（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式技术的冲床数控系统研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 以a r m 、d s p 、m i p s 为代表的新一代嵌入式芯片基于精简指令集具有指令 简单丰富、执行速度快、实时性强、片上资源丰富、硬件浮点运算等优点，非 常适合数控领域的开发和研究，并且微控制器和处理器开发手段和调试平台越 来越完善，嵌入式实时操作系统的广泛应用，对微控制系统的开发提供了良好 的任务管理平台和底层驱动平台，这为上层软件模块的可靠简便开发和管理提 供了有力的保证。 本文在对国内外数控机床现状及发展趋势研究与分析和对开放式嵌入式数 控理论研究的基础上，针对传统基于i p c 的c n c 系统结构复杂、成本高、硬件 冗余且无法裁剪，功耗大且可靠性低等缺点，提出并设计实现了嵌入式数控冲 床系统，并给出了软硬件体系结构的设计。 硬件系统采用a r m + d s p 的平台，a r m 作为操作和管理模块的主控芯片， 外部扩展s d r a m 、n o r f l a s h 、n a n d f l a s h 作为存储部分，采用r t l 8 0 1 9 a s 芯片 扩展网络模块，从而方便网络化开发，另外为方便加工代码的传输，采用 s l 8 1 1 h s t 扩展u s b 主模块，实现了移动u 盘的读写及热插拔。d s p 作为运动 控制模块的主控芯片，通过i o 模块与伺服驱动器和机床i o 相连，完成机床的 运动控制。 软件系统采用了开放源代码的嵌入式实时操作系统c o s i i 并移植了轻 量级t c p i p 协议栈l w l p 及嵌入式f a t l 6 文件系统，构成了基本的软件开发环 境。考虑到数控冲床的实时性要求高以及a r m 、d s p 本身的通信接口，提出并 设计实现了基于串口的通信协议。结合数控冲床和嵌入式系统的特点，操作和 管理模块设计实现了基本的人机交互、本地n c 代码文件管理、n c 代码编辑器 和n c 代码解释器，通过对u s b 协议和s l 8 1 1 h s t 芯片驱动的研究，实现了对 移动u 盘文件的管理，并具有网络化功能。运动控制模块通过调用各子模块程 序实现插补、间歇补偿、进给控制及各项机床运动控制。 设计实现的嵌入式数控冲床系统克服了当前数控冲床系统的缺陷，具有通用 性强、可靠性强、系统灵活、性价比高等优点，符合开放性数控系统的发展需要。 关键字：嵌入式系统，嵌入式冲床数控系统，a r m ，d s p ，n c 代码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o m ee m b e d d e dm i c r o c h i ps u c ha sa r m ，d s p , m i p su s u a l l ya d o p tr e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ( r i s c ) t e c h n o l o g y 晰t hv e r yf a s te x e c u t i o nc y c l e ，s t r o n g r e a lt i m ea b i l i t y , v a r i o u ss o u r c eo nc h i pa n do n c h i pf l o a t i n g p o i n tu n i t s ( f p u ) 、析m s i n g l e p r e c i s i o na n d o rd o u b l e - p r e c i s i o nc o m p u t a t i o n s ，w h i c hm a k et h e mf i tf o rt h e n u m e r i cc o n t r o ls y s t e m b e s i d e s ，b e t t e rm e a n sa n dt e s t i n gp l a t f o r m s ，a n dw i d e l y u s e dr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) p r o v i d i n gm c ud e v e l o p m e n tw i t hg o o d p l a t f o r mo ft a s km a n a g e m e n ta n db o t t o md r i v e ，b o t hg u a r a n t e e st h es t e a d ya n d c o n v e n i e n td e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n to fa p p l ys o f t w a r e b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h es t a g ea n dt r e n do fn cm a c h i n e d o m e s t i ca n da b r o a d ，a n do p e n - s t r u c t u r ee m b e d d e dn ct e c h n o l o g yt h e o r y , a n d f o l l o w i n gt h ed i s c u s s i o no nt h ep r o b l e m si n t r o d u c e df r o mt h es y s t e ms t r u c t u r eo f c u r r e n t c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) ，s u c h a st h el a c ko ft a i l o r a b i l i t y , i n s u f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e sa n dc o m p l e x i t yo fi n t e r c o n n e c t i o n sb a s e du p o n p a r a l l e li n t e r f a c e se t c ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa n dd e s i g na ne m b e d d e d - b a s e dn u m e r i c a l n c s y s t e m so fp u n c h e ra n dd e s c r i b e st h es t r u c t u r ed e s i g ni nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r es y s t e ma d o p t sa r m + d s pa st h em a i nc o n t r o lp l a t f o r m a3 2 一b i t a r m m i c r o p r o c e s s o ri se m p l o y e da st h em c u o ft h en co p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t m o d u l e ，e x t e r n a l l yas d r a m ，an o r f l a s ha n dan a n d f l a s ha r ea d d e da se x t e n s i o n m e m o r i e s a nr t l 8 0l9 a se t h e m e ti n t e r f a c ei sa d d e dt ot h em o d u l e ，a n ds l 811h s t i sa d d e da st h eu s bc o n t r o l l e rt of a c i l i t a t et h et r a n s f e ro fn cc o d ef i l e ad s p m i c r o p r o c e s s o ri su t i l i z e da st h em p uo fm a c h i n ec o n t r o lm o d u l e ，w h i c hc o n n e c t e d t ot h ep u n c h e rt h r o u g hi om o d u l ea n dm o t o rs e r v o ，f u l f i l l i n gt h em o t i o nc o n t r o lt a s k t h es o f t w a r es y s t e ma d o p t s t 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 n gs y s t e m ， l i g h tw e i g h tt c p i pp r o t o c o ll w i pa n df a t 16f i l es y s t e mt oc o n s t r u c tt h eb a s i c s o f t w a r er u n n i n ge n v i r o n m e n t c o n s i d e r i n gt h er e a lt i m ea b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i o n r e s o u r c eo fa r ma n dd s p , w ed e s i g n e dac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s eo nu a r t t h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tm o d u l er e a l i z e db a s i ch u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 m a n a g e m e n to ft h en cm a c h i n i n gc o d ef i l e s ，e d i ta n de x p l a n a t i o no ft h en c m a c h i n i n gc o d ef i l e s ，a l s o ，w er e a l i z e dt h em a n a g e m e n to ft h en cm a c h i n i n gc o d e f i l e si nm o b i l ed i s k sb ys t u d y i n gu s bp r o t o c o la n ds l 811h s td r i v e ，a n di th a s n e t w o r ki n t e r f a c ea sw e l l t h em a c h i n ec o n t r o lm o d u l er e a l i z e di n t e r p o l a t i o n ， i n t e r m i t t e n tc o m p e n s a t i o nf e e dc o n t r o la n do t h e rm o t i o nc o n t r o lb yc a l l i n gr e l e v a n t f u n c t i o nm o d u l e s t h ee m b e d d e d b a s e dn cs y s t e mo fp u n c h e ro v e r c o m ed e f e c t so fc u r r e n tn c s y s t e m ，h a v et h ea d v a n t a g e so fw i d eu s a g e ，h i g hr e l i a b i l i t y , p l u ga n dp l a y , t a i l o r a b i l i t ya n dh i 曲p e r f o r m a n c e c o s tr a t i o ，w h i c hi sa c c o r dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p e ns t r u c t u r en cs y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dn cp u n c h e r , a r m ，d s p , n cc o d e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其 它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 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期： 与丝少 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 王躲导师( 签考? 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 数控技术和数控装备是衡量一个国家制造业水平的重要标准，是工业现代 化的基础，是一个国家经济发展和综合国力的体现。自从1 9 5 2 年世界上第一台 样机数控铣床诞生在美国麻省理工学院，数控技术得到许多制造业大国的重视， 尤其是上世纪七十年代以来，伴随着微电子技术的发展，数控技术经历了分立 元件系统、专用计算机系统和通用计算机系统等阶段，发展到当前以工控微机 ( i p c ) 为控制核心的数控时代。数控机床在经历了几代的变革之中得到了突飞 猛进的发展，应用范围也越来越广，并对传统的机械制造业造成了巨大的冲击 1 - 3 o 目前基于p c 的开放式数控系统已经发展到相当高的水平，但是这种系统有 着先天的不足。由于p c 机最初是针对文件管理和数据处理而设计的，c p u 适合 于复杂指令集，具有很强的数值计算，逻辑处理和控制功能，但结构复杂、成 本高、硬件冗余且无法裁剪，功耗大且可靠性低。此外，更为重要的是p c 的硬 件不是针对实时控制设计的，往往需要进行硬件扩展以满足实时控制的要求， 而且p c 的操作系统也不是针对实时控制而设计的1 4 卅。 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，是“嵌入到受控对象或宿主系统中的 专用计算机系统”，目前国内一个普遍被认同的定义是以应用为中心，计算机技 术为基础，软硬件可剪裁，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。随着计算机技术的发展，目前出现了大量3 2 位甚 至6 4 位的高性能嵌入式芯片，以a r m 、d s p 、m i p s 等为代表的基于精简指令 集的嵌入式芯片具有指令简单丰富、执行速度快、实时性强、片上资源丰富、 硬件浮点运算、功耗低且稳定性强等优点。另外，嵌入式系统的一个重要发展 趋势是网络化，即通过串行通信、总线技术以及以太网将嵌入式设备联入局域 网甚至互联网，这也正迎合了网络化数字制造的发展要求【7 - 9 1 。 显然，相比于基于p c 的数控系统，嵌入式数控系统有着无可比拟的优越性， 更适合数控技术的要求，也成为了数控技术的发展方向之一。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 数控技术在一些制造业发达国家已经较为成熟，从最初的专用型、封闭型、 开环控制模式已发展为通用型、开放型、全闭环控制模式。主要特点有高速、 高效、高精度和高可靠性，模块化、智能化、柔性化和集成化以及网络化。如 美国科学制造中心( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体 系结构”n g c ，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ，日本的o s e c 计划等。开发研究成果已经得到应用，如c i n c i n n a t i m i l a c i o n 公司1 9 9 5 年开始 生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用开放式体系结构的a 2 1 0 0 系统1 1 。 目前国外数控系统技术发展的总体趋势如下：新一代数控系统向p c 化和开 放式体系结构方向发展；驱动装置向交流、数字化方向发展；增强通信功能、 向网络化发展；数控系统在控制性能上向智能化发展【1 0 。1 2 】。 美国法道v m c 4 0 2 0 c 机床是由上海法道机床有限公司严格按照美国法道公 司的技术标准在国内组装生产。其具有1 6 8 k w ( 2 2 5 h p ) 强大的主轴电动机在全 转速范围内提供稳定的扭矩输出。主轴采用无齿轮双速电子调速系统，更宽的 调速范围提供更好的运行特性。主轴转速最高可达蛰j 7 5 0 0 r m i n 。采用获得专利 的刀柄拉杆机构，确保刀具在强力切削中的锁紧。无论是切削钢件还是铝件， 都保证其有充分的动力，既可重切削又可高速切削。刚性攻丝在1 5 0 1 5 0 0 r m i n 高速下可保证螺矩和深度精度，且不须额外配备攻丝夹头。床身采用整体铸造， 内部遍布网状加强筋结构。重型铸铁的矩型导轨提供更大的接触面，实现最佳 的减振性能和刚性。伺服电动机采用世界名品b a l d o 电动机，高达1 69 0 0 n 的轴 推力，有着高的安全可靠性。机床全部采用直径达至l j 4 0 m m 的日本精工滚珠丝杠， 在低速下提供工作台的高速移动，延长丝杠寿命，允许长时间重载运行。 c n c 6 1 3 2 4 0 数控车床配备西门子( s i n u m e r i k8 0 1 ) 系统和交流伺服单元， 采用自动刀架及手压式润滑系统。该机床床身导轨采用超音频淬火工艺，最大 工件回转直径为4 0 0 m m ，耐磨性强，精度保持性好；主轴系统结构先进，回转 精度高，抗振性好，主轴转速范围1 0 0 一1 6 0 0 r m i n ，具有运行平稳、工作可靠、 精度高、功能丰富、操作方便、应用范围广等特点，能自动完成开深槽、坯料 去除、螺纹车削、深孔、弹性攻丝等，都可以通过固定的车削循环以及丰富的 编程指令集来实现。适合于多品种、中小批量产品的加工。 2 武汉理工大学硕士学位论文 我国数控技术起步于2 0 世纪5 0 年代末期，经历了初期的封闭式开发阶段， “六五 、“七五 期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五期间建立国产 化体系阶段，“九五”期间产业化阶段，现已基本掌握了现代数控技术，建立 了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数控产 业。目前，较具规模的企业有广州数控、航天数控、华中数控等，生产了具有 中国特色的经济型、普及型数控系统。经半个世纪的发展，产品的性能和可靠 性有了较大的提高，逐渐被用户认可，在市场上站稳了脚跟。但是由于系统技 术含量低，产生的附加值少，不具备与进口系统进行全面抗衡的能力，只在低 端市场占有一席之地，还不能为我国数控产业起到支撑的作用，与国外相比还 有不小的差距，主要问题有以下几方面： ( 1 ) 技术创新成分低、消化吸收能力不足 目前我国数控技术的研究主要还是依照国外开发的一些模式按部就班地进 行。真正创新的成分不多，对国外技术的依赖度较高，对所引进技术的消化依 旧停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有完全形成产品自主开发能力和 技术创新能力。技术引进是加快我国数控技术发展的一条重要途径，但引进的 技术要实现从根本上提高我国数控技术水平，必须进行充分的消化吸收。消化 吸收的力度不强，不但无法摆脱对国外技术的依赖，而且还会造成对国外技术 依赖性增强的反作用。 ( 2 ) 技术创新环境不完善 我国尚未形成有利于企业技术创新的竞争环境。企业技术创新的动力来源 于对经济利益的追求和外部市场的竞争压力，其技术创新意识不强。企业还没 有建立良好的技术创新机制，绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状 态，很难取得高水平的科研成果。 ( 3 ) 产品可靠性、稳定性不高 可靠性的指标一般采用平均无故障时间( m t b f ，单位为h ) ，国外数控系 统平均无故障时间在1 00 0 0 h 以上，国产数控系统平均无故障时间仅为3 0 0 0 一 6 0 0 0 h 。这使得可靠性、稳定性上就与国外技术相差很大，必然影响产品的市场 占有率。 ( 4 ) 网络化程度不够 我国数控技术的网络化程度不够，目前主要用于n c 程序传送，采用纸带阅 读器、串口通讯技术，其集成化、远程故障排除、网络化水平有限。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 体系结构不够开放 大部分数控产品体系结构不够开放，用户接口不完善，少数具有开放功能 的产品又不能形成真正的产品，只是停留在试验、试制阶段。用户不能根据自 己的需要将积累的技术经验融入到系统中，无形中流失了很多对数控技术改进、 创新和完善的资源。 1 3 本文的主要工作 针对当前基于i p c 的数控系统实时性和可靠性存在的问题，在研究嵌入式 技术和开放式数控系统的基础上，设计实现以嵌入式芯片a r m 和d s p 为基础， 基于r t o s ( 实时操作系统) 、f a t l 6 文件系统和嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 的 嵌入式冲床数控系统，具有网络化功能，满足各项冲床功能和指标，软硬件可 裁剪，提高数控冲床的实时性和可靠性。本文给出了系统硬件、软件的体系结 构并对各子模块进行详细的阐述。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式冲床数控系统的系统架构 2 1 嵌入式系统体系结构 嵌入式系统的构架一般而言可分为四个部分：处理器、存储器、输入输出 ( i o ) 和软件【1 3 17 1 。 图2 1嵌入式系统的框架 但并不是所有的微控制器都是嵌入式的，它必须有针对嵌入式应用的体系 结构和功能配置；也不是所有使用了嵌入式微控制器的系统都可被称为嵌入式 系统，它必须是一个软硬件无缝融合的有机整体，应具有以下特点： ( 1 ) 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内 核较之传统的操作系统要小得多。例如w i n d o w sc e n e t 的内核可以做到几k 。 ( 2 ) 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般 要针对硬件进行系统的移植和设计，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 ( 3 ) 系统精简 小型和简单的嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要 武汉理工大学硕士学位论文 求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于 实现系统安全。 ( 4 ) 嵌入式软件的高实时性 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存 储，以提高速度和可靠性。软件代码要求高质量和高可靠性。嵌入式系统的应 用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行。但是为了合理地调度多任务， 利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配实时系统开 发平台，这样才能保证程序执行地实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软 件质量。 ( 5 ) 嵌入式系统开发需要专门地开发工具和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常 也不能对其程序进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这 些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混 合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发和 调试，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 从硬件上看，种类繁多的嵌入式微处理器是系统的最核心部分，目前具有 嵌入式功能特点的微处理器已多达上千种，按其体系结构一般可分为：嵌入式 控制器( m c u ) 、嵌入式处理器( m p u ) 、嵌入式d s p 处理器( d s p ) 以及嵌入 式片上系统( s o c ) 。 2 2 数控系统组成原理 典型的数控系统结构一般包括 1 8 。2 4 】： ( 1 ) 计算机部分 计算机是c n c 系统的核心，主要包括微处理器( c p u ) 、总线、存储器和 外围逻辑电路等。这部分硬件的主要任务是对数据进行算术和逻辑运算、存储 系统程序、零件程序和运算的中间变量以及管理定时与中断信号等。 ( 2 ) 电源部分 电源部分的任务是给c n c 系统提供一定功率的逻辑电压、模拟电压以及开 关量控制电压、要能够抵抗较强的电磁干扰。 ( 3 ) 人机交互部分 这一部分主要控制c n c 系统的操作面板、机床控制面板、液晶或c r t 显示 6 武汉理工大学硕士学位论文 等，接受用户的原始数据输入和跟踪显示系统的当前状态和必要的加工数据， 并以各种形式展现给操作者，作为实施监控和操作的依据。 ( 4 ) 输入输出接口 i o 电路的主要任务是进行电平转换和功率放大。一般c n c 系统的信号是 t t l 电平，而要控制的设备和电路不一定是t t l 电平，而且负载也比较大，因 此要进行必要的转换操作，并采用适当的光电隔离器件，防止系统接口电路与 内部电路的相互干扰。 ( 5 ) p l c 模块 p l c 是代替传统机床强电的继电器逻辑，利用逻辑运算功能实现各种开关 量的控制。现代的c n c 采用内装型和独立型两种模式的p l c 模块，前者与c n c 共用c p u ，针对性强且结构紧凑；后者是一个独立的控制模块，组合裁剪方便。 ( 6 ) 伺服输出和位置反馈接口 这是c n c 伺服位置控制系统的硬件支持，它将c p u 运算产生的控制策略 转换后输出给伺服驱动系统，一般由d a 和a d 器件为核心构成。 ( 7 ) 主轴控制接口 主轴控制针对的是主轴的调速性能，实现高精度高速度加工，另外它还控 制主轴在高转速下定向，这一般通过采用编码器或磁性传感器的方法实现。 ( 8 ) 外设接口 外设接口的核心任务及时把零件程序和机床参数输入c n c 系统或从c n c 系统输出，同时提供c n c 与上位计算机的接口。 此外，现代数控系统的典型配置还包括完备的数据传输和通讯接口，具备 r s 2 3 2 c 、r s 4 4 2 、r s 4 8 5 和d n c 等多种通讯接口。近年来，符合i s o 开放系 统互联7 层网络模型的制造自动化通讯协议m a p 正迅速成为标准的工业局部网 络协议，另外具备以太网标准的i n t e m e t 接口也得到了广泛地采用。而近年来开 展的基于p c 软硬件平台的开放式数控系统，则完全采用了p c 的结构体系。 开放体系结构一般具备一下特征： ( 1 ) 以分布式控制为原则，采用系统、子系统和模块分级式控制结构，其 构造应该是可移植和透明的。 ( 2 ) 根据需要可实现重构、编辑，以便实现一个系统的多种用途，即可以 实现c n c 、p l c 、r c ( r o b o tc o n t r 0 1 ) 、c c ( c e l lc o n t r 0 1 ) 等在内的控制功能。 ( 3 ) 开放体系结构中的各模块相互独立，在此平台上，系统生产厂、机床 7 武汉理工大学硕士学位论文 厂及最终用户都很容易地把一些专用功能和其他有个性的模块加入其中，进行 系统开发设计时，各模块可独立开发，各模块间的协议接口要明确。 ( 4 ) 至少要具有一种稳定可靠的通信和接口协议，以便和相互独立的功能 模块实现信息交换，以满足实时控制的要求。 2 3 本系统的架构 数控系统的模块框图如图所示 图2 2 嵌入式冲床数控系统的模块框图 系统由几个不同功能的模块组成，模块间通过并行f o 、高速串行协议或其 他方法相互联系。主要包括入机交互装置、嵌入式数控操作和管理模块、嵌入 式运动控制模块和i o 及伺服控制器等。 嵌入式数控操作和管理模块通过i o 与人机交互装置相连，并通过串口与运 动控制模块连接，运动控制模块通过i o 模块与伺服控制器和机床各开关量相 连。 ( 1 ) 人机交互装置 包括一个l c d 显示器、一个6 4 键薄膜键盘和其他一些按钮，完成人机交 互任务，例如n c 代码的输入编辑显示、手动操作以及一些机床状态显示等。 ( 2 ) 嵌入式数控操作和管理模块 是数控系统的核心模块之一，负责全部的人机交互处理，各种机床参数的 设置，n c 代码的编辑、编译、存储和传输，系统监控与故障诊断，移动u 盘的 8 武汉理工大学硕士学位论文 控制及网络通信等。 ( 3 ) 嵌入式数控运动控制模块 机床逻辑运动控制的核心，利用逻辑运算能力，负责送料机运行轨迹的计 算、插补、反向间隙补偿、信号采集、主轴及开关量控制等实时性强的运算和 控制。 ( 4 ) i o 模块与伺服控制器 i 0 模块的主要任务是不同电平的转换、隔离及功率放大等。包括3 3 v 到 5 v 转换、3 3 v 到2 4 v 的转换、采用光电耦合器隔离防止干扰以及增大驱动功率 等。另外还包括单路信号转换成差分信号及差分信号转换成单路信号电路。 伺服控制器的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号，驱动被控对象 跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式冲床数控系统的硬件平台设计 数控系统的硬件平台是实施现场控制和监测的基础，本章的主要任务就是 利用嵌入式体系结构的优势和特点，为上层构建一个功能完整、运行可靠并具 有开放性的底层硬件平台。在讨论嵌入式系统体系结构和开放式数控系统组成 原理的基础上结合高性能嵌入式芯片s 3 c 4 4 b o x 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的结构特点， 给出了硬件系统各模块的电路实现及模块间的接口，并从人机交互装置、嵌入 式数控运行和管理模块、嵌入式数控运动控制模块和i o 模块与伺服控制器四个 部分详细阐述。 3 1 基于a r m + d s p 的嵌入式数控硬件平台 客观上讲，嵌入式系统一般都是量身打造的，开发人员必须根据客户需求 选择合适的软硬件平台，否则要么无法完成所要求的功能，要么就会造成资源的 浪费。针对嵌入式处理器的特点和数控冲床的技术要求，选用a r m + d s p 构建 硬件平台，即用a r m 芯片作为微控制器在其相应的嵌入式软件环境下，主要完 成系统整体控制和协调，而高速d s p 芯片完成轨迹计算、逻辑处理和数据采集 等强实时性功能。 a r m ( a d v a n c e dr s i cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r s i c 微处理 器知识产权设计供应商，它已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入 式解决方案的标准，小体积、低功耗、低成本而高性能，1 6 3 2 位双指令集及全 球众多的合作伙伴是其三大特点。虽然a r m 微处理器有多达十几种的内核结构。 几十个芯片生产厂家和众多的功能组合，但这也给在确定方案时带来了一定的 困难。a r m 采用s a m s u n g 公司的a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 芯片，3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统 电路中除处理器以外的元部件配置，从而最小化系统的成本。它拥有丰富的内 置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) ，4 通道d m a ，系统管理 器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带有p w m 功能的5 通道定制器， i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c ，i i c b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 器【2 5 2 6 】。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种独特的微处理器，是以数字信号 来处理大量信息的器件。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达 每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，d s p 芯片一般具 有如下主要特点： ( 1 ) 在个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时 访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 t i 公司推出的3 2 位定点d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是目前控制领域先 进的处理器之一。其频率高达1 5 0 m h z ，大大提高了控制系统的控制精度和 芯片处理能力。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片基于c c + + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 x d s p 内核，并提供浮点数学函数，从而可以在定点处理器上方便的实现浮点运 算。芯片集成了1 2 8 k b 的内存，可用于开发及对线程软件进行升级时的简 单再编程。优化过的事件管理器包括脉冲宽度调制( p w m ) 产生器、可编 程通用计时器以及捕捉译码器接口等；该期间还包括1 2 位模数转换器 ( a d c ) ，吞吐量每秒可达1 6 7 m b 的采样，其双采样装置可实现控制环 路的同步采样。片上标准通信端口可为主机、测试设备、显示器及其他组 件提供简单的通信端口1 2 7 - 2 8 】。 3 2 人机交互装置 针对厂商要求和系统处理器特点，显示器采用7 8 英寸、2 5 6 色的彩色液晶 显示器，由a r m 芯片本身集成的显示控制功能直接进行显示控制，因此系统的 显示实现将变得非常简单。基于a r m 芯片提供的通用i o 接口，通过c p l d 开 发、扩展了6 4 键矩阵式薄膜键盘输入电路。具体接口如图3 1 、3 2 。 武汉理r l 大学硕士学位论文 a r ml c d 图3 - 1a r m 与液品接口图 图3 2 扩展键盘接口图 图3 - 3 人机交互装置实物图 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 嵌入式数控操作和管理模块 牌n o rf 6 l a 两s h 。fh il 。 麟n a n d 蝎f l 引a s h 卜 j ：j 囡s d r a m il 围一 目一 厂 i k e y b o a r d i i j 图3 4 嵌入式数控操作和管理模块系统框图 如图3 4 所示，s 3 c 4 4 b o x 芯片作为该部分的核心处理器，外部扩展 4 m 1 6 b i ts d r a m 作为系统的内存、1 m 1 6 b i tn o rf l a s h 用来存放启动引导程序 和应用程序以及1 6 m 8 b i tn a n df l a s h 存储各种系统配置文件和n c 代码文件， 采用r t l 8 0 1 9 a s 芯片扩展网络模块，从而方便网络化开发，另外为方便加工代 码的传输，采用s l 8 11 h s t 扩展u s b 主模块，实现了移动u 盘的读写及热插拔。 s 3 c 4 4 b o x 芯片具有两路u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 其中一路用于与运动控制部分通信，另一路则接p c 方便调试。s 3 c 4 4 b o x 芯片 具有j t a g 接口，支持在线断点调试，从而方便了程序开发和调试。 d o d 7d o d 7 d + a d d l a 0 d - n 、扼 。1 、v r n o e1 1 d r x 1 n g c s 3 n c s n r e s t 。让r f _ _ s t x 2 e n t 0 i n t r q c m n d a c k m s 厂 s 3 c 4 4 b o xs l 81 1h s t 图3 5a r m 与s l 8 1 1 h s t 接口图 甲 武汉理工大学硕士学位论文 d 0 - d 1 5 t p i n + s 0 _ s 4t p i n 一 1 0 w bt p o u t + i o r b t p o u r - a e n o s c o m t o r s t d r vo s c l s m 蚤l 、 r bl o c s l 6 e s m e m r b s 5 s 7 s 3 c 4 4 b o x 七尹 r t l 8 0 19 v d d 5 0g n d 图3 - 6a r m 与r t l 8 0 1 9 接口图 3 4 嵌入式数控运动控制模块 2 0 m 采用t i 公司3 2 位高性能d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为该部分主控芯片，芯片工 作频率1 5 0 mh z ，内部集成1 8 k 1 6 b i ts a r a m 和1 2 8 k x l 6 b i tf l a s h ，容量足 够使用，因此并未外扩存储器。由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有四个通用定时器，分别是 t 1 p w m t 1 c m p 、t 2 p w m t 2 c m p 、t 3 p w m t 3 c m p 、t 4 p w mt 4 c m p ，因此 可以产生四个加工轴的p w m 位置进给脉冲，每一路p w m 脉冲作为进给量加上 一个i o 信号作为方向控制可用作某个加工轴的进给信号。另外t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 还有四路可编程捕捉信号输入，分别是c a p lq e p l 、c a p 2q e p 2 、c a p 3q e p 3 、 c a p 4 用于捕捉零点信号，使各轴精确回到机械零点，其他则用于_qep4 g p i o 普通i o 逻辑。 m c 3 4 8 7、嘉 ? 鼹 么 机床i o 图3 7 嵌入式数控运动控制模块系统示意图 1 4 一舭舰一一一 武汉理工大学硕士学位论文 3 5i 0 模块与伺服控制器 i 0 模块是为了在运动控制模块和其他模块之间隔离和转换不同的信号，由 于本系统针对般冲床系统，并且t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片上有丰富的i o 资源，足 以满足该数控冲床的资源需求，为简化系统开发、缩短开发周期，本系统并未 扩展p l c 等芯片处理i o 信号，而是采用d s p 直接通过光电耦合器接数控冲床 传感器，针对光电耦合器驱动能力不足的问题，采用达林顿反向驱动器u l n 2 0 0 3 芯片增加驱动能力，差分信号则采用摩托罗拉公司m c 3 4 8 7 芯片产生，并采用 m c 3 4 8 6 芯片作为差分输入，用于闭环系统。位置与速度伺服控制器是基于d s p 处理器的商业产品，包括差分脉冲信号输入和差分方向、使能信号输入并支持 运动信息反馈。 图3 8 普通输入电路图 c o m 图3 - 9 普通输出电路图 武汉理丁大学硕士学位论文 图3 1 0 差分输出电路蚓 图3 - 1 l 伺服驱动器实物图 武汉理j = 大学硕士学位论文 图3 1 2 整体硬件电路板实物圈 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章嵌入式冲床数控系统的软件平台设计 4 1 嵌入式软件环境 嵌入式软件运行环境包括嵌入式多任务实时操作系统( r t o s ) 、嵌入式 t c p i p 协议栈和嵌入式文件系统。本系统移植了嵌入式操作系统ac o s i i 、嵌 入式t c p i p 协议栈l w l p 和嵌入式f ：a t l 6 文件系统，从而组成了软件运行环境。 整个软件系统主要包括：系统软件平台、应用软件程序和应用程序。整个系 统分为数控操作和管理模块( a r m ) 和运动控制模块( d s p ) 。 4 1 1 嵌入式实时多任务操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式软件的基础和灵魂 2 9 。3 0 】。目前商用的嵌入式操作 系统很多，并且都具有高可靠性和实时性强等有点，具有代表性的有v x w o r k 、 p a l m o s 和w i n c e 等。c o s i i 的出现对这些商业操作系统造成了很大的冲击， 源代码公开且简单易懂、移植性好、可裁剪并且稳定性好。 c o s i i 是源代码公开的操作系统，但并不是真正意义上的操作系统，而 是一个抢占式操作系统内核，只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存 管理和任务问的通信与同步等基本功能，没有提供输入输出、文件系统及网络 之类的额外服务，需要程序员在内核的基础上编写系统需要的驱动程序，如网 络驱动程序、u s b 驱动程序等及人机交互界面等，在此基础上编写应用程序， 从而构建自己的嵌入式软件系统。 由于c o s i i 移植性好的特点，将它移植到a r m 7 系统上变得非常简单。 主要处理好数据类型的重定义、堆栈结构的设计和任务切换时的状态保存与恢 复三个问题。 对c o s i i 的移植实际上就是对与