（电路与系统专业论文）基于嵌入式linux的图形牙花加工控制系统的设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文杭州电子科技大学硕士学位论文 基于嵌入式基于嵌入式 linux 的图形牙花加工的图形牙花加工 控制系统的设计控制系统的设计 研研 究究 生：生： 张 伟 指导教师：指导教师： 张海峰 副教授 2012 年 12 月 dissertation submitted to hangzhou dianzi university for the degree of master design of graphics tooth process control system based on embedded linux candidate: zhang wei supervisor: associate prof. zhang haifeng december，2012 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和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杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘 要 五金行业是我国国民经济的重要行业之一，作为五金行业重要成员之一的锁具加工行 业，其发展尤为迅速。锁具制造设备是加工机械锁具的关键，有了先进的设备才能生产出优 质产品。发展迅速了需求量自然也就提高了，很明显传统的手工拨号编码已经满足不了要求。 随着计算机技术、电子技术和机械加工技术的不断发展，使牙花加工从传统的手工拨号编码、 靠模控制演变为计算机自动编码、数字控制，实现钥匙牙花加工的高精度、高密钥率、高效 率。随着嵌入式技术的蓬勃发展，嵌入式 linux 系统已经被广泛应用于数控系统中了。嵌入 式系统的硬件芯片不断集成化，集成的外设越来越多，功能也越来越强大，使处理器的可靠 性和应用水平越来越高，而且功耗也很低，这些都使嵌入式系统很好的适应了数控系统越来 越高的要求，对于运行的实时性、缩短数控系统开发周期、增加数控系统灵活度等方面具有 极大的优势。本课题的目的在于设计一套可以根据上位机产生的编码数据实现钥匙图形牙花 加工的控制系统。 本文主要包含以下几个部分，首先，本文分析了课题研究的背景和意义以及数控加工系 统在国内外发展现状和趋势，另外还介绍了数控系统中的一些技术。其次，本文重点描述了 整个系统的实现过程，分为硬件和软件两方面，硬件平台选用的是tq2440开发板，并对系统 使用到的外设原理图及其用法用途进行介绍。软件方面包括pc端上位机软件和下位机系统构 建，其中上位机软件主要介绍了牙花编码的生成和筛选算法，数据库操作方法，另外还介绍 了如何实时显示下位机系统正在加工的图形牙花以及所用g代码；下位机系统构建过程分为 u-boot引导，linux内核裁剪，yaffs2文件系统构建，以及系统成功启动后相关外设驱动程序 的设计和应用程序的编写，外设驱动程序包括led驱动、按键驱动、nand flash驱动、串口驱 动和电机驱动等，应用程序中重点介绍了根据牙花编码勾勒出图形并转化为g代码的算法流 程。最后，是对整个系统进行了相关测试，主要测试了系统各个模块的实现过程以及结果是 否达到预期目标，同时论文的结尾还对全部工作进行了总结，评估和分析了系统中存在的一 些问题，提出整个系统的可完善之处，并展望了系统将来的功能以及它的应用前景。 经过实践证明，本设计基本实现了预定功能，达到了预期设计目标，创新性的把新技术 应用到了实际生产中，有一定的社会意义和实践意义。 关键词：数控系统，牙花编码，图形勾勒，g代码，嵌入式linux 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract the hardware industry is one of the important sectors of our national economy, locks processing industry, as an important member of the hardware industry, is developing rapidly. locks manufacturing equipment is the key to process the machinery lock, it can produce good quality products only with state-of-the-art equipment. the rapid development of the locks naturally leads to the increase of the demands. it is clear that the traditional manual dialing code has failed to meet the requirements. with the continuous development of the computer technology, electronic technology and machining process technology, the way to process tooth develop from traditional manual dialing code and control with templates to the computer coding automatically and digital control, realizing the high precision, high key rate and high efficiency of the key tooth process. with the vigorous development of embedded technology, embedded linux system has been widely used in cnc systems. chips of embedded system hardware has been integrated more and more peripherals, more and more powerful, making processors reliability and application level get higher and higher, and power consumption is very low. these all make embedded system well adapt to the ever-increasing demands of numerical control system it has a great advantage in running real-time, shorting the cnc system development cycle, increasing the cnc system flexibility. the purpose of this project is to design a control system that process graphics according to the tooth code data generated by the host computer. this paper contains the following sections. first, this paper analyzes the background and significance of the research, and the cnc systems development status and trends at home and abroad .it also introduces some of the numerical control system technology. this article focuses on the implementation process of the whole system, it is divided into two aspects of hardware and software. the hardware platform is tq2440 development board, it also introduce the systems peripherals schematic the system used and their usage. the software aspects include host computer software of the pc side and the building of lower machine system, pc software mainly introduces the algorithms of generating and filtering the tooth code, the way to operate database, and it also describes the method to display the graphics teeth that lower computer system is processing and g-code at the real-time. the build process of lower machine system is divided into u-boot booting, linux kernel cutting, yaffs2 file system building and the design of application and peripheral drivers after the system boot successfully. the peripheral drivers include led drive, key drive, nand flash drive, serial port driver, motor drive and so on. the application of the lower computer highlights the algorithm processes translating from tooth code to g code. finally, it is related test to 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii the entire system, the main test is to the implementation process of the various modules of the system and whether the results achieve the desired goal. at the end, the paper also summarizes all the work, evaluates and analyses some problems that also exist in the system, puts forward points that can be improved in the entire system, and looks to functions of the system in the future and its application prospects. proven, the design almost realizes the intended function, achieves the expected design goal, innovative apply new technologies to the actual production, it has a certain degree of social and practical significance. keywords：numerical control system，tooth coding，graphics outline，g code，embedded linux 杭州电子科技大学硕士学位论文 iv 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 1 1.3 课题主要研究重点和创新点 . 3 1.4 论文章节安排 . 3 第 2 章 整体系统方案设计 . 5 2.1 下位机系统设计 . 5 2.2 上位机系统设计 . 6 2.3 本章小结 . 6 第 3 章 牙花加工控制系统硬件介绍 . 7 3.1 硬件环境简介. 7 3.2 系统所需外设介绍. 8 3.2.1 led 电路 . 8 3.2.2 按键电路 . 8 3.2.3 串口电路 . 9 3.2.4 nand flash 存储芯片电路 . 9 3.2.5 gpio 扩展口 . 9 3.3 本章小结. 10 第 4 章 牙花加工控制系统构建 . 11 4.1 bootloader 引导程序之 u-boot 分析 . 11 4.2 linux 内核移植 . 12 4.2.1 linux 内核介绍 . 12 4.2.2 linux 内核移植过程 . 12 4.2.3 linux 内核启动过程 . 14 4.3 文件系统的建立. 15 4.3.1 yaffs2 简单介绍 . 15 4.3.2 根文件系统的构建过程 . 15 4.3.3 yaffs2 文件系统生成 . 18 4.4 本章小结. 18 杭州电子科技大学硕士学位论文 v 第 5 章 嵌入式系统相关驱动开发设计 . 19 5.1 linux 嵌入式系统层次结构分析 . 19 5.2 相关驱动介绍 . 20 5.2.1 led 驱动 . 20 5.2.2 按键驱动 . 21 5.2.3 串口驱动 . 22 5.2.4 nand flash 驱动 . 24 5.2.5 定时器驱动 . 26 5.2.6 步进电机驱动 . 27 5.3 驱动模块的编译. 31 5.4 本章小结. 31 第 6 章 系统应用程序软件开发设计 . 32 6.1 上位机软件设计. 32 6.1.1 钥匙特征参数介绍 . 32 6.1.2 数据库的选择及操作 . 33 6.1.3 牙花编码算法 . 35 6.1.4 牙花编码的处理 . 37 6.1.5 图形牙花的实时显示 . 39 6.2 下位机应用程序设计. 40 6.2.1 g 代码简单介绍 . 40 6.2.2 牙花编码到 g 代码转化过程分析 . 41 6.2.3 g 代码的解析 . 44 6.3 本章小结. 44 第 7 章 整个系统的测试 . 45 7.1 牙花编码模块 . 45 7.2 linux 系统启动过程 . 45 7.3 下载数据波形捕获 . 48 7.4 当前加工的图形牙花的显示. 48 7.5 本章小结. 48 第 8 章 总结与展望 . 49 8.1 总结 . 49 8.2 展望 . 49 致 谢 . 51 参考文献 . 52 附 录 . 55 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 自从 20 世纪中期数控技术出现以来，数控加工技术给机械制造业带来了革命性的变化， 数控加工具有加工精度高，加工柔性好，生产效率高，改善劳动条件，减轻操作工劳动强度 等优点，有利于加快生产管理的现代化步伐以及经济效益的快速提高。数控机床是一种高度 机电一体化的产品，能够用它进行加工的产品也是多种多样的，它主要适用于加工多品种小 批量零件，精度要求高的零件，结构比较复杂且要求高精度复制的零件，需要经常改动的零 件，生产周期短、效率较高的零件等。 进入 21 世纪，我国加入世界贸易组织，经济与国际全面接轨，进入了蓬勃发展的新时 期，机床制造业的水平得到了飞速发展，但在发展的同时，来自国际市场竞争的压力也是一 个巨大的挑战，加速数控机床的进步是解决我国机床制造业持续发展的关键，另一方面，随 着制造业对数控加工技术的巨大需求以及计算机电子技术的飞速发展，数控加工技术的应用 范围也在不断扩大，并在发展中不断满足新的生产加工的需求。 五金行业是我国国民经济的重要行业之一，自改革开放以来取得了长足进步，作为五金 行业重要成员之一的锁具加工行业，其发展尤为迅速。锁具制造设备是加工机械锁具的关键 之一，有了先进的设备才能生产出优质产品。发展迅速了需求量自然也就提高了，很明显传 统的手工拨号编码已经满足不了要求。随着计算机技术、电子技术、机械加工技术的不断发 展，使牙花加工从传统的手工拨号编码、靠模控制演变为计算机自动编码、数字控制，实现 钥匙牙花加工的高精度、高密钥率、高速度、高效率，并且数控机床上的模具加工也从将数 控语言编程系统和会话式编程系统发展到数控图形编程系统，数控图形编程系统较前两种有 效率更高，质量更好，加工更精确的优点。 随着嵌入式技术的蓬勃发展，嵌入式 linux 系统已经被广泛应用于数控系统中了。嵌入 式系统的硬件芯片不断集成化，集成的外设越来越多，功能也越来越强大，使处理器的可靠 性和应用水平越来越高，而且功耗也很低，这些都使嵌入式系统很好的适应了数控系统越来 越高的要求，对于运行的实时性、缩短数控系统开发周期、增加数控系统灵活度等方面具有 极大的优势1。 针对上述情况，提出了一种基于嵌入式 linux 的图形牙花加工控制系统的设计。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 数控技术已经是在工业中广泛应用的控制系统了，我国数控技术的发展起步于二十世纪 五十年代，最近几年，我国数控产业发展迅速，但由于起步比国外晚了二三十年，进口设备 的发展势头依然强劲，从 2002 年开始，中国连续三年成为世界数控设备消费第一大国、数控 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 设备进口第一大国，目前,国际上最大的数控系统生产厂是日本 fanuc 公司,1 年生产 5 万套 以上系统，占世界市场约 40%左右,其次是德国的西门子公司约占 15%以上,再次是德海德汉 尔、西班牙发格、意大利菲地亚、法国的 num、日本的三菱、安川。由此可以看出国产数控 设备仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平 依然落后2。 国内外各大钥匙加工厂商采用的控制系统千差万别，他们对加工的自动化程度越来越重 视，自动化程度的高低和该厂商的市场竞争力密切相关。目前国内很多数控钥匙加工厂商还 采用单片机作为控制处理器，在处理速度、外设支持、flash 容量、开发周期等方面都有明显 不足。世界最大的三大数控厂商所采用的系统(如日本 fanuc 的 fs16i-mb 数控系统、日本 三菱 m65s 数控系统)大多使用了高速 risc 处理器，在加工效率、精度等方面都有很大优势。 在数控机床上的数控加工中所采用的数控语言编程系统与其他的编程加工系统相比是迄 今为止通用范围最广，应用最多，技术最成熟的系统，它是使用数控语言来编写对零件进行 加工的数控源程序，用几何语言描述了被加工对象的形状，用运动语言描述数控机床加工刀 具的运动状态，数控语言接近与自然语言，易于学习和掌握，但是它的缺点是编写数控语言 时需要对被加工零件的描述准确，并转换为文字信息，并转换为相应的数控加工程序，但文 字信息肯定不如图形信息来的直观，在转换过程中还很容易会产生人为描述错误，因此精确 度和加工质量还有待提高3。 会话式编程系统在工作过程中采用菜单的方式和操作人员进行交互，按提示输入相应的 参数，描述出被加工零件的几何形状，刀具的运动状态和机床或托盘的必要操作，近年来会 话式编程系统已经发展为带有图形显示了，在和操作人员交互输入的同时，还会以图形显示 出来，比较直观，但它的缺点也是会带有人为感觉描述的差错，所以还是精确度和质量不够 高。 为了能够克服数控语言编程系统和会话式编程系统的这些缺点，于是数控图形编程系统 就应运而生了。数控图形编程加工系统是利用图形输入软件，也就是现在应用比较广泛的机 械制图软件 autocad 根据需要的零件绘制出精确的零件机械图， 这里的精确体现在尺寸的精 确，基本上是把实物或者零件图照搬给计算机，无需对图形进行任何转换，因此数控图形编 程加工系统能最大限度的减少人为错误，提高加工质量和编程效率。在加工零件前需要按零 件图图形文件生成机械上的机械加工指令 g 代码，生成过程是严格按照零件尺寸进行的，所 以按此加工出来的零件足够精确,并且是高效率、高质量的4-5。 随着计算机技术、电子技术、机械制造等方面的发展钥匙加工行业的数控设备正朝着高 效率、高精度、低消耗、智能化、复合化、多轴化的方向发展。以其卓越的柔性自动化的性 能，优异而稳定的精度，灵活而多样化的功能引起世人瞩目，同时也会不断适应用户的个性 化要求而得到用户越来越强烈的青睐。 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 1.3 课题主要研究重点和创新点 本课题的主要任务是设计一个基于嵌入式linux的图形牙花加工控制系统， 包括上位机和 下位机系统的设计，上位机主要是实现牙花编码，按特定要求产生可用的编码库，因此还需 选择适当的数据库进行存储和读取编码，需要时把编码数据通过串口下载到下位机中去。另 外上位机还可以实时显示正在加工的图形牙花以及所用g代码。 下位机硬件是移植有linux操作系统s3c2440， 它主要需要对led、 按键、 串口， nand flash 和电机进行控制。其中电机控制系统是最关键的部分，电机控制系统效率的实现直接影响到 整个系统的运行效率，选择合适的电机加减速控制方法将直接对产品的使用时间和产品噪音 大小产生影响。下位机软件需对牙花编码进行图形勾勒并转化为相应的数控加工程序g代码， 然后解析g代码控制电机进行加工。 linux 操作系统具有源码开放、多任务、可裁剪、可移植等优点，且具有极佳的稳定性， 具有windows系统不可替代的优势，嵌入式linux本身继承了linux的优良特性，如今嵌入式 linux在不断发展，具有众多的优势，完全能满足数控设备控制系统各方面的要求6-7。 综上所述，本课题主要研究重点确定如下： (1) 牙花编码相关算法的研究以及实时显示正在加工的图形牙花； (2) linux操作系统的移植以及相关驱动程序的设计编写； (3) 牙花编码图形勾勒并转化为g代码； (4) 电机加减速曲线的选择； 本课题的创新点在于可以实现自动牙花编码， 并进行一定的筛选处理达到高密钥的要求， 降低互开率，然后把编码数据下载到下位机去，在加工时由下位机把牙花编码转化为g代码 并根据它对钥匙进行图形牙花加工。 1.4 论文章节安排 全文共分为八章。各章节安排如下： 第一章绪论，简要的介绍了本课题研究的背景及意义、国内外研究现状和发展趋势，并 确定了本课题的研究重点，最后给出了本论文的具体章节安排。 第二章介绍了整个系统的设计方案，包括上位机和下位机。 第三章介绍了下位机控制系统所使用的硬件平台，并详细说明了本系统中涉及到的外设 硬件原理图以及各个外设在系统中的用途。 第四章介绍了已有的硬件平台上搭建linux操作系统软件环境的整个过程，包括u-boot启 动的两个阶段，linux内核裁剪编译步骤以及制作yaffs2格式文件系统的详细过程。 第五章介绍了系统中所需要的各个外设（包括led、按键、串口、nand flash、电机等） 的驱动程序的设计过程以及在linux操作系统下如何编写驱动程序并是如何和应用程序进行 交互的。另外还分析讨论了步进电机的加减速曲线。 第六章；介绍了系统相关应用程序的开发设计，首先是上位机软件牙花编码部分和实时 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 显示图形牙花部分，另外还有下位机应用程序中比较关键的算法即根据牙花编码产生加工g 代码。 第七章是对系统中各个模块进行了测试以及整体测试。 第八章对全文作出总结，总结了完成系统设计所做的工作并分析了系统设计中存在的不 足，对此提出解决方案，并展望了系统今后的完善工作。 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 第 2 章 整体系统方案设计 随着计算机技术、电子技术、机械制造等方面的发展钥匙加工行业的数控设备正朝着高 效率、高精度、高效率、智能化的方向发展。已经由传统的手工拨号编码和人工数控编程发 展成计算机自动编码生成下位机所需的参数或程序代码。另外如今的嵌入式系统发展日新月 异，一块32位的微处理器已经达到甚至超过了电脑pc的处理速度，应用越来越广泛，现在的 很多数控设备上已使用上了这种系统，结果大大加快了生产效率，减轻人员的劳动力，另外 设备系统的可扩展性也得到了改善。 本课题结合上述自动编码和嵌入式的优点研究设计了一套基于嵌入式linux图形牙花加 工控制系统。整个系统的框架图如图2.1所示，主要包含上位机编码软件系统和下位机控制系 统，上位机