（计算机软件与理论专业论文）基于arm的嵌入式线切割系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着计算机技术、通信技术、集成电路技术和控制技术的发展， 在线切割系统中实现加工的现代化、安全化，提高加工精度等要求，促使了线 切割系统嵌入式化成为未来机床发展的趋势。 将嵌入式技术引入机床控制，是当前嵌入式线切割系统研究开发的热点。 本文提出以3 2 位嵌入式计算机为主控设备，讨论了嵌入式计算机系统和步进电 机模块相结合在嵌入式线切割系统中的研究和应用情况。 在硬件方面选用$ 3 c 2 4 1 0 芯片用于主控制设备，连接用于存储的6 4 m b n a n d f l a s h 、6 4 m bs d r a m ，以及一块用于控制显示2 4 0 3 2 0 大小的t f tl c d 显示触摸屏和步迸电机模块。 在软件方面完成了w i n d o w sc e 在嵌入式$ 3 c 2 4 1 0 处理器上b s p 的定制与 开发，着重分析了系统启动的过程，并成功实现了w i n d o w sc e 在$ 3 c 2 4 1 0 上 的移植。通过分析，在w i n d o w sc e 上实现了嵌入式线切割系统的管理模块，在 控制模块方面，完成了采用r s 4 8 5 串口通信模块与步进电机控制模块相结合， 实现了对设备的控制。 关键词：线切割；a r m ；w i n d o w sc e ；步进电机；r s 4 8 5 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , a sw e l la sc o m m u n i c a t i o n ， i n t e g r a t e c i r c u i ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o c e s s i n g m o d e r n i z a t i o n ，s e c u r i t ya n de n h a n c e m e n tu a r g e dt h ep r o c e s s i n gi n t e l l e c t u a l i z a t i o nt o b et h et r e n do fd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e u s i n ge m b e d d e dt e c h n o l o g yi nc n c ，i st h eh o ts p o t si ne m b e d d e dw i r e - c u t t i n g s y s t e m sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , u s i n g3 2 一b i te m b e d d e dc o m p u t e ra s c o n t r o l e q u i p m e n t ，d i s c u s s e dc o m b i n eo ft h ee m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m sa n d s t e p p e rm o t o rm o d u l e si nt h ew i r ec u t t i n gs y s t e mo fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i nt e r m so fh a r d w a r e ，$ 3c 2 410c h i ps e l e c t e da st h em a i nc o n t r o ld e v i c e ，u s e dt o c o n n e c ts t o r a g eo f6 4 m bn a n d f l a s h ，6 4 m bs d r a m ，a sw e l la sad i s p l a yf o r c o n t r o l l i n gt h es i z eo f2 4 0 3 2 0t o u c h - s c r e e nt f tl c dd i s p l a ym o d u l e sa n dt h e s t e p p e rm o t o r i nt e r m so fs o f t w a r e ，c o m p l e t e di t sw i n d o w sc ee m b e d d e di nt h eb s p p r o c e s s o r $ 3 c 2 410a n dc u s t o md e v e l o p m e n t ，f o c u s e do nt h ea n a l y s i so ft h es y s t e mt os t a r tt h e p r o c e s s ，a n dt h es u c c e s s t h li m p l e m e n t a t i o no ft h ew i n d o w sc eo nt h e $ 3 c 2 4 1 0i n t h et r a n s p l a n t b ya n a l y z i n g ，i nt h er e a l i z a t i o no ft h ew i n d o w sc ee m b e d d e dw i r e c u t t i n gs y s t e mm a n a g e m e n tm o d u l e ，t h ec o n t r o lm o d u l e ，c o m p l e t e du s i n gr s 4 8 5 s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sm o d u l ew i t hs t e p p e rm o t o rc o n t r o lm o d u l ec o m b i n a t i o no ft h e c o n t r o le q u i p m e n t k e yw o r d s ：w i r e c u t t i n g ，a r m ，s t e p m o t o r ，r s 4 8 5 、w i n d o w sc e i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得南昌太学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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：萝p 锄签字日期：2 0 0 c ( 年f 2 月z y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太堂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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 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：喜f 毳 签字日期：勰b 砗l 己月刁阳 导师虢p 訇彳 签字目期：少qg 年r 月己甲日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 制造业是国民经济的支柱性产业，在当今我国建成世界“制造中心”的背 景下现得尤为重要。数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 是“用数字化信号对机 床运动及其加工过程进行控制的一种方法。计算机数控( c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o l ，c n c ) 系统是数控机床的核心部分，也是其区别于普通机床的最重要特 征之一。它主要完成加工程序的输入、编辑及修改，实现信息存储、代码交换、 代码转换、插补运算以及各种控制功能。 从2 0 世纪中数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变 化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作 者劳动强度，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。 进入2 l 世纪，数控机床的应用范围在不断扩大，并且不断发展以更适应生 产加工的需要。从国内外发展形势看，高速化、高精度化、功能复合化、控制 智能化、体系开放化是未来计算机数控的发展方向。 另一方面，进入后p c 时代嵌入式系统的发展日益繁荣。所谓嵌入式系统， 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，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【2 】。它主要由嵌入式 微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用 于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。 嵌入式系统的最大特点是目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都 有其特殊的应用场合及特定的功能。所以，嵌入式系统的硬件和软件都必须高 效率地设计，把通用计算机系统中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，尽 量以最小的系统、最低的功耗以及最少的成本实现目标功能。 由于嵌入式数控系统相对于传统计算机数控系统的优势：成本低廉( 可以 通过裁减去处不需要的模块) ，专用任务( 针对用户的需求定制专门的系统) 和高稳定性( 数控系统一般要求较高的稳定性，嵌入式的实时操作系统可以满 足其要求) ，所以随着嵌入式系统的快速发展，计算机数控系统必将走向嵌入 式控制时代。 第一章绪论 1 2 课题的研究意义和研究内容 1 2 1 课题的研究意义 随着当前嵌入式技术的发展，目前的嵌入式的3 2 位的m c u ，它们的性能 已经能够与p c 的c p u 性能接近，可以进行一些资源要求较高的工作，可以在 3 2 位的嵌入式系统上移植操作系统。利用3 2 位嵌入式系统不仅降低了开发成本 而且功能的集成度也提高了。 本课题是主要深入研究基于a r m 平台的嵌入式w i n d o w sc e 操作系统。在 此基础上，基于3 2 位a r m 平台和嵌入式w i n d o w sc e 操作系统构建一个具有 加工代码检查分析、插补计算、插补输出、加工异常处理等多功能模块的嵌入 式控制系统既有专用性又有一定的通用性，能够集成a r m 嵌入式系统及 w i n d o w sc e 操作系统并形成一个可以方便地进行二次开发与应用研究的开发平 台。该嵌入式线切割系统平台可以满足嵌入式系统的实时性要求，功能可以扩 展和裁减，易移植，应用的范围广阔，具有很好的前景，对建立我国自己的工 业控制体系将具有巨大的意义。 1 2 2 课题的研究内容 针对目前工业控制系统的问题和需要，本课题主要设计与实现一款基于 a r m 嵌入式线切割数控系统。 课题研究主要内容如下： ( 1 ) 选择三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t 内核) 高性能嵌入式处理器为 核心，针对需要的各个功能进行方案分析与器件选型，并完成原理图设计与硬 件实现； ( 2 ) 以三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器为例对a r m 处理器的体系结构与编 程进行研究，主要包括开发板上a r m 处理器启动代码和各接口驱动程序的编 写； ( 3 ) 对w i n d o w sc e 内核中的调度模块、进程管理、内存管理、文件系统 及其它们相互间的关系进行深入的分析和研究；对现有的嵌入式操作系统进行 了分析，并选择w i n d o w sc e 做为操作系统，对它进行了有针对性的裁剪、优化、 编译并成功将其移植到了该控制器上，完成了嵌入式软件开发平台的搭建。 ( 4 ) 对计算机三维动画技术进行分析，实现三维物体建模、图形变换、真 2 第一章绪论 实感处理以及实时动画技术的o p e n g le s 实现； ( 5 ) 对插补算法、步进驱动技术进行分析，完成圆弧插补、斜线插补、终 点规则的判别、步进电机控制的方式以及转动步距的计算。 ( 6 ) 深入研究步进电机模块的控制方式。 3 第二章总体设计方案 第二章总体设计方案 2 1 总体设计方案 基于a r m 的嵌入式线切割数控系统足以嵌入式微处理器为核心，通过l c d 触摸屏来接收或者发送信号来控制步进电机模块的转动。线切割数控系统要完 成的功能主要有两大部分： ( 1 ) 管理模式：主要功能是对加工代码进行分析并显示图形，其中包括加 工代码存取编辑、加工代码检查分析、加工代码插补计算、参数设置以及加工 图形的显示。 ( 2 ) 控制模式：主要功能是根据图形显示确定加工的路线并控制步进电机 加工运动，其中包括插补输入、快速定位、速度调节、加工轨迹跟踪以及异常 的处理。 嵌入式线切割系统总体的设计如下图所示： i 输入 i 设备 斗a 控 r 机 i 显示卜 m 制 扇i 主接 l _ 一 杉 一口 - _ 一 外围 存储 设备 图2 1 线切割系统总体设计图 完成的两大功能的实现为： ( 1 ) 在管理模式下，a r m 主机主要通过l c d 触摸屏与用户交互，用户通 过输入数控加工代码，可以在l c d 屏上显示加工图形的预览。 ( 2 ) 在控制模式下，a r m 主机主要通过控制接口与机床联机，通过数控 线切割系统控制机床的加工运动。 4 第二章总体设计方案 2 2 硬件选型 2 2 1a r m 体系结构 嵌入式系统是指基于计算机技术的集硬件和软件于一体的专业系统。本文 采用的是a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式系统。a r m ，既可以认为是 一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技 术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权，将其 技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是 一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许 多全球性r i s c 标准的缔造者。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处 理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等 各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理 器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。【2 1 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，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a r m 公司购买其设计的a r m 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a r m 微处理 器芯片进入市场。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： l 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能兼容8 位1 6 位器件； 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定； 目前a r m 所提供的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 内核有以下几个系列：a r m 7 、 a r m 9 、a r m 9 e 、a r mio ，a r m11 , s e c u r c o r e 、s t r o n g a r m 和i n t e lx s c a l e 等种 类。 5 第二章总体设计方案 2 2 2 $ 3 c 2 4 10 概述 $ 3 c 2 4 1 0 芯片是三星公司推出的基于a r m 9 2 0 t 内核的一款性能强大的嵌入 式处理器。该处理器采用五级流水线和哈佛结构，是高性能和低功耗的硬宏单 元内置存储控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) ，主频2 0 3 m h z ，1 6 k b 数据 c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ，具有全性能的m m u 。 内核结构如图2 3 所示。 图2 2 a r m 9 2 0 t 内核结构 $ 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消 耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设 备的麻烦。片上集成的功能主要包括以下几个方面：1 3 2 1 8 v a r m 内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存，1 6 k b 数据缓存和m m u 的微处理器； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器( 支持上到4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ) ，l 通道l c d 专用d m a ； 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 b y t et xf i f o 和1 6 b y t e r x f i f o ) ，2 通道s p i ； 1 通道i i c 总线控制器，1 通道i i s 总线控制器； 1 0 版本的s d 主机接口和兼容的2 1 l 版本的m u l t i m e d i a 卡协议； 2 个u s b 主机，1 个u s b 设备( u s b l 1 ) ； 4 通道p w m 计时器，l 通道内部计时器： 看门狗电路； 6 第二章总体设计方案 1 1 7 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源； 电源控制：常规、缓慢、空闲和断电模式； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口： 具有日历功能的实时时钟i 汀c ； 具有锁相环的片上时钟发生器。 综上所述，$ 3 c 2 4 1 0 是一款功能强大的嵌入式处理器，可选用为嵌入式线切 割系统的核心控制器。 牟冷 ：_ _ i 兰i l 竺! j 乍冷 二三 伸l 竺三l 仁冷e 兰国 _ 图2 3s 3 c 2 4 1 0 内部结构( 功能模块) 2 3 嵌入式操作系统的选择 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是指有特定功能或用途的计算机硬、软件 的集合体，分为嵌入式软件系统和嵌入式硬件系统。随着微电子技术的进步， 芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，1 6 位和3 2 位的嵌入式微处理器 逐渐成为嵌入式系统设计的主流。但是，只有嵌入式微处理器是不够的，还需 要有一个运行于嵌入式微处理器上的操作系统。 嵌入式操作系统是对通用操作系统的继承与发展，具有操作系统的基本功 能，包括指令执行、任务调度、存储管理、设备管理和中断处理等。但是，由 于嵌入式系统的硬件环境和程序运行需要有很大限制，所以嵌入式操作系统要 占用系统资源要少，实时响应要求严格，对操作系统可靠性要求高，具有可配 置性，小型化，可定制性，实时性，高可靠性和可移植性。很多软件厂商迎合 7 第二章总体设计方案 嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 、3 c o m 公司的p a l mo s ，s y m b i a n 公司的e p o c 、中科院 凯思集团的h o p e n 以及l i n u x 等。 嵌入式操作系统除了要满足应用的功能需求外，更注重满足应用的各种实 时性要求。采用各种算法和策略，始终保证系统行为的可预测性。嵌入式操作 系统都能为多个实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能 得到满足。 嵌入式系统中，开发人员能够掌握系统的全部资源，白手进行控制使用。 嵌入式操作系统由于受硬件环境、应用环境、系统成本等限制必须在研发阶段 就对操作系统进行灵活的裁剪和定制。可裁剪性是指在软件工程阶段利用软件 配置方法实现软件构件的“即插即用”。对于一个具体的嵌入式设备，由于功 能相对单一确定，可以从一些原有操作系统中裁剪出特定应用所需要的功能子 集。这样构成的系统既能适应环境满足应用要求，又能减低系统成本。 w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性，实时性能好，通信能力强 大，支持多种c p u 。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消费( c o n s u m e r ) 、 通信能力( c o n n e c t i v i t ) 和伴侣( c o m p a n i o n ) ；e 代表电子产品( e l e c t r o n i c s ) 。 操作系统的核心全部是由c 语言开发的，操作系统本身还包含许多由各厂家用c 和汇编开发的驱动程序。内核提供内存管理、抢先多任务和中断处理功能。内 核的上面足图形用户界面g u i 和桌面应用程序。 w i n d o w sc e 的主要特点如下：【3 4 】 ( 1 ) 精简的系统内核：w i n d o w sc e 有可裁剪的特点，一个最小的可运行的 w i n d o w sc e 内核只有2 0 0 k b ，用户可以根据特定的需求对操作系统进行裁剪， 定制。 ( 2 ) 多平台移植：由于w i n d o w sc e 操作系统可移植到众多的3 2 位微处理器 上，包括x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 、m i p s 和s h 等系列。每个支持的处理器家族 提供了完整的系统库。w i n d o w sc e 可以通过o e m 适配层o a l 适配到任何硬件 平台。o a l 是驻留在c e 内核和硬件之间的代码层。原始设备制造商使用这些 代码把c e 适配到自己的硬件上。 ( 3 ) 稳定、可靠的实时性：w i n d o w sc e 的实时性能主要通过以下技术实现： 支持嵌套中断；高优先级的中断首先得到响应；更好的线程响应时间，2 5 6 个 线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务；中断服务子程序的响应时问短； 8 第二章总体设计方案 支持信号量。 ( 4 ) 模块化：w i n d o w sc e 是一个模块化操作系统，设计者必须根据实际需 求进行裁剪。w i n d o w sc e 的结构如图2 2 所示，主要包括4 个模块：内核 ( n k e x e ) 、图形窗口事件子系统( g w e s e x e ) 、文件系统( f i l e s y s e x e ) 、 设备管理模块( d e v i c e e x e ) 。其中内核和文件系统是所有w i n d o w sc e 必不 可少的。n k e x e 负责中断处理、进程和线程管理、虚拟内存管理和其它相关任 务；g w e s e x e 相当于桌面w i n d o w s 的图形设备接口g d i 和用户库； f i l e s y s e x e 用于永久存储，包括文件系统、注册表和数据库。裁减w i n d o w sc e 时，可以只选择那些需要的组件。 ( 5 ) 强大的开发工具：w i n d o w sc e 为丌发人员提供了友好的开发工具， 开发人员利用这些工具简化开发流程，提高开发效率。在应用层上开发微软提 供了e v c ( e m e d d e d v i s u a lc + + ) 和v i s u a ls t u d i o n e t ；在操作系统的定制方面 提供了p b ( p l a t f o r n lb u i l d e r ) ，集成了定制，调试的主要功能 基于以上优点在嵌入式线切割系统中采用w i n d o w sc e 作为核心操作系统 是比较合适的。 图2 4w i n d o w sc e 的基本结构 2 4 线切割系统控制方式的选择 线切割系统控制采用r s 4 8 5 串口作为控制方式。r s 4 8 5 是由r s 4 2 2 基础 9 第二章总体设计方案 上制定了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到 同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共 模范围。所以采用该串口作为本系统得输出控制方式。 2 5 小结 本章针对第一章提出的嵌入式线切割系统的需求，对各种技术做了比较， 确定总体设计方案，针对方案进行了软件与硬件的选型，选择嵌入式处理器 $ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式操作系统w i n d o w sc e 作为嵌入式线切割系统的c p u 和操作 系统，并进行了分析和介绍。最后确定了本文开发的嵌入式线切割系统采用的 控制方式。 1 0 第三章硬件平台的设计与实现 第三章硬件平台的设计与实现 3 1 嵌入式线切割系统的硬件整体设计 本系统选用的是s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 芯片，并以该芯片为核心搭建 系统硬件平台。嵌入式线切割控制系统的硬件整体设计如图3 1 所示。控制系统 以$ 3 c 2 4 1 0 为核心设计了存储系统，通信系统，人机接口系统等。 图3 1 系统设计整体硬件框图 存储系统中设计了6 4 m b 的n a n d f l a s h 、6 4 m b 的s d r a m 用于存储， f l a s h 地址设置为：0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 3 f f f f f f ，s d r a m 地址设置为： o x 3 0 0 0 0 0 0 0 o x 3 3 f f f f f f 。 通信系统中设计了j t a g 仿真接口、l 路以太网接口、l 路u s bd e v i c e 接口、1 路u s bh o s t 接口、r s 4 8 5 接口、2 个p c i 插槽、1 个步进电 机扩展卡。扩展卡插在p c i 插槽里。 人机接口系统中设计了一个l c d 接口，选购了一块2 4 0 3 2 0 大小的 t f tl c d 显示触摸屏与该接口连接，该l c d 支持彩色黑白灰度，支 持虚拟屏幕功能，可利用系统存储器来作为显示存储器，可编程屏幕大 第三章硬件平台的设计与实现 小；在该控制器上的w i n d o w sc e 操作系统中使用。 另外在电源模块中除了提供系统需要的5 v 、3 6 v 、1 8 v ，提供充分的 时钟特性、定时报警用于唤醒c p u 、支持时钟节拍中断，还提供了实时 时钟掉电保护电路以增强系统的可靠性。 3 通道的u a l 玎传输，可进行基于中断的操作；支持5 位、6 位、7 位、 8 位的串行数据传输接收；支持硬件握手协议；可编程的波特率：支持 扩展模块( 步进电机模块与$ 3 c 2 4 1 0 之| 、日j 的通信) 。 3 2 嵌入式线切割系统的存储系统。 3 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 存储器的特征 为了满足控制器的现有和将来的需要，系统扩展了6 4 m b 的s d r a m 、6 4 m b 的n a n d f l a s h 。在$ 3 c 2 4 1 0 体系结构中有大端和小端两种方法存储数据，整个系 统的存储空间分为8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节，总共为1 g 字节，采用n g c s 0 ：7 8 个通用片选信号引脚选择区域。b a n k 0 到b a n k 5 的开 始地址是固定的，用于r o m 或s r a m ，b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，b a n k 6 的起始地址也为固定的，b a n k 7 的起始地址是b a n k 6 的 结束地址，其起始地址和大小可通过编程改变；所有内存块的访问周期都可编 程，外部等待扩展了访问周期j 。 $ 3 c 2 4 1 0 片内集成外部总线接口支持包括s d r a m 、s r a m 、n o r f l a s h 及 n a n d f l a s h 等外部大容量存储器。根据需要设计中选择了6 4 m 字节的s d r a m 和 6 4 m 字节的n a n d f l a s h 作为控制系统的存储系统。 3 2 2f l a s h 存储器 本系统采用的是s s t 公司的一种s u p e rf l a s h 型的存储器芯片一一 k 9 f 1 2 0 8 u o a ，属于多功能型闪速存储器。提供了固定的擦除和编程时间，与周期 数无关。一下将简单介绍f l a s h 存储器的工作原理。 $ 3 c 2 4 1 0 共有三种启动方式，它的选择由芯片的o m 1 ：o 引脚控制：当引脚 置为0 0 时c p u 从n a n df l a s h 启动，此时用户将引导加载程序b o o t l o a d e r 代码 和操作系统的镜像存储在外部的n a n df l a s h 中，处理器上电复位时，通过处理 器内部的n a n d 闪存访问控制接口将b o o t l o a d e r 代码自动加载到内部r a m 从 1 2 第三章硬件平台的设计与实现 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始的4 k b 空间中运行，在内部r a m 运行的b o o t l o a d e r 程序将操 作系统的镜像加载至外部内存s d r a m 中，然后操作系统便能够在s d r a m 中 运行，启动完成后，处理器内部r a m 的4 k b 空间就可以释放。 $ 3 c 2 4 1 0 拷贝启动代码n a n d 来配合s d r a m 。通过使用硬件e c c ，检验 n a n d 数据的有效性。在完成拷贝后，应用程序可以在s d r a m 中执行。芯片 上的片选使能信号引脚c e 至低电平，低8 位i 0 口作为低8 位数据线与$ 3 c 2 4 1 0 的d 御队0 d a t a 7 对应相连；w p 引脚是提供相关数据操作保护，可通过引出一 上拉电阻与电源v c c 相连。c l e 和a l e 分别用于命令和地址锁存；w e 和r e 是由$ 3 c 2 4 1 0 的读写控制信号n f w e 和n f r e 提供，在系统上电复位时n a n d 闪存芯片上的逻辑电路保证将数据送出；写数据，$ 3 c 2 4 1 0 就把n f w e 设置成 低电平，n f r e 为高电平p j 。 $ 3 c 2 4 1 0 与n a n df l a s h 的接口设计框图如图3 3 所示。 3 3 v i o m f l ：0 j i 。1 。一w p 1 卜 i o 0 ：7 d a t a o d a t a 7 y 7 r n br b n f c ec e c l ec l ek 9 f 1 2 0 8 a l e a l e n f w e呃 n f r e r e g n d 正 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 与n a n d 闪存接口连接框图 3 2 3s d r a m 存储器 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时， c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码 一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、 运行数据也都放在s d r a m 中。根据本系统需求要求存储器：【3 j ( 1 ) 本系统采用的处理器$ 3 c 2 4 1 0 是3 2 位体系结构，运行的嵌入式操作 系统也是3 2 位的，为了提高访问速度，采用两片1 6 位字长的存储器。 ( 2 ) 对于存储器的访问时间，$ 3 c 2 4 1 0 的总线频率可达到i o o m h z ，支持 1 3 第三章硬件平台的设计与实现 s d r a m 的自动刷新和电源丌关模式，这里采用s d r a m ，因为它支持高速总线 时钟频率( 6 6 m h z 以上) 不必插入指令等待周期，它和c p u 通过一个相同的时钟 锁在一起使得能够和c p u 共享一个时钟周期。 ( 3 ) 处理器$ 3 c 2 4 1 0 电源电压采用的是3 3 v ，为电源处理的方便，选用的 s d r a m 也采用3 3 v 供电。 确定了存储器的以上参数后，就可以选择具体的芯片了。本系统采用现代 公司的两片1 6 m x l 6 位数据宽度的s d r a m 芯片一h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，拼成3 2 位数 据宽度，构成6 4 字节的存储空间。s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 接口连接图见图3 4 。 a d d i 垃一a d d r l 4a o a 1 2 d 戌西一d 虹a 1 5d q 0 - - d q l 5 a d d r 驯2 6b a o a d d r 2 5 b a l n w b e 0l d q m n w b e l u d q m s 3 c 2 4 1 0s 1 0 k e s c l ( eh y 5 7 、，5 6 1 6 2 0 s ( x ios c l k n g c s 6 n s c s n s r a s n s r a s n s c a sn s c a s n w e n w e 图3 3 $ 3 c 2 4 1 0 与s d r a m 接口连接框图 3 3 嵌入式线切割系统的串行接口 由于r s 4 8 5 是从r s 4 2 2 基础上发展而来的，所以r s 4 8 5 许多电气规定与 r s 4 2 2 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上终接电阻等。r s 4 8 5 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。 而采用四线连接时，与r s 4 2 2 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个 主( m a s t e r ) 设备，其余为从设备，但它比r s 4 2 2 有改进，无论四线还是二线 连接方式总线上可多接到3 2 个设备。 1 4 第三章硬件平台的设计与实现 v d d 3 3 图3 4r s 4 8 5 原理图 r s 4 8 5 需要2 个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在距离 传输时可以不需终接电阻，即一般在3 0 0 米以下不需终接电阻。终接电阻接在 传输总线的两端。 r s 4 8 5 支持3 2 个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配 的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点： 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出 线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。应注意 总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 3 4 步进电机模块的介绍 工作原理 概念：简单的讲，步进电机驱动器根据外来的脉冲，通过其内部的逻辑电 路控制步进电机的绕组按一定的次序正反通电，从而实现其运转。 它的种类有：反应式、永磁式、混合式。 控制系统：可编程步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机。 主要特点有：工作电压范围宽( 1 0 h o v ) ；输出电流可达1 5 a ( 平均) 和 2 5 a ( 峰值) ；具有整步、半步、1 4 细分、l 8 细分运行方式可供选择；采 用脉宽调制式斩波驱动方式；具有正反转控制功能；带有复位和使能引脚； 可选择使用单时钟输入或双时钟输入。d 】 1 5 第三章硬件平台的设计与实现 卜。 一 “ 。q。口卜讲 2 ：2= ：譬竺 ：竺 妻 寓乏嚣葛戈 l i 垂i l 苦l g g 量望誊z l 呈芝岁￥霎嚣妻耋蓉鲁釜 器霎兰 图3 5 步进电机引脚排列图 3 5 小结 本章在第二章提出的整体设计方案的基础上，根据软件系统的要求以嵌入 式处理器$ 3 c 2 4 1 0 为基础，搭建了一个最小的系统，如存储器电路和串行接e l 电路等。按照总体设计方案的要求，分别介绍了开发所要用到的步进电机模块 的特性，为下一章的嵌入式软件丌发提供了一个高性能的硬件丌发平台。 1 6 第四章嵌入式线切割系统的软件设计与实现 第四章嵌入式线切割系统的软件设计与实现 4 1w i n c e 操作系统内核定制的研究以及开发工具的介绍 本课题使用的是m i c r o s o f tw i n d o w sc e 操作系统进行开发。w i n d o w sc e 操 作系统是一个开放的、可裁剪的、3 2 位的实时嵌入式窗口操作系统将先进、实 时的操作系统和功能最强大的丌发工具有机地融为一体，帮助开发人员快速创 建下一代智能、互连、低资源占用的设备。w i n d o w sc e 继承了w i n d o w s 界面的 风格，给用户十分亲切的感觉，因此在图形化的工业控制领域占据了不小的市 场【3 钔。 m i r c o r s o f tp l a t f o r n lb u i l d e rf o rw i n d o w sc e 是微软公司提供给w i n d o w sc e 开发人员用于创建基于w i n d o w sc e 平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环 境。它集成了所有进行设计、创建、编译、测试和调试w i n d o w sc e 操作系统设 计所需要的开发工具。它运行在桌面w i n d o w s 下，开发人员可以通过交互式的 环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编泽和调试。同时，开发人 员还可以利用p l a t f o r l t lb u i l d e r 的强大功能，已使其成为w i n d o w sc e 平台下嵌 入式操作系统开发和定制的必备工具。 在基于w i n d o w sc e 的应用程序开发上，微软为开发人员提供了2 种主要的 开发工具，分别是e m b e d d e dv i s u a lc + + 和v i s u a ls t u d i o 。 e m b e d d e dv i s u a lc + + 是专f - l m 于开发基于w i n d o w sc e 的本机应用程序的 工具，它的出现主要是为熟悉v i s u a lc + + 6 0 的开发人员而准备的，这样熟悉开 发桌面w i n d o w s 应用程序的工程师能够很快的进入到开发嵌入式w i n d o w s 平台 产品的环境中来。 v i s u a ls t u d i o 有2 0 0 3 和2 0 0 5 两个版本，2 0 0 3 只能够支持w i n d o wc e4 0 系 列的应用程序的开发，而2 0 0 5 主要用于开发w i n d o w sc e5 0 系列的应用程序。 v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 增加了本机代码的开发以及对n e tc o m p a c tf r a m e w o r k2 0 的 支持，而且v s u a ls t u d i o2 0 0 5 强化了图形界面设计的支持，特别是针对开发 p o c k e tp c 和s m a r t p h o n e 的应用程序的工程师，是他们能够在i d e 中确切看到 u i 编辑器。 1 7 第四章啦八式线切割系统的软件设计与实现 4 2w i n c e 操作系统及其在控制器上的移植 p l a t f o r f l l b u i l d e r 是微软公司提供给w i n d o w s c e 开发人员进行基于w i n d o w s c e 平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环境。它提供了所有进行设计、创建、 编译、测试和调试w i n d o w sc e 操作系统平台的工具。它运行在桌面w i n d o w s 下开发人员可以通过交互式的环境柬设计和定制内核、选择系统特性，然后 进行编译和调试。同时，开发人员还可以利用p l a t f o r mb u i l d e r 的强大功能，已 使其成为w i n d o w sc e 平台下嵌入式操作系统开发和定制的必备工具。嵌入式控 制器的设计中采用了操作系统w i n d o w sc e n e t4 2 和自己丌发的b s p ，w i n d o w $ c en e t42 的移植过程如下：o ( 1 ) 在p c 上安装p l a t f o r mb u i l d e r 开发环境，注意在安装过程中c p u 指令 集类型要选上a r m v 4 1 这一项，如图4 2 所示。 图4 lc p u 指令集类e 口选择 ( 2 ) 将b s p 包s m d k 2 4 1 0 目录复制到c ：w i n c “2 0 、p l a t f o r m 、目录下， 运行p l a t f o r mb u i l d e r ，将这个b s p 包导入丌发环境中。 ( 3 ) 在p l a t f o r m b u i l d e r 中新建一个平台n e wp l a t f o r m 。在这个平台建立过 第四章嵌入式线切割系统的软件设计与实现 程中选择使用刚才导入的b s p 包s m d k 2 4 1 0 ，使用特性目录( c a t a l o g ) 添加 自己需要的平台特性。p l a t f o r m b u i l d e r 会自动化的检查这些特性之间的依赖性。 根据嵌入式控制器的需要，在平台创建过程中选择了如下特性：m i c r o s o t ! 【 f o u n d a t i o nc l a s s e s ( m f c ) ；s t a n d a r ds d kf