（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的火焰切割数控系统的研究.pdf

英文摘要 t h er e s e a r c ho fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo ff l a m i n gc u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i o na n dw i d e s p r e a du s ei ne m b e d d e ds y s t e m s t r u c t u r eo fo p e nn c b a s e do np ch a sb e e nc h a n g e dt ob eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m s u c ha sn u m e r i c a l c o n t r o lf l a r n 吨c u t t i n gm a c h i n e b u ts o m en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rf l a m i n gc u t t i n g m a c h i n eh a ss o m es h o r t c o m i n g si nr e l i a b i l i t y a g i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t y s oa n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m 9 3 c 2 410i sp r o p o s e da n dd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h es y s t e mm a k e sf u l lu s eo fm i c r o p r o c e s s o ri nh i g hp r e f e r e n c e l o wc o s ta n d l o w p o w e rw a s t i n ga n dp o w e r f u lm a n a g i n ga b i l i t yo fl i n u x t h es y s t e mu s e s 3 c 2 410f o rc o r eo fh a r d w a r e u s e st f tl c df o rs c r e e no f s y s t e m u s e st o u c hs c r e e na n dk e y b o a r df o rs y s t e mi n p u t t i n g u s e r sc a nr e a df i l e so nu d i s kf r o mu s b t h em i n i g u is y s t e mo nl i n u xp r o v i d e so p e r a t i o nw h i c hi ss i m i l a rt o w i n d o w ss y s t e m s a c c o m p l i s h e sp a r a m e t e rs e t t i n go fs y s t e m gc o d ep r o g r a m m i n g g r a p hp r o g r a m m i n ga n da u t o c o n t r o lo ff l a m i n gc u t t i n g b ym e a n so fi n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m t h es y s t e mc h a n g e sg c o d et op u l s es i g n a lf o rp l a n ei n t e r p o l a t i o n a n d c o n t r o l st w oc o m p o s i t es t e pm o t o r st ow o r k a f t e rd o i n gr e s e a r c hf o rt e c h n i q u eo fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h es t r u c t u r ea n d t h e o r yo ff l a m i n gc u t t i n gs y s t e m t h i sp a p e rc h o o s e sah a r d w a r ep l a tb a s e do na r m 9 3 c 2 4 1 0a c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n ta n dt h e nd e s i g n sd r i v ec i r c u i ta n de s t a b l i s h e s i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o rs o f t w a r e t h e nm i n i g u ii sp o r t e dt ol i n u x o sf o rg u i a f t e rt h a tm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dd r i v ep r o g r a mo fs t e pm o t o rc o n t r o l a r ed e s i g n e d a tl a s t t h i sp a p e rd e p i c t st h ep l a ni n t e r p o l a t i o na n dg i v e sf o r m u l ao fl i n e i n t e r p o l a t i o na n da r ci n t e r p o l a t i o n r e s e a r c h e st h em e t h o do fs p e e dc o n t r o lf o rf a s t m o v e m e n ta n df l a m i n gc u t t i n g t h r o u g ht e s t i n g t h i sd e s i g na c c o m p l i s h e st h eb a s i cf u n c t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m m a k e su pt h es h o r t c o m i n g si nd a t at r a n s m i t i n ga n dm a n a g e m e n to ff i l e a n d e s t a b l i s h e sf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e s oi te n h a n c e st h er e l i a b i l i t ya n d m a n e u v e r a b i l i t yo fs 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 l i n u x m i n i g u l i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s t e p m o t o r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成硕士学位论文 基王 型敛么焰翅割数控丕统笪珏究 除论文中已经 注明引用的内容外 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明 确方式标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 汞凯乙土p d 睁3 月二j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连海事大学研究生学位论文提交 版权使用管理办法 同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 保密口 不保密口 请在以上方框内打 论文作者签名 翩躲甲 日期 加峙年3 月圳日 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 1 1 数控机床概述 第1 章绪论 1 1 1 数控机床的定义 数控技术是近代发展起来的一种自动控制技术 是用数字化信息实现机床的 自动控制 数控机床是采用数控技术的机床 它根据格式化代码编写的加工程序 利用计算机数字处理发出的各种控制指令 实现机件加工的高效控制 数控机床 是一种典型的机电一体化产品 能够实现机械加工的高精度 高速度和高度自动 化 具有广阔发展前景l lj 1 1 2 数控机床的组成 数控机床主要是由数控装置 伺服驱动装置 测量反馈装置和机床主体四大 部分组成 图1 1 为数控机床的组成框图 虚线框部分是机床数控系统 负责机床 主体控制 2 i 加工程序卜h 数控装置l i 伺服驱动装置l l 机床主体卜一 测速反馈装置 i l 一 一 一一 一 一一 一 j 图1 i 数控机床组成 f i g 1 1c o n s t r u c t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e 加工程序 数控机床a n r 时 所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和 传输 这种载体称为控制介质 控制介质是存储数控加工所需的全部动作和刀具 相对于工件位置信息的媒介物 它记载着零件的加工程序 数控装置 数控装置是数控系统的核心 是由硬件和软件两大部分组成 它 接收从机床输入装置 软盘 硬盘 纸袋机 r s 2 3 2 接口 u s b 接口等 输入的 控制信号代码 加工程序 经过输入 缓存 译码 寄存 运算存储等环节转 第1 章绪论 变成控制指令实现直接或间接驱动系统的控制 伺服驱动装置 伺服驱动装置是数控装置与机床主体之间的连接环节 它接 收数控装置插补生成的进给脉冲信号 经过功率放大后驱动机床的执行机构 实 现机床运动 伺服驱动装置包括驱动单元 驱动执行机构 进给驱动单元 主要是进给系 统的速度控制和位置控制 主轴电机和进给电机等 目前 常用的有直流伺服电 机 交流伺服电机和步进电机 测量反馈装置 测量反馈装置是通过现代化的测量元件 如脉冲编码器 旋 转变压器 感应同步器 光栅尺 磁尺和激光等 将执行元件 如电机 刀架 或工作台的速度和位移检测出来 经过相应的电路将所测的信号反馈给数控装置 构成半闭环或闭环系统 补偿执行机构的运动误差 提高运动精度 1 1 3 数控机床的分类 按照数控系统的功能水平 数控机床可分为经济型 普及型和高档型 3 经济型数控机床 仅能满足一般精度要求的加工 零件的形状较为简单 轮 廓通常由直线 圆弧组成 微机系统为单板机或者单片机系统 具有数码显示或 c r t 字符显示功能 机床进给由步进电机实现开环驱动 控制的轴数和联动轴数 为3 轴或3 轴以下 进给分辨率为1 0 u r n 快速进给速度可达1 0 m r a i n 这类机床 结构一般比较简单 精度中等 价格较为低廉 常见的有 经济型数控切割机 数控钻床 数控车床 数控铣床以及数控磨床等 普及型数控机床 功能较多 以实用为主 除具有一般数控系统的功能以外 还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等 采用的微机系统为1 6 位 或者3 2 位微处理器 具有r s 2 3 2 通讯接口 机床的迸给多用交流或者直流伺服 驱动 实现4 轴或4 轴以下的联动控制 进给分辨率为l u r n 快速进给速度为1 0 2 0 m r a i n 输入 输出的控制通过可编程控制器来实现 系统的可靠性和控制的灵 活性较高 这类数控机床的品种极多 几乎覆盖各种机床类型 且价格适中 高档型数控机床 能够加工复杂形状的工件 工序集中 自动化程度高 功 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 能强 柔性高 微机系统为3 2 位以上的微处理器 机床进给采用交流伺服驱动 实现5 轴联动控制或多个联动单元同时控制 最小进给分辨率为0 1 u m 最大快 速移动速度达到l o o m r a i n 或更高 具有三维图形显示功能和友好的图形用户界面 具有丰富的刀具管理功能和面向用户的宏程序功能 具有很强的智能工艺数据库 和智能诊断功能 实现加工条件的自动设定 还有计算机的联网和通信功能 这 类系统功能齐全 价格昂贵 常见的有 5 轴联动控制的数控机床 五面加工中心 和车削中心等 1 2 火焰切割技术 火焰切割也称作气割 是利用可燃气体与助燃气体 通常为乙炔和纯氧 混合后点燃发生剧烈燃烧 产生的热量使铁板熔化 然后通入过量氧气 使熔化 的铁板与氧气反应生成金属氧化物 金属氧化物与金属的熔点不同被高压氧气吹 落而分离 达到切割目的 在机械加工领域 板材切割的发展可分为五个阶段 人工手动切割 仿形切 割 半自动切割 数控切割和激光切割 除激光切割以外 其它四个阶段都属于 火焰切割 下面简述各个阶段切割技术的特点 人工手动切割 切割工人先在切割板材上按照图纸画出要切割零件的轮廓 用手把焊枪烘烤板材 当板材烘烤处融化时 打开焊枪上的高压氧气阀门 进入 切割状态切割板材 在切割过程中 完全是靠工人手眼配合 人工手动切割成本 低廉 仅需要 把焊枪 但是切割速度慢 精度低 切割形状和板材厚度有限 切割面粗糙 往往需要在机床上进行二次加工 费时 费工 费料 仿形切割 仿形切割是利用事先加工好的标准工件做胎具 通过机械传动装 置带动气割枪头按照胎具的轮廓运动 这样就能切割出与胎具形状相同的零件 仿形切割通常适用于大批量的工件生产 因为机械传动装置与胎具轮廓面有摩擦 损耗 随着加工次数的增加 加工精度逐渐降低 因而在加工过程中需要更换胎 具 仿形切割的灵活性差 不适用于日常多样式的加工 第1 章绪论 半自动切割 与人工手动切割相比 半自动切割使用机械辅助装置使切割头 沿着直线行走 避免手把不稳进而提高加工的精度 但是只适用于轮廓线是直线 的工件加工 切割过程仍需人工操作 数控切割 数控切割利用平面插补技术 将由输入设备传输到数控系统的标 准化代码 如g 代码 转换为切割工件时所需要的插补代码 控制驱动机构带动 切割头运动 切割线型主要由直线和圆弧组成 能加工轮廓比较复杂的工件 切 割过程中不需工人操作 实现零件加工的自动化 精度高 切割面光洁度高 激光切割 激光切割是在数控切割的基础上产生的 通常是将火焰切割头换 成激光切割头 利用相应的算法进行加工 加工速度快 精度高 省时省料 但 是成本高 目前比较流行的切割机床是数控火焰切割机 它比激光切割机的成本低 操 作简便 精度满足一般的机械加工需求 具有较大的推广效应 特别是随着嵌入 式技术的发展 由微处理器构成的数控系统逐渐代替计算机完成切割过程的控制 缩小了设备体积 降低了整机造价 使得系统更加方便实用 1 3 课题的研究背景 本课题来源于大连万邦机械输送加工厂的开发项目 小型数控火焰切割机的 研制 该项目定位于一个中低档的数控机床 该厂在使用大连某公司生产的火 焰切割机时 发现其在操作 人机界面 气路控制 程序输入 套料零件等方面 存在缺陷 需要改进完善 数控火焰切割机的原理和结构相对简单 对加工精度 和进给速度的要求不是很高 因此决定自行研制数控火焰切割机 随着微电子技术和计算机技术的高速发展 嵌入式系统技术已经相当成熟 采用嵌入式技术开发的控制系统 具有实时性强 稳定性好 可靠性高等突出优 点 大量应用于数控系统 在实际应用中得到很好的验证 基于目前国内外数控火焰切割机的发展情况 结合现阶段火焰切割数控系统 的需求和嵌入式系统应用的广阔前景 本课题旨在设计研究小型火焰数控切割系 统 该系统立足于改进现有装置的操控性 系统整体的安全性 可靠性和实用性 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 以及建立更友好的人机交互界面 对火焰切割数控系统设计的相关方面进行了研 究 数控系统的专用控制器是基于嵌入式系统技术 同时融合多种先进计算机软 硬件技术 不仅可使系统具有性能强 可靠性高等优点 同时具有很好的开放性 这为进一步研制数控技术的完全开放和智能化控制提供很好的基础和前提条件 所研制的数控系统由于便于裁剪 扩展性和可移植性好 可方便地开发其他数控 设备 因而具有推广应用的实用价值 1 4 论文的主要内容和结构 在充分了解嵌入式处理器及其操作系统a r ml i n u x 的前提下 裁剪和配置 a r ml i n u x 内核 使得系统在满足控制管理单元的功能需求的同时尽可能的缩小 内核的尺寸 然后将其移植到以a r m 9 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心的硬件平台上 设计符合火焰切割数控系统功能需求的应用程序 论文其余部分的结构如下 第2 章 介绍嵌入式系统技术 包括嵌入式系统的定义和分类 嵌入式系统 硬件和软件 a r m 9s 3 c 2 4 1 0 微处理器和l i n u x 操作系统 第3 章 讲解火焰切割数控系统的硬件 软件平台的建立 包括硬件总体结 构 外围接口电路和软件开发环境 嵌入式图形用户界面m i n i g u i 等 第4 章 叙述嵌入式l i n u x 操作系统的开发流程和人机界面 包括l i n u x 操 作系统的内核编译和移植 步进电机驱动程序的编写 系统所使用的m i n i g u l 人 机界面 第5 章 简述平面插补技术并着重讨论逐点比较法的原理 递推公式的推导 以及合成速度的计算 并对刀具自动补偿做叙述 第6 章 介绍步进电机结构及其细分驱动器的原理 然后讨论系统在快速进 给和切割工作两种方式下步进电机的控制 第2 章嵌入式系统技术 2 1 嵌入式系统 第2 章嵌入式系统技术 2 1 1 嵌入式系统的定义 2 0 世纪7 0 年代末 微处理器出现 并随着计算机技术和半导体技术的发展而 迅速发展起来 以微处理器为核心的微型计算机具有体积小 成本低 功耗低 可靠性高 计算能力强等特点 人们按照各自需求将微型机嵌入到一个对象体系 中 实现对象体系的智能化控制 把这种嵌入到对象体系中 实现对象体系智能 化控制的计算机系统称作嵌入式计算机系统 根据i e e e 的定义 嵌入式系统是用来控制或监视机器 装置或工厂等大规模 系统的设备 而国内的一般定义为 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术 为基础 软 硬件可裁剪 从而能够适应实际应用中对功能 可靠性 成本 体 积 功耗等严格要求的专用计算机系统 1 4 嵌入式系统的三个基本要素是 嵌入性 专用性与计算机系统 5 嵌入性 嵌入式系统需要嵌入到对象系统中 实现被控对象的智能化控制 因此必须满足对象系统的环境要求 如物理环境 小型 电气环境 可靠 成本 价廉 等 专用性 嵌入式系统专用性很强 软件和硬件紧密结合 通常进行系统移植 时根据产品的具体情况修改系统的应用软件和硬件配置资源 因此嵌入式系统必 须具有软硬件的可裁剪性 满足被控对象的最小软 硬件配置 计算机系统 嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算机系统 必 须配置与对象系统相适应的接口电路 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成 硬件部分主要包括嵌入式处理器 外围设备等 软件部分主要是指嵌入式操作系统和应用软件 如图2 1 所示 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 软件结构 输入日圈日输出 硬件结构 图2 1 嵌入式系统基本组成 f i g 2 1b a s i cc o n s t r u c t i o no fe m b e d d e ds y s t e m 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合的产物 它是一个技术密集 资金密集 适用面广 不断创新的知 识集成系统 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比 具有以下特点 6 嵌入式系统通常是面向特定应用的 应用的多样性决定硬件平台的多样性 嵌入式处理器与通用型处理器的最大不同就是嵌入式处理器大多工作在为特定用 户群设计的系统中 通常都具有低功耗 体积小 集成度高等特点 能够把通用 系统中许多单独芯片或板卡完成的功能集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统 设计趋于小型化 低功耗 移动能力大大增强 大多嵌入式系统都有实时性要求 在高端应用中 为满足应用需求 增强可 靠性和便于开发 往往要有实时多任务操作系统的支持 嵌入式系统和具体应用有机结合在一起 它的升级换代也是和具体产品同步 进行的 因此嵌入式系统产品进入市场后具有较长的生命周期 嵌入式系统本身不具备自主开发能力 设计完成以后 用户通常也不能对其 中的程序功能进行修改 必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发 嚣 第2 章嵌入式系统技术 2 1 3 嵌入式系统的硬件 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器通常可分为四大类 嵌入式微控制器 嵌入式微处理器 嵌入 式数字信号处理器和嵌入式片上系统 下面简单介绍这四种嵌入式处理器 1 7 嵌入式微控制器 m i c r o c o n t r o l l e ru n i t m c u 嵌入式微控制器又称单片机 一般以某种微处理器内核为核心 芯片内部集成r o m r a m 总线 总线逻辑 定时计数器 w a t c h d o g 串口 脉宽调制输出 a d d a f l a s hr a m e e p r o m 等各种必要功能和外设 其最大特点是单片化 体积大大减小 降低功耗和成本 提高了可靠性 嵌入式微处理器 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t e m p u 嵌入式微处理器内 部集成更为丰富的资源 性能强 接口丰富 可方便根据实际需求进行扩展 在 实际应用中 将微处理器装配在专门设计的电路板上 通常只保留与嵌入式应用 紧密相关的硬件 去除冗余部分 大幅度减小系统体积和功耗 同时针对嵌入式 应用的特殊要求 在工作温度 抗电磁干扰 可靠性等方面都做了增强 典型产 品有p o w e r p c m i p s a r m s t r o n g a r m 系列等 嵌入式d s p 处理器 e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r e d s p 数字信号处理 器是专门用于信号处理的处理器 在系统结构和指令算法方面进行特殊设计 具 有很好的编译效率和指令执行速度 适用于数字滤波 f f t 频谱分析 语音和图 像处理等方面 典型产品包括t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列等 嵌入式片上系统 e m b e d d e ds y s t e mo nc r o p 片上系统是追求产品系统最大包 容的基础器件 实现软硬件无缝结合 在处理器片内直接嵌入操作系统的代码模 块 减少系统的体积 降低系统的功耗 提高系统的可靠性 目前片上系统在声 音 图像 网络等领域获得广泛应用 2 外围设备 4 外围设备是指在一个嵌入式系统中 除嵌入式处理器以外 用于完成存储 通信 调试 显示等辅助功能的其他部件 根据功能 外围设备可分为以下3 类 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 存储器 包括静态易失性存储器 s r a m 动态存储器 s d r a m 和非易 失性存储器 f l a s h e e p r o m 其中 f l a s h 以擦写次数多 存储速度快 容量 大及价格低等优点在嵌入式领域得到广泛的应用 接口 包括并口 r s 2 3 2 串口 i r d a 红外接口 s p i 总线接口 i i c 总线接口 u s b 接口 e t h e m e t 网口等 人机交互 包括l c d 键盘和触摸屏等人机交互设备 2 1 4 嵌入式系统的软件 1 嵌入式操作系统的分类 嵌入式操作系统把计算机硬件与应用软件连接起来 便于开发人员控制计算 机硬件 高效组织和正确使用计算机的资源 通常嵌入式操作系统分为实时操作 系统和分时操作系统 实时操作系统 实时操作系统对事件进行实时处理时 必须在严格的时限内 做出响应 响应超时将导致致命的失败 其特点是通过任务调度实现在规定时间 内对重要事件做出正确的响应 具有系统的可确定性 即系统能够对运行的最好 和最坏情况做出精确的估计 比较典型的实时嵌入式操作系统有u c o s i i l i n u x 垂奎 8 寸o 分时操作系统 分时操作系统在对事件进行处理时 不要求软件的执行必须 在严格的时限内完成 时间上的延误或时序上的错误不会导致系统出现致命的失 败 比较典型的分时嵌入式操作系统有w i n d o w s c e 等 2 嵌入式l i n u x l i n u x 操作系统是由1 9 9 1 年底l i n u xt o r v a l d s 首先在i n t e m e t 上发布的 而后 在众多热心者的努力下 l i n u x 逐渐成为一个稳定可靠 功能完善的操作系统 它 与u n i x 系统兼容 开放源代码 广泛应用于服务器领域 嵌入式l i n u x 系统是个 以核心为基础的 完全内存保护 多任务多进程的操作系统 9 嵌入式l i n u x 现在 有许多版本 包括强实时性的嵌入式l i n u x 如新墨西哥工学院的r t l i n u x 和堪 萨斯大学的k u r t l i i l u 和一般的嵌入式l i n u x 如u c l i n u x 和p o c k e t l i n u x 其中 r t l i n u x 把l i n u x 任务优先级设为最低 而所有的实时任务的优先级都高 第2 章嵌入式系统技术 于它 以达到既兼容l i n u x 任务 又保证强实时性的目的 而u c l i n u x 是针对没有 m m u 的处理器而设计的 它不能使用处理器的虚拟内存管理技术 对内存的访问 是直接的 所有程序中访问的地址都是实际的物理地址 价格低廉 功能强大并且易于移植等优点使得l i n u x 操作系统成为一个极有吸 引力的选择 它的程式源码完全公开 任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证 g p lg e n e r a lp u b l i cl i c e n s e 下发行 同时由于有g p l 的控制 开发的代码大都 可相互兼容 l i n u x 用户遇到问题时可以通过i n t e m e t 向网上的l i n u x 开发者请教 这样就降低了开发的难度 l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具 几乎所 有的u n i x 系统的应用软件都已移植到l i n u x 上 l i n u x 还提供强大的网络功能 有多种可选择窗口管理器 其强大的语言编译器g c c g 等也可以很容易得到 不但成熟完善 而且使用方便 3 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定领域 基于相应的嵌入式硬件平台 并能 完成用户预期任务的计算机软件 用户的任务可能有时间和精度的要求 于是有 些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持 嵌入式应用软件和普通应用 软件有一定的区别 它不仅要求其准确性 安全性和稳定性等方面能够满足实际 应用的需要 而且还要尽可能地进行优化资源配置 以减少对系统资源的消耗 2 2 3 0 2 4 1 0 微处理器 目前a r m 所提供的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 内核主要有以下几个系列 a i 洲7 a r m 9 a r m 9 e a r m l 0 和s e c u r c o r e i n t e l 的s t r o n g a r m 和x s c a l e 等 其中每 一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成 每个系列的产品设计都尽量 遵循高性能 低功耗的原则以满足用户日益复杂的应用需求 l l a r m 9 系列有a r m 9 t d m i 内核以及在此基础上发展起来的a i 洲9 e a r m 9 2 0 t a r m 9 4 0 t 等内核 所有的a r m 9 系列处理器都带有t h u m b 压缩指令 集和基于e m b e d d e di c ej t a g 的软件调试方式 a r m 9 采用a r m 4 t h a r v a r d 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 结构 5 级流水线以及分离的c a c h e 结构 平均功耗为0 7 m w m h z 时钟频率为 12 0 2 0 0 m h z 3 c 2 4 1 0 微处理器是一款由s a m s u n g 公司设计的低功耗 高集成度的基于 a r m 9 2 0 t 的a r m 9 系列微处理器 这款芯片中集成以下部件 1 6 k b 指令c a c h e 1 6 k b 数据c a c h e m m u 外部存储器控制器 l c d 控制器 s t n 和t f t n a n d f l a s h 控制器 4 个d m a 通道 3 个u a r t 通道 1 个i i c 总线控制器 1 个i i s 总线控制器 以及4 个p w m 定时器和一个内部定时器 通用i 0 口 实时时钟 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 u s b 主从口 s d m m c 卡接口等 结构如图2 2 所示 l c d 排l j l c d i g g 刊总线控制 a u s b 除 h g 刊中断控制 b e x t m a s t e ri g o总 0 二二爿电源管理 线 n a n d 控 1 j i g g 二刮总线控制 匝账医巫巫囚 i u a r t0 l 2 k 二 g 刊i i c l u s bi 赂i g oa i i i s is d i m m c 除o p i g p i o b i 看门狗l g o总 i r t c l 总线控制除o 线 i a d c l s p l0 i g i t i m e r p w m 0 3 4 图2 2 3 c 2 4 1 0 内部结构 f i g 2 2c o n s t r u c t i o no fs 3 c 2 4 10 第3 章嵌入式开发平台 3 1 嵌入式系统硬件 3 1 1 系统硬件总体框图 第3 章嵌入式开发平台 控制输入舒分i 图3 1 系统硬件结构 f i g 3 1c o n s t r u c t i o no fh a r d w a r eo fs y s t e m 本设计使用武汉创维特公司的a r m 9 2 4 1 0 实验箱作为硬件开发平台 该实验 箱采用核心板加扩展板的结构 在核心板上集成6 4 ms d r a m 3 2 mn o rf l a s h 8 mn a n df l a s h 时钟和电源电路 在扩展板上 主要使用调试下载部分 并 口0 串行r s 2 3 2 接口 以太网接口 界面显示部分 l c d 接口 控制部分 触摸屏接口 键盘接口 文件传输部分 u s b 接口 及输出驱动部分 并口 1 如图3 1 所示 3 1 2 外部设备及接口电路 1 串行通信 u a r t 模块 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 3 c 2 4 1 0 微处理器内部有三个独立的u a r t 控制器 每个控制器都可以工作在 中断模式或d m a 直接内存访问 模式 也就是说u a r t 控制器可以在 3 c 2 4 1 0 与 u a r t 控制器传送资料的时候产生中断或d m a 请求 如果用系统时钟 u a r t 可支 持达2 3 0 4 k b p s 的速率 如果用外部设备通过u c l k 提供的时钟 那么u a r t 可工作 在更高的速率 3 c 2 4 1 0 可以方便的用u a r t 实现r s 2 3 2 串口功能 但 3 c 2 4 1 0 的供电电压为 1 8 v 或3 3 v 所以i o 口的最大逻辑电平是3 3 v 要实现r s 2 3 2 串口功能还要加电 平转换电路 故使用m a x 3 2 3 2 来实现这一功能 m a x 3 2 3 2 单3 3 v 电源供电 仅需 要外接几个电容就可以完成从t t l c m o s 到r s 2 3 2 电平的转换 r s 2 3 2 工作在3 线制 状态下 电路原理图如图3 2 所示 l 3 图3 2 串行通讯接口电路图 f i g 3 2c i r c u i to fu a r t 2 u s b 接1 2 通用串行总线u s b u n i v e r s a ls e r i a lb u s 是由i n t e l 等7 家公司制定的连接计 算机与具有u s b 接口的多种外设之间的串行总线 目标是为中低速的外围设备提 供双向低成本的总线 u s b 接口具有广泛的应用性 易用性 独立供电 易于扩 第3 章嵌入式开发平台 展 高性价比等优点 u s b 接口支持热插拔 并且所有的配置过程都由系统自动 完成 无需用户干预 u s b 接1 2 1 支持1 5 m b i t s 低速 1 2 m b i t s 全速 和4 8 0 m b i t s 高速 u s b 2 0 规范 的数据传输速率 目前u s b 接口的存储器因为方便 容量大 价格低等优点已经被广泛使用 因此本设计使用u s b 接口作为文件的传 输接口 u s b 接口有四条信号线 电源线 地线 d a t a 和d a t a 接口电路原理 图如图3 3 所示 c c 5 t 1 l 嚣嬲 3 n 9 r l 一二 一 二 d t jr 2 1 d 0 d l 两r 3 司 k i 氛 s h l 卜1 1 l 1 筑羽互d 图3 3u s b 接口电路图 f i g 3 3c i r c u i to fu s b 2 触摸屏及其接口电路 电阻式触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏 结构 如图3 4 所示 1 4 1 这是一种多层的复合薄膜 它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层 表面涂有一层透明氧化金属 i t o 氧化铟 导电层 上面再盖有一层表面硬化处理 光滑防擦的塑料层 它的内表面也有一个i t o 涂层 在它们之间有许多细小的 小 于1 1 0 0 0 英寸 的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘 当手指触摸屏幕时 两层 导电层在触摸点位置就有了接触 控制器侦测到这一接触并计算 x y 的位置 再根据模拟鼠标的方式运作 这种触摸屏的特点是 高解析度 高速传输反应 表面硬度强 抗摩擦 具有光面及雾面处理 一次校正 稳定性高 永不漂移 基 j a r m 的火焰切割数控系统的研究 图3 4 电阻式触摸屏横截面结构 f i g 3 4c o n s t r u c t i o no fr e s i s t o rt o u c hs c r e e n 骗离 y y x l t x y 图3 5 触摸屏接口电路图 f i g 3 5c i r c u i to ft o u c hs c r e e n 触摸屏电路如图3 5 所示 13 1 晶体管控制信号n x m o n n y m o n x m o n y m o n 分别由 3 c 2 4 1 0 微处理器的g p i o 引脚控制 x x y y 分别与触 摸屏的对应引脚相连 图中a i n 7 和a i n 5 分别对应 3 c 2 4 1 0 处理器8 路a d 通 1 5 第3 章嵌入式开发平台 道的第八路和第六路 触摸屏的工作方式如下 由处理器发出晶体管控制信号 令n x m o n 和x m o n 为高 对应的晶体管导通 这样就在x 方向上形成均匀电压 场 将a i n 5 采样信号进行a d 转换就可以得到x 轴坐标 同理可以得到y 轴坐 标 3 按键电路 根据系统功能 用户能够实现数字 英文字母 空格等字符的输入 为了增 强系统操作性 利用触摸屏上的按钮控件实现这部分功能 系统使用4 个按键 一个按键用来实现自动切割的启动和暂停 一个按键用来完成三个电磁阀的快速 关闭 其余两个用来控制自动切割过程中速度的加减 按键使用处理器的外部中断资源 启动 暂停按键使用外部中断2 电磁阀关 闭按键使用外部中断3 加速按键使用外部中断4 减速按键使用外部中断5 电 路如图3 6 所示 1 4 4 驱动单元 v c 3 图3 6 按键电路图 f i g 3 6c i r c u i to fk e y 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 火焰切割机的执行部件由两个两相混合式步迸电机和三个气体电磁阀组成 一个步进电机控制切割机在直线轨道上行进 y 向 另一个步进电机控制切割 悬臂的移动 x 向 设计选用北京斯达特机电科技有限公司的2 3 h 3 0 0 2 z 型步进 电机 如图3 7 所示 图3 72 3 h 3 0 0 2 z 型步进电机 f i g 3 7s t e pm o t o ro f 2 3 h 3 0 0 2 z 步进电机工作电压为d c 2 4 4 0 v 步距角为1 8 0 为了增加步进电机的负 载能力和步进精度 使用该公司配套的步进电机驱动器 型号为s h 2 h 0 5 7 m 如 图3 8 所示 步进电机驱动器由端子和配置开关组成 采用共阳极接法 即将o p t o 端接 5 v 电源 c p 为脉冲输入端子 使用负脉冲方式 向c p 输入宽度不小于2 u s 的 脉冲 驱动器驱动步进电机步进一步 d i r 为方向控制端子 电机换向时 一定 要在电机降速停止后再换向 换向信号一定要在换向前最后一个c p 脉冲结束后以 及换向后第一个c p 脉冲前建立 a 彳 b b 接步进电机对应端子 在驱动器上有一组配置开关 用来手动配置驱动器的细分数和步进电机的电 流 开关1 2 3 控制步进电机驱动器的细分数 如表3 1 所示 表3 1 配置开关与细分数 步距角对应关系 t a b 3 1r e l a t i o no fs w i t c ht od i v i d e ra n ds t e pa n g l e 第3 章嵌入式开发平台 图3 8s h 2 h 0 5 7 m 型两相混合式步进电机驱动器 f i g 3 8s h 一2 h 0 5 7 ms t e pm o t o rd r i v e r 开关6 7 8 控制步进电机的电流 如表3 2 所示 表3 2 配置开关与步进电机电流对应关系 t a b 3 2r e l a t i o no fs w i t c ht oc u r r e n to fs t e pm o t o r 细分数越大 步距角就越小 步进电机每一步的行程越小 加工的精度也就 越高 因而使用4 0 细分数 其步距角为0 0 4 5 配备模数1 半径1 0 m m 一周 2 0 齿 的齿轮 步进电机的步距为j 堕型坚坠 0 0 0 0 0 0 7 8 5 4 聊 7 8 5 4 朋 步进电 3 6 0 0 0 4 5 机的电流越大 电机的电磁转矩越大 带载能力越强 如果扭矩超过负载转矩过 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 多会造成电机的震动 影响加工精度 电流小 电机的震动也小 但是空载启动 转速低 因此 对两个驱动器要根据各自的负载分别配置电机电流 对于x 向步 进电机 所带悬臂轻 负载小 选择的电机电流小 而y 向步进电机 带动整个 切割机在轨道上行进 负载大 选择电机电流大 实验确定x 向电机设置电流为 1 0 a y 向电机设置电流为2 0 a 设计使用j x a r m 9 2 4 1 0 实验箱的并口1 作为输出控制 因此需要一个控制输 出转接板 其中高压氧电磁阀继电器驱动电路原理图如图3 9 所示 v c c 图3 9 继电器驱动电路 f i g 3 9d r i v ec i r c u i to fs o l i ds t a t er e l a y a r m 9 2 4 1 0 实验箱并口1 输出信号如表所示 表3 3 并口与9 p i n 插针对应关系 t a b 3 3r e l a t i o no f p a r a l l e la n d9 p i nh e a d e r c p l d i r l 控制x 向步进电机驱动器 c p 2 d i r 2 控制y 向步进电机驱动器 h i g h 控制高压氧电磁阀 l o w 控制低压氧电磁阀 g a s 控制燃气电磁阀 第3 章嵌入式开发平台 3 2 数控系统软件平台的建立 图3 1 0j x a r m 9 2 4 1 0l i n u x 开发流程 f i g 3 10l i n u xd e v e l o p i n gp r o c e s so fj x a r m 9 2 4 10 在进行嵌入式系统开发时 由于开发板上没有足够的资源运行开发工具和调 试工具 因此采用宿主机一目标机开发模式 这种模式是嵌入式系统常用的开发 模式 其中宿主机是指完成操作系统的裁剪和应用软件的开发的计算机 目标机 通常是指待开发去实现对被控对象智能化控制的硬件平台 其实现原理是 在宿 主机上完成软件功能 然后通过串口或者以太网络将交叉编译生成的目标代码传 输并装载到目标机上 并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行 分析和调试 最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行 本设计中 宿主机上使用的操作系统是w i n d o w sx p 在宿主机上的v m w a r e 虚拟机上安装r e d h a t 9 0l i n u x 操作系统 安装过程中选择定制模式下的完全安装 并配置为不安装防火墙 1 1 5 基于a r m 的火焰切割数控系统的研究 n f s n e t w o r k f i l es y s t e m 的配置 在根用户s h e l l 上执行s e t u p 在弹出的菜单 界面中的s y s t e ms e r v i c e s 选项中选中l 蠡 然后退出 在 e t e e x p o r t s 中添加代码 r w 然后执行命令 e t c i n i t d n f sr e s t a r t 重新启动n f s 服务程序 t f t p 服务的配置 在根用户s h e l l 上执行s e t u p 在s y s t e m s e r v i c e s 选