士学位论文能加工。）机床的可靠性不高。国产整机平均无故障工作时问在小时，与国外平均小时相比有很大差距。）机床自动化、智能化程度有待提高。国产机床在自动换刀、自动检测、远程诊断、实时智能控制、专家知识库的建立等方面尚在完善过程中。）机床数据处理能力有待加强。目前，全球化制造模式造成机床系统会面对世界各地区的数据格式和标准，国产数控系统很难适应和满足这一形势。）代表印制电路板数控钻床基本性能水平的微小孔加工能力不强，主要表现在不能稳定可靠加工以下大小的孔，在加工以下大小的孔时加工效率低，断刀现象严重，而且孔壁质量差。印制电路板孔加工方法比较目前，加工印制电路板小孔的方法大致有以下几种嘲嘲：（）钻削加工。用印制电路板数控钻床对印制电路板进行多孔加工，这种加工方法加工效率较高、孔位精度准确，孔壁的质量较高。（）等离子加工。利用等离子技术烧蚀微孔，通常以上层的铜箔为抗蚀层。（）感光材料法。利用液态感光材料或干膜绝缘材料作为掩盖层，其作用与外层阻焊层类似，不同之处在于它们用在内层结构上。（）激光钻孔。激光钻孔主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀除去被加工部分的材料，实现切除。用印制电路板数控钻床钻孔是一种成熟的技术，与其它加工方法相比它的加工范围比较大，在加工通孔和盲孔时它仍然是一种最经济的方法，而且用这种方法加工出来的孔的表面质量比较好。激光钻孔是一种新兴技术，与数控机械钻孔相比激光钻孔生产效率高，微小孔加工能力强，但是激光钻孔的孔径公差逊于机械钻孔，孔壁质量也相对差一些，而且激光钻孔设备比较昂贵。因此，用印制电路板数控钻床钻孔经济、适用。江苏大学硕士学位论文印制电路板数控钻床发展趋势捌嘲印制电路板数控钻床概括起来有以下的发展趋势：）通信功能更加强大。现代的数控钻床已经不再满足于简单的串行通信，而是将现场总线技术，以太网技术都融合到钻床空控制器中，以适应柔性制造和计算机集成制造的要求。）机床的精度和加工效率不断提高。通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统内部状态和外部环境，快速做出实现最佳目标的决策。现代数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。）自动换刀机构。在一块印制电路板上要加工各种不同孔径的孔，所以在一次加工中要进行若干次换刀，如果用手动换刀将大大影响加工效率，采用自动换刀机构能提高加工效率和自动化程度。、高速度、高精度。印制电路板钻床的高速、高精度直接影响印制电路板的钻孔的质量和加工效率，随着高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料、高速电主轴、高加减速度直线电机驱动进给部件等关键技术的解决，开发新一代的高性能印制电路板钻床将成为一种趋势。课题研究的内容和本文结构现在国内的钻床的数控系统大都采用机运动控制卡结构，这种结构的钻床控制器价格较高，体积大，在数控钻床的总体成本中占有很大的一部分。而采用单片机为核心的控制器性能低下，无法满足钻床日益提高的要求。为此，作者针对钻床设计了基于嵌入式技术的钻床专用控制器基于双的钻床控制器：以三星公司生产的微控制器为核心的人机交互系统和以飞利浦公司生产的微控制器为核心的机床运动控制系统；两个系统通过总线连接起来。它既具有基于机运动控制卡结构江苏大学硕士学位论文的钻床控制器的控制速度高，精度好，人机界面友好的优点特点，也具有基于单片机钻床控制器的体积小，重量轻，功耗小，价格便宜的优点。可以适用于四进给轴，四主轴钻床系统，同时可以扩展到更多轴，是当前中低档数控钻床的理想控制器。本论文的主要工作包括如下几个方面：研究了钻床控制器的要求，并对多种数控系统的体系结构进行了探索，最终选定了基于双的钻床数控系统的体系结构。初步完成了钻床控制器的软硬件设计。初步完成了钻床控制器的软硬件的调试。课题研究内容本论文的章节安排为：第一章绪论。介绍了课题研究的背景，目的和意义。第二章印制电路板钻床的总体结构。简要介绍了钻床的机床本体部分。第三章数控系统整体框架。论述了钻床控制器的体系结构的选择。第四章系统硬件设计。论述了钻床控制器人机交互系统和运动控制系统的硬件设计以及钻床接口电路板的硬件设计。第五章系统软件设计。论述了钻床控制器人机交互系统和运动控制系统的软件设计。第六章系统调试。介绍了钻床控制器的调试平台，给出调试的结果。第七章总结与展望。对钻床控制器的设计进行了工作总结，并展望了将来的发展方向。江苏大学硕士学位论文第二章印刷电路板钻床总体结构印刷电路板钻床的机械本体部分是钻床控制器的控制对象，是钻床整体性能指标实现的基础和保证，本章简要的介绍了钻床机械部分的结构。印制电路板钻床的结构印刷电路板钻床主体主要由床身、横梁、立柱、工作台、伺服传动系统、主轴系统等组成。机床采用刚度较高的龙门结构：机床的本体上安装向导轨，导轨上安装有工作平台。机床的横梁上安装有向导轨，在机床的向导轨的滑台上装有和两个向导轨，在每个向导轨的滑台上安装有两套机床的主轴系统。机床的运动部件的大都采用铝材料，由于铝的质量较轻，所以惯性较小，有利于机床的快速定位“。机床的整体结构见图。轴交流伺服电机；轴滑台；工作平台；机床床身；轴横梁：轴交流伺服电机誉恼愿豹整体结构轴滚动导轨；）（轴交流伺服电机轴滚动导轨；轴滚珠丝杠；轴滑台：轴正向限位器江苏大学硕士学位论文轴滚动导轨；轴正向限位器；钻床机械部分参数如下：轴最大行程：；轴最大行程：；绝对精度：；轴最大行程：重复定位精度：；钻床的最高进给速度：；钻床的最高主轴转速：；机床进给系统印制电路板传动系统主要包括、四个方向的进给传动，机床的传动和导向机构采用日本精密滚珠丝杠和直线导轨，保证了机床的加工精度和较高的进给速度嘲。进给驱动电机与丝杠采用弹性连轴器直接进行连接，由于进给系统没有采用减速机构，所以大大缩短了传动系统的传导路径，降低了传动系统误差恻”同时弹性连轴器可以承受一定的由于电机轴和滚珠丝杠同轴度误差而带来的饶曲，降低了电机的安装难度，弹性联轴器具有一定的弹性，可以减小电机对丝杠的冲击，延长机床的使用寿命。现代数控机床一般采用步进电机或伺服电机作为进给系统动力源。步进电机结构简单，成本较低，可以采用开环结构进行控制，但是转速较低，力矩也不够大，适用于低成本场合；伺服电机精度和转速都很高，采用闭环或半闭环结构进行控制，价格较高，适用于全功能型数控机床和加工中心。伺服电机分为直流伺服电机和交流伺服电机，随着电子技术和控制技术的发展，交流伺服电机在性能上有了很大的提高。现在广泛使用的交流伺服电机是永磁同步交流伺服电机。它具有体积小，过载力矩大，免维护的优点。目前交流伺服系统已实现了全数字化，全部控制功能都由微处理器完成，使用了先进的馈控制、最优控制、自学习等先进的控制理论，从而保证了电机具有较高的响应速度和较高的精度。本设计中选用了全数字式松下系列交流伺服系统“。松下系列交流伺服系统具有位嚣精度高，响应速度快，过载能力强的优点。松下交流伺服系统的交流伺服电机的尾端装有光电编码器，用于检测电机的当前位置，所以交流伺服系统本身就构成半闭环控制。印刷电路板钻床就采用这种半闭环的结构。当然，为了提高机床的整体精度系统可以采用光栅或感应同步器构江苏大学硕士学位论文成全闭环系统。松下交流伺服系统具有种工作模式：速度模式，位置模式和力矩模式。位置模式是通过脉冲来控制伺服电机的运动，即伺服电机的角位移取决于脉冲的数量，伺服电机的转速取决于脉冲的频率。伺服电机的转动方向由方向信号控制。主轴系统现代数控机床主轴向高速高精度方向发展。为了降低主轴系统的制造成本和难度，要求尽量缩短主轴系统的传动路径，这样出现了一种零传动路径的主轴系统电主轴。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它包括电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴有结构紧凑、高转速、高精度、高效率、振动小、噪声低、运行平稳等优点“。目前我国的洛阳轴研科技股份有限公司已开发生产大类，个系列，多种电主轴产品，额定转速从到。我们的机床选用的是洛轴产的的电主轴。本章小结本章主要介绍了印制电路板钻床的主要结构和钻床的传动系统、主轴系统的结构与功能。钻床床身采用高刚性的龙门结构，采用交流伺服系统作为迸给电机，采用滚珠丝杠和滚动导轨作为机床的进给传动系统：同时采用电主轴作为机床的主轴电机。因此，机床的机械部分具有很高的性能，这为机床的整体性能提供了有效的保障。江苏大学硕士学位论文第三章控制系统总体结构设计钻床控制器的总体结构设计是指机床采用何种体系结构。控制器的体系结构直接决定了控制器所能达到的性能。本章详细介绍了数控系统的各种体系结构，并进行对比，最终选定基于双的控制器结构。机床控制要求根据当前国内印制电路板钻床的现状，本课题从低成本高性能出发，拟定钻床控制器所要实现的功能如下：轴最大行程，轴最大行程。四个主轴，最高转速，档速度调节。钻孔频率为次。重复定位精度把刀具，钻孔直径为啪口，具有自动换刀功能。驱动系统采用松下交流伺服电机及驱动器。加工孔数量最大值为。具有自动加工和手动加工功能。具有液晶，可以完整地的显示机床的加工过程以及加工信息。系统能够实现对各种机械信号的处理，包括原点信号、限位信号、停止信号等，能够处理机床的各种异常（机床断刀处理，机床的进给轴超限）。具有通信接口，数控系统能接收上位机的加工信息。运动控制部分具有四进给轴控制能力，实现对四个轴的位置控制。控制要求分析机床的轴最大行程为，轴的最大行程为，轴和轴行程较小。机床选用螺距的滚珠丝杠。松下交流伺服系统工作在位置方式，为了达到要求的精度，我们设定脉冲当量为脉冲。机床整个行程的最大脉冲数为。而个字节可以表示的数为的范围是：一，江苏大学硕士学位论文足够表示机床的整个行程了。机床要求钻孔速度为孔，要求平均每个孔的加工时间小于。机床的运行时间是由控制器运算时间与机械运动时间组成。由于控制器运算时间与机械运动时间相比非常短，可以忽略不计，所以孔加工时间近似于机床的机械运动时间。机床机械加工过程如下：机床先和进给到指定位置，然后轴和轴快进，接着轴和轴工进，最后轴和轴快退，一个孔加工结束。假设每个孔和方向上要进给，轴和轴快进，工进，快退。其中轴和轴可以同时运动，轴和轴可以同时运动。设定机床快进和快退速度为，进给速度为；工进为，进给速度为。那么一个孔的加工时间为：（）秒，实际加工时，一般加工路径都要小于假设值，并且考虑到进给系统加减速，机床在理论上基本满足要求。控制器结构设计机床的进给轴较多，速度很高，机床的实时性要求很强，控制器必须选用较高性能的处理器和较好的构架。控制器的控制任务分成两类：一类是负责人机交互的任务。另一类是负责机床运动系统的控制的任务。人机交互任务实时性要求比较低，但是数据的处理量很大，而机床运动系统控制任务数据处理量不大，但是实时性要求很高。对于比较简单的系统，一般采用单微处理器结构外扩一些功能电路来实现。对于功能比较复杂的数控系统多采用多微处理器结构或是微处理器加上专用的控制芯片的结构。多微处理器装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元。多微处理器装置的运算速度与单微处理器装置相比有了很大的提高，更适合于多轴控制，高精度，高效率的数控要求。在选择控制机的体系结构中，作者对三种结构都进行了探索，并且做出了相应的对比。单处理器加外围的功能电路结构：主采用，外围电路采用芯片和芯片进行扩展。其中用于产生用于控制电机的脉冲，每片江苏大学硕士学位论文有三个位定时器，每两个定时器可以控制电机的位移和速度“”。芯片用于进行的扩展。由于和都是供电的芯片，而的口只能承受电平，所以两者之间采用一相互转换专用三态门芯片“。该种结构成本比较低，但是机床的控制的策略比较单一，不利于将来机床的性能的提升。单处理器加外围的功能电路的杰构简图如图。实物图请参考图。，接入口、电路板。图单加功能电路结构简图图单加功能电路实物图江苏大学硕士学位论文对于单处理器加专用芯片结构，作者也进行了探索。机床的体系结构采用的是加芯片结构。采用芯片“。采用唧，语言编写了一个交流伺服系统专用控制电路。该电路类似一个可编程芯片，与采用地址总线，控制总线和数据总线相连。使用时，只要对该芯片的对应的寄存器进行读写，芯片就能自动控制伺服系统的运动。由于使用控制伺服电机是属于硬件直接控制的方式，所以速度非常快，但是的门数较少，需要扩较多的芯片，而采用的成本过高，与控制器的设计原则相背。单处理器加专用芯片结构简图参见图。实物请参考图。国一圉图单处理器加专用芯片结构简图图单处理器加专用芯片结构实验装置采用多结构，把数据的处理量大，但是实时性要求比较低的人机交互任务交由一个芯片来处理，而数据处理量小，但是实时性要求高机床运动系统控制任务交由另一个芯片来处理，具体是指将人机交互系统的任务交由芯片进行处理，而运动控制任务交由芯片进行处理。这种结构价格适中，结构清晰，便于软件设计，而且可以采用软件的方法该进控制策略，达到很好的效果，这也是控制机最终采用的方法。江苏大学硕士学位论文双之间的信息传输控制器的人机交互系统的控制信息要传输给机床运动控制系统进行执行，而机床运动控制系统的状态信息要传输给人机交互系统进行显示和处理。这就涉及双之间的通信。机床的多之间的通信可以采用共享存储器或共享总线方式来实现。在信息传输上，作者对两种传输方式进行了实际对比：采用共享存储器方式。作者采用公司生产的双端口进行数据的交换，其特点是交换的效率非常高，适合于数据传输量大的场合。但是，的价格较高，而且使用地址总线，数据总线和控制总线，这样会减少口的数量。采用双端口的双实验系统结构图如图所示，实验系统如图所示。图双端口芯片结构简图置暮千鞭墙口蝴职嗍信欲簟口矗嚏僵鬟唰并发板鞭口椭擅篡并发扳薹千蕊俎瑕嗍健江苏大学硕士学位论文采用共享总线方式进行数据的传输。传输的速度比双端口低，但是价格非常便宜，适合于数据交换较少的应用中。钻床是属于点位控制系统，信息传输量比较少，负载较轻，所以控制器采用简单可靠的串行总线总线作为双之间的通信的桥梁。是飞利蒲公司设计的板级串行总线。它有如下特征“：只要求两条总线线路：一条串行数据线（）；一条串行时钟线（）。每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的主机从机关系软件设定地址来寻址。主机可以作为主机发送器或主机接收器。是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时进行初始化，传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。串行的位双向数据传输位速率在标准模式可达，快速模式可达，高速模式下可达。片上的滤波器可以滤除总线上的毛刺波，保证数据的完整。不需要设计总线接口，总线接口已经集成到芯片上。集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义。在系统中增删不会影响总线的其他电路。故障诊断和调试都很方便，故障可以被立即寻址。控制器的人机交互系统的微控制器采用三星公司生产的芯片，机床运动控制系统的微控制器选用飞利蒲公司生产的删芯片。这两个微控制器都自带控制器，无需扩展任何硬件就可直接进行通信。每加工一个孔，就传输给一组控制指令。控制指令长度为字节，而每隔秒就传输给一组机床运动控制系统的状态信息，状态信息长度为个字节。总线速率为，传输时间约为毫秒，大大小于机床运动系统的执行时间，控制器完全可以接受。控制器的具体工作过程控制器的人机交互系统打开已经存储在其内的加工文件，读取加工指令，生江苏大学硕士学位论文成机床运动控制系统的控制命令，通过传输给机床运动控制系统，机床运动控制系统通过处理，控制机床各个进给轴和主轴的运动，同时，每隔秒，把机床运动控制系统的状态信息通过传输给人机交互系统进行处理显示。本章小结本章对钻床控制器的各种结构进行了深入的探索，并把各种体系结构进行对比，最终选定了基于双的体系结构：一个芯片负责控制人机交互系统，另一个芯片负责控制机床的运动控制系统。这两个系统用总线进行信息传输。江苏大学硕士学位论文第四章控制器的硬件设计钻床控制器的硬件是钻床的控制器的基础，钻床控制器的功能的强弱，钻床控制器的稳定性等都是于钻床控制器的硬件有密切的关系。本章详细介绍了钻床控制器的硬件设计。控制的总体硬件结构钻床控制器按硬件功能可以分成两部分：一部分是钻床控制器的控制部分，另一部分是钻床控制器与机床电气系统之间的接口电路部分。钻床控制器的控制部分电路是控制器的核心，它的属于弱电电路，电压和功耗都很低，抗干扰性差；接口电路的电压和电流较大，并且接口电路直接和机床的电气系统进行连接，干扰和功耗都很大。为了提高控制器的稳定性，并且便于维修，控制器被分成两块电路板进行设计。一块是控制器的系统板，是控制器的核心，另一块是控制器的接口电路板。钻床控制器总体结构如图所示：宁，圈圆挖中副万吲器薹霉荔裴口攫块鬯南控制器系统板图控制器结构图控制器系统板的设计控制器的系统板包含两个子系统：一个是人机交互系统，另一个是机床运动控制系统。人机交互系统的任务特点是信息处理量大，任务之间有较多的信号传江苏大学硕士学位论文递，要求处理器有较高的处理速度和较好的人机交互接口。机床运动控制系统直接控制着机床的运动，它要求微控制器有较强的控制功能和较高的运算速度，以满足机床的实时性要求。在选择硬件就必须充分考虑这些特点。控制器的选择是的缩写，是微处理器行业的一家知名企业。公司是专门从事基于技术芯片设计开发的公司，公司本身不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。世界各大半导体生产商从公司购买其设计的微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的微处理器芯片进入市场。所以基于内核的微控制器种类非常丰富，芯片用于工业控制领域，无线通讯领域，网络应用，消费类电子产品，成像和安全产品等领域。微处理器目前包括下面几个系列：系列，系列，系列，系列，系列，的，的。其中，柚、】、删和为个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。系列专门为安全要求较高的应用而设计。系列微处理器为低功耗的位处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。微处理器系列具有如下特点：具有嵌入式逻辑，调试开发方便。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供的三级流水线结构。代码密度高并兼容位的指令集。对操作系统的支持广泛，包括、等。指令系统与系列、系列和系列兼容，便于用户的产品升级换代。系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。系列微处理器包括如下几种类型的核：、。其江苏大学硕士学位论文中，是目前使用最广泛的位嵌入式处理器。的基本含义为：支持为压缩指令集；：支持片上：内嵌硬件乘法器（）；：嵌入式，支持片上断点和调试点。基于内核的芯片种类丰富，而且性能优异，价格低廉。所以机床的运动控制系统和人机交互系统都选用基于的芯片“”是韩国三星公司开发的一款基于内核的功能强大的处理器。它主要用于一般应用和手持应用。采用了一种新的总线结构，即（三星嵌入式微处理器总线结构）。内部集成了控制器，通道，通道，外部存储器接口，通道多功能定时器发生器，实时时钟（），通道总线（可工作于多主模式），调试口等功能“。由于内部具有强大的人机交互功能模块，所以人机交互系统选用作为其控制核心。内部结构框图如图“”。图￥结构框图是飞利蒲公司生产的一款基于，并带有字节位宽的和的微控制器。采用脚封装，功耗极低、江苏大学硕士学位论文多个位定时器、路位、删输出，多达个的外部中断，以及个可以承受电平的引脚，特别适合工业控制、医疗系统、收款机控制等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。内部结构图如图”“。图芯片内部结构框图控制器系统板电源电路和复位电路的设计电源是嵌入式系统的重要组成部分，电源的好坏直接影响系统的稳定性。系江苏大学硕士学位论文统板的电源比较复杂：工作需要（内核电压）和（外围部件电压），而工作需要（内核电压）和（外围部件电压），还有一部分器件需要电源供电。控制器核心板由外部的开关电源进行供电，开关电源可以提供的直流电。系统板上的使用电压供电的器件很多，所以对电源的功率要求比较高。为了保证控制器能够正常运行，电源需要有一定的余量，核心板的电源功率要求为：电源；电源；电源。是一个低功耗正向电压调节器，它可以使用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。有很低的静态电流，可以稳定输出稳定电流，具有线性调整率和的负载调整率。芯片具有，这几种规格”。电源电路图如图。图控制器系统板电源电路为了减小电源电压的波动，电源电路采用电容并联的方式进行滤波。微控制器的复位电路要求能够上电复位和手动复位，并且保证复位的可靠性。当控制器断电时，要求能够保存控制器断电前的加工状态，以方便钻床上电后继续加工，所以控制器的复位电路要求能够具有掉电检测功能。控制器选用专用的复位芯片进行复位。芯片是公司生产的专用复位芯片。包含一个看门狗定时器，一个复位模块，一个供电失败比较器可以对电源进行监测，当电源组的电压低于时就触发中断，以及一个手动复位输入引脚，适用于或环境，复位电平宽度为“”。由组成的复位电路有电源监测，上电复位和手动复位功能。和江苏大学硕士学位论文共用一个复位电路，复位电路原理图如图。图复位电路原理图人机交互子系统硬件设计人机交互系统负责机床与操作者之间的信息交换。人机交互系统直接影响钻床的操作效率。因此设计界面友好，操作方便的人机界面对控制器的整体性能有着直接的影响。钻床控制器采用基于：总线以为控制器的键盘作为操作信息的输入。钻床控制器与上位机的通信采用常见的通信。人机交互系统设计了一个像素色，通过它把机床的信息传输给机床的操作者。控制器设计了一个存储器，用来存储不同的钻孔文件，以方便机床的加工。为了使机床的一些基本参数可以永久的保存，控制器设计了机床参数存储器。的存储空间由个存储段（）组成，每个为存储器和外设提供的地址空间。其中可以支持等存储器。在控制器人机交互系统中，的用于控制器系统程序存储器，用于机床加工文件存储器，用于的数据存储器。机床人机交互系统基本电路设计的时钟输入采用晶振，内部有锁相环（），所以通过设定：引脚为使能，可以使用较低的晶振，而使芯片工作在较高的工作频率。选用唧的晶振。的通过江苏大学硕士学位论文的电容接地，由于使用的是晶振输入时钟信号，所以外部时钟输入引脚必须接为高电平。内部有实时时钟模块，它能够提供日历功能，支持闰年，支持毫秒滴答时间中断作为核的时问滴答，能够进行独立供电，实时时钟选用标准时钟晶振（。为了免去每次开机都要设置时钟的麻烦，控制器设计了一个掉电保持电路。当控制器上电时，实时时钟由控制器电源供电，并且通过二级管对保持电路的电池进行充电；当控制器掉电时，由于二级管反向阻抗很大，电池供电只对实时时钟供电，从而保证了实时时钟一直有效“州埘嘲。人机交互系统基本设置电路原理图见图。图人机交互系统基本设置电路图中是的系统设置，图中是实时时钟的晶振电路，图是的晶振电路，图是锁相环设置电路，图是实时时钟的掉电保护电路。机床人机交互子系统程序存储器电路设计没有程序存储器，所以必须扩展系统程序存储器。系统一上电就执行系统程序，所以系统程序要求存储在非易失性存储器中。由于人机交互系统的系统程序比较大，所以必须选用容量较大的非易失性存储器。闪存（）是上世纪末出现的非易失性存储器，它结合了存储器的成本优势和的可再编程性能，因此得到了越来越广泛的应用。公司生产的是一款存储容量为的多用途。它采用单一电源供电；可以擦写个周期，数据可以保存趣盛骞。江苏大学硕士学位论文年；很低的功耗，动态电流，静态电流；扇区擦除功能，扇区统一为；快速读操作，读操作仅需一；口与电平兼容，使用非常方便，使用方法像普通的相类似。的程序存储器是接在上，：引脚配置成使总线宽度被配置为位与的数据总线宽度相匹配。见图。与连接的电路原理图见图：硼汀帕图与连接电路机床人机交互子系统电路设计谴。内部有，为了加快程序的执行速度，内部的都被配置成为。必须要扩展才能工作。由于是冯诺依曼结构，程序存储区和数据存储区共用一套总线。为了方便程序的调试，控制器把调试程序的数