（机械制造及其自动化专业论文）基于arm的数控冲床自动送料系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 数控冲床送料系统主要用于与冲床实现配套，在冲孔过程中按照程序设定 控制板料移动和冲床冲孔，实现冲孔的高度自动化。自动送料机构作为冲压加 工生产实现自动化的最基本的要求，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生 产效率以及冲压生产整体自动化水平，只有其自动化程度与冲压设备相匹配甚 至高于冲压设备，才能够实现冲压生产的完全自动化。 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的发展方向，由于嵌入式系统 自身的优点，现在已经广泛应用到军事国防、消费电子、工业控制等各个领域。 随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，自 动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。而随着嵌入式微处 理器的发展，嵌入式系统也开始运用到数控冲床自动送料系统中来。 本文采用目前广泛使用的3 2 位a r m 微处理器，s a m s u n g 公司基于 a r m 9 2 0 t 的$ 3 c 2 4 4 0 a 作为系统的主控制器，该处理器主要面向嵌入式设备， 具有性价比高、功耗低的特点，并且在嵌入式l i n u x 操作系统下可移植性好，具 有较强的控制能力和丰富的片内资源。该系统能实现数控冲床的自动送料，软 硬件结构简单，定位精度高，操作简单方便，具有良好的人机界面。论文首先 根据生产实际要求和控制系统设计原则，确定了送料系统的软硬件总体设计方 案。硬件方面，在$ 3 c 2 4 4 0 a 的基础上扩展了n a n d f l a s h 、n o r f l a s h 、s d r a m 、 l c d 触摸屏模块，并设计了x 、y 轴电机及其驱动电路。软件方面，选用l i n u x 操作系统，在此基础上构建了嵌入式l i n u x 开发环境，实现了b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核、y a f f s 根文件系统的移植，选用q t e m b e d e d 设计系统的操作界面，给出 了系统各个模块的程序设计，包括人机界面、速度预处理、插补模块和电机控 制部分，文章对系统的软硬件的抗干扰技术也专门做了介绍。随后，文章还介 绍了积分分离的p i d 控制算法，并通过使用m a t l a b 对电机控制进行仿真，验证 了该算法的可行性。 文章在最后对整个设计进行了总结和展望，指出了系统存在的问题和一些 可以改进的地方。 关键字：自动送料系统；a r m ；嵌入式系统；l i n u x ；积分分离p i d 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lp u n c hf e e d i n gs y s t e mi sm a i n l yu s e dt om a t c hw i t ht h ep u n c h ， c o n t r o lt h ep a n e lv e n e e rt om o v ea n dt h ep u n c ht op u n c ha c c o r d i n gt ot h es e t t i n g so f t h ep r o g r a m si nt h ep r o c e s so fp u n c h i n g ，t oa c h i e v eah i 曲d e g r e eo fa u t o m a t i o no f p u n c h i n g a st h eb a s i cr e q u i e m e n to fp n u c h i n ga u t o m a t i o n ，t h el e v e lo fa u t o m a t i o no f a f f e c tp r o d u c t i v ee f f i c i e n c ya n dt h el e v e lo fa u t o m a t i o no fp u n c h i n g ；o n l yw h e ni t s d e g r e eo fa u t o m a t i o ng o e sw i t hp u n c h i n ga n d e v e nh i g h e rt h a np u n c h i n ge q u i p m e n t ， t h ef u l la u t o m a t i o no f p u n c h i n gw o u l db ea c h i e v e d e m b e d d e ds y s t e mi san e wd e v e l o p i n gd i r e c t i o na f t e rt h ei tn e t w o r kt e c h n o l o g y , d u et ot h ea d v a n t a g e so fi t so w n ，e m b e d e ds y s t e mi sn o ww i d e l ya p p l i e dt om i l i t a r y a n dd e f e n s e ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e rf i e l d s w i t ht h e i m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n g t o fe l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , a u t o m a t i cc o n t r o l ，p r e c i s i o n m a c h i n e r ya n dt e s t i n gt e c h n o l o g y ，p u n c h i n g m a c h i n ea u t o f e e d e r sa r ea l s o u n d e r g o i n gar a p i dd e v e l o p m e n ta n de v o l u t i o n h o w e v e r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ，e m b e d d e ds y s t e m sh a v eb e g u nt ob eu s e di nt h e n u m e r i c a lc o n t r o lp u n c ha u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , $ 3 c 2 4 4 0 a ，( s a m s u n g sa r m 9 2 0 t - b a s e dc o n t r o l l e r ) ，w h i c h i s w i d e l yu s e da sa3 2 b i ta r mm i c r o p r o c e s s o r , i su s e da st h em a i nc o n t r o l l e r , t h e p r o c e s s o ri sm a n i l yf o re m b e d d e dd e v i c e sw h i c hh a sah i g hc o s t e f f e c t i v ea n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，i t se a s yt om i g r a t i o ni nt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m a n dh a sas t r o n gc o n t r o la b i l i t ya n dr i c hc h i pr e s o u r c e s t h es y s t e me n a b l e st h e m a c h i n et of e e dp u n c h i n ga u t o m a t i c a l l y , t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s s i m p l e ，a n di t se a s yt oo p e r a t e ，t h es y s t e mh a sah i g ha c c u r a c yo fp o s i t i o n i n ga n d g o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i n t h ep a p e r , t h ep r o j e c ti sf i r s td e t e r m i n e di n a c c o r d a n t ew i t hp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o n i nt e r m so fh a r d w a r e ，w e e x p a n dn a n d f l a s h ，n o r _ f l a s h ，s d r a m ，l c dt o u c hs c r e e nm o d u l eb a s e d o n $ 3 c 2 4 4 0 a ，a n dt h ed e s i g no f t h ex ，y - a x i sm o t o ra n dd r i v ec i r c u i ta r ei n t r o d u c e dt o o i nt e r m so fs o f t w a r e ，w ec h o o s e “l i n u x ”o p e r a t i n gs y s t e m ，e s t a b l i s ht h ee m b e d d e d l i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h et r a n s p l a n to ft h eb o o t l o a d e r , l i n u xk e m e la n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 y a f f sr o o tf i l e s y s t e m i sr e a l i z e d w ed e v e l o ps y s t e mi n t e r f a c eb a s e do n q t e m b e d e d ，a n d i n t r o d u c et h e d e s i g no fe a c hm o d u l e o fs y s t e m ，i n c l u d i n g h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，p r e p r o c e s s i n go ft h e s p e e d ，i n t e r p o l a t i o n a n dm o t o r c o n t r o lm o d u l e t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sa n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g yo ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h es y s t e m i na d d i t i o n ，t h ei n t e g r a lp a r t i t i o np i dc o n t r o la l g o r i t h mi s a l s ei n t r o d u c e d ，a n di t sv e r i f i e dt ob ef e a s i b l et h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o no fm o t o r c o n t r o l l m e n t i nt h ee n d ，t h ep a p e rg i v e sa ne n t i r es u m m a r ya n dp r o s p e c to ft h ea u t o m a t i c f e e d i n gs y s t e m ，s o m ep o i n t st h a tn e e dt ob em o d i f i e da r ep o i n t e do u tt o o k e y w o r d s ：a u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e m ；a r m ；e m b e d e ds y s t e m ；l i n u x ；i n t e g r a l p a r t i t i o np i d 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：娶盔兰日期避艺：厶肜 学位论文使用授权的说明 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遵守此规定) 研究生( 签名) ：建生2导师签名：逝均日期：巡。加 武汉理工火学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统概述 第1 章绪论 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。 在多数网站和书籍资料中，对嵌入式系统的定义大多是这样的：嵌入式系 统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，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。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户 的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 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【l l 。 嵌入式系统与通用计算机系统有很大的不同，与通用计算机系统相比，具 有以下特点【2 1 ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用，因此嵌入式c p u 大多工定用户群设 计的系统中，能够把p c 中许多由板卡完成的任务集中在芯片内部，通常具有低 功耗、体积小、集成度高等特点。 ( 2 ) 按照嵌入式系统的定义，它是某种技术过程的核心处理环节，满足技 术过程的时限要求，自然具有实时处理的特性嵌入式系统的硬件和软件都必须 高效率的设计，系统要精简。 ( 3 ) 嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环条件往往恶劣， 其健壮性及可靠性是该类产品的必备条件，为提高执行速度和系统可靠性，嵌 入式系统的软件一般都是固化在存储器芯片中，而不是存储与磁盘等载体中。 嵌入式系统是硬件和软件的综合体，所以嵌入式系统可以分为硬件和软件 两部分。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件 嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设、i o 端口等。嵌入式处理器是系统 的硬件核心。近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的 嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器。这些嵌入式处 理器是为完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器。目前使用较多的嵌入式 处理器有【驯： 嵌入式微处理器( e 御u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。嵌入式处理器目前主要有p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 和a r m 系列。 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内 部集成r o m e p r o m 、r a m 等各种必要功能和外设。微控制器是目前嵌入式系 统工业的主流，目前的品种和数量最多，比较有代表性的包括8 0 5 1 等。 嵌入式d s p 处理器( e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，适合执行d s p 算法，编译 效率较高，指令执行速度也较高。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是 t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 嵌入式片上系统( s o c ) s o c 是随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展， 在一个硅片上实现的一个更为复杂的系统。各种通用处理器内核将作为s o c 设 计公司的标准库，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言 描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以 制作样品。目前有代表性的产品是t r i c o r e 、m c o r e 、n e u r o n 芯片等等。 ( 2 ) 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，而嵌入式操 作系统是核心，是嵌入式应用的基础平台，是连接硬件和应用程序的系统程序。 操作系统发展到现在，广泛使用的主要有：多道批处理操作系统、分时操作系 统以及实时操作系统。由嵌入式系统的特点可以看出，嵌入式操作系统主要是 实时操作系统。实时操作系统是事件驱动的，它能对来自外界的作用和信号在 限定的时间范围内做出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应 用软件相结合成为有机的整体，起着核心作用，由它来管理和协调各项工作， 2 武汉理工大学硕士学位论文 为应用软件提供良好的软件运行环境及开发环境。 1 2 冲压生产自动送料装置的概况及发展趋势 冲压成形作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一 个部门。随着我国工业的发展，冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化生产 要求，手工送料的冲压加工生产由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的 一系列问题，冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步 满足了冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求1 4 。 随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展， 数冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。概 括起来要表现在以下一些方面【5 】： ( 1 ) 高精度化 当代工业产品对精度的要求越来越高，很多精密零件的误差范围要求在微 米内，与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技术得到 了应用发展。作为数控自动化的辅助装置，自动送料装置的精度会直接影响产 品的精度，追自动送料装置的高精度化是永恒的主题，这主要表现在定位和进 给量的大小上。 ( 2 ) 高速度化 提高生产效率主要表现在提高机床主轴的转速和送料的进给量方面。如日 本d i m a c 公司生产的n c 伺服辊轮送料机，能实现连续高速送料，最高速度可 以达1 0 0 m m i n ，使机床的加工效率大幅提高。 ( 3 ) 高柔性化 市场竞争的日益激烈，利用最少的设备来生产尽可能多的冲压制件，间接 的降生产成本成为各个厂家竟相追求的目标之一；同时当代产品的多样化和个 性化，对机床提出了更高的柔性加工要求，如在一台冲压设备中完成不同的模 具加工等。 ( 4 ) 高自动化 自动化是指在全部加工过程中，减少“人 的介入，而能自动地完成规定 的任务，特别是现代数控机床与自动送料装置的结合，使其真正的高度自动化 成为可能。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 高司靠性 大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。但是，由于 使用场环境的复杂性，往往会受到很多的干扰，所以追求高可靠性是研究的一 项重要课题随着我国冲压行业的发展，冲压设备性能与世界的接轨，冲压生产 自动化程度的一步提高，对冲压生产的送料技术也提出越来越高的要求，以满 足与冲压设备的配套。 ( 6 ) 交流伺服系统自动送料机构 近2 0 多年来，由于电力电子技术的发展，计算机控制技术以及现代控制理 论的应用，交流伺服驱动技术得到了飞速发展。交流伺服自动送料的动力来自 交流伺服电机，具有柔性化、智能化的特点，工作性能和工艺适应性很强。在 我国，较先进的动送料装置是深圳力豪公司的n c h f 系列三合一伺服系统送料 机，它适合于各种五金电子、电器、玩具伺服送料及汽车零件连续冲压加工， 送料矫正；送料时可任意设送料长度，操作容易，安全及稳定性高。 1 3 选题的背景和意义 数控冲床送料系统主要用于与冲床实现配套，在冲孔过程中按照程序设定 控制板料移动和冲床冲孔，实现冲孔的高度自动化。该系统在许多行业都有着 广泛的应用，例如，灯箱制作，钣金、瓶盖、低压灯饰。如果没有采用数控冲 床送料系统，只能将板料裁减成一条一条的，然后人工送料，存在着危险、效 率低、工序多、材料利用率低等问题。 近年来，由于计算机控制技术、检测技术及电力电子技术的发展进步，交 流伺服技术越来越多的应用到冲压生产领域，使得冲压生产自动化、智能化、 柔性化的水平大大提高，但作为数控冲床的辅助装置自动送料机构，一直 没有得到应有的重视。自动送料机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的 要求，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生产效率、生产节拍以及冲压生 产整体自动化水平，只有其自动化程度与冲压设备相匹配甚至高于冲压设备， 才能够实现冲压生产的完全自动化。因此，在发展冲压成形设备的同时，给予 送料机构足够的重视和研究是有着其实际的意义。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究现状 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，自2 0 世纪6 0 年代中期进入实用阶段， 8 0 年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的 技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。经过“六五”、“七 五”、“八五”及“九五”科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。目前 我国已有数控系统( 含主轴与进给驱动单元) 生产企业五十多家，数控机床生产企 业百余家1 6 l 。 随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展， 数控冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。 冲压生产的自动化，手工送料逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足冲 压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量，己是“大势所趋，但结合我 国的实际国情及生产设备的现状，传统的冲压设备在相当长的一段时间里可能 还要进行“服役 ，要完全实现自动化可能还要有很长的一段路要走1 7 j 。 数控冲床送料系统由冲床、两坐标工作台及数控系统组成，数控系统根据用 户输入的程序及冲孔工艺要求，控制工作台承载着板料作相应的移动，走到该冲 孔的地方便控制冲床冲孔【8 】。根据现有控制系统的结构形式，大致可以分成如下 几类【9 】： ( 1 ) 专用的数控系统。国外的有法那克、西门子等数控系统，国产的有武 汉华中、广州数控等，专用的数控系统具有控制精度高，编程能力强，系统可 靠性高，待开发的功能多等优点，但对于冲床来说由于它是属于点位控制，控 制相对简单如果选用造价昂贵的专用系统无疑是资源上的一种浪费。 ( 2 ) 单片机控制。单片机具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，它 更善长于数据计算与数据处理，一般更广泛的被应用于数据采集和中央控制室 控制，完全由单片机控制，特别是运动控制台也由单片机直接发送脉冲控制， 这种方式下，单片机的负荷特别重。再者，由于单片机不是专门针对工业现场 的自动化控制而设计的，所以应用到现场时必须对烦琐的接口电路进行设计， 比如输入输出接口电路中的耦合电路、隔离电路及驱动电路，另外工业现场的 电磁等干扰信号，会对单片机产生强烈的干扰，所以采用单片机直接进入现场 控制对其进行抗干扰处理也是不得不考虑的问题。 ( 3 ) p l c 控制。这种设计方案简单，硬件可选范围广，并且软件编程容易， 武汉理工大学硕士学位论文 直接通过梯形图编程即可完成相应功能，调试一般也不会出现太大问题。但是 这种方案系统造价比较高，在成本要求严格的场合很难考虑，灵活性也比较差， 容易造成系统资源浪费。所以这种方案一般用在比较大型的流水线生产设备上， 在数控冲床的自动送料系统，特别是在中小型生产线中，很少采用这种方案。 通过综合分析以上各种控制形式的特点，我们可以看出现有自动送料系统 并不能很好满足数控冲床的控制要求和实际生产需要。因此，根据数控冲床的 控制特点，选用新型的控制器，设计出数控冲床自动送料系统，对于实际工业 生产和制造具有重要意义。 1 4 论文的主要内容和结构 本课题主要采用上下位机的形式设计自动送料装置，主要工作是下位机电 机控制系统的设计。采用3 2 位a r m 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 作为主控制器，移植 实时操作系统l i n u x 构成嵌入式系统的操作平台，使用q t e m b e d e d 设计可视 化图形用户界面，通过a r m 的p w m 输出脉冲控制x 、y 轴电机运动。 本文共分为六章，各章节的主要内容如下： 第l 章对嵌入式系统做了简要的介绍，阐述了自动送料装置的概况和发展 趋势，同时分析了现有自动送料装置的一些缺点和不足。 第2 章简要介绍了控制系统的开发过程，对系统的总体方案进行研究，确 定了系统硬件和软件的总体构架。 第3 章介绍了以3 2 位a r m 控制器$ 3 c 2 4 4 0 a 为控制核心的硬件平台的搭 建，包括存储器模块、通讯模块、l c d 触摸屏模块以及机电接口模块电路的设 计。 第4 章建立了嵌入式l i n u x 开发环境( 包括b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 内核 的移植、根文件系统的建立以及q t 开发环境的建立) ，同时给出了系统应用程 序的设计过程( 包括图形用户界面、速度预处理、插补计算以及电机的p w m 控 制的实现) 。 第5 章介绍了积分分离的p i d 控制算法，并做了y 轴直线电机的实验仿真， 验证了该算法的可行性。 第6 章对全文做了总结和展望，提出了系统需要改进的地方。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章系统整体方案设计 2 1 控制系统开发过程 嵌入式系统的开发过程是使用软件生存周期方法学设计的开发过程，从任 务的抽象逻辑分析开始，一个阶段一个阶段地进行开发。前一个阶段任务的完 成就是后一个阶段工作开始的前提和基础，后一个阶段任务的完成又是前一个 阶段所提出的解法的更进一步具体化。具体流程如图2 1 所示【1 0 1 。 图2 1 系统开发流程图 7 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统定义与需求分析：提供一个比较模糊的报告，概括系统功能，确 定功能、性能需求等。 ( 2 ) 确定系统的初步设计方案：这是整个嵌入式系统的总体设计。它需要 解决嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分；在此基础上， 选定嵌入式系统硬件实现的核心一处理器；根据系统的性能需求确定选用哪种 操作系统和开发平台。本阶段是整个设计过程中最基本最重要的阶段。 ( 3 ) 系统的软硬件设计：在此阶段，针对系统总体设计对硬件部分的描述， 进一步确定各功能模块的详细特性等，得到符合系统需求和硬件概要设计的电 路原理图，软件开发过程与硬件设计制作并行、交互进行。 ( 4 ) 软硬件集成：将测试完成的软件系统装入制作好的硬件系统中，进行 系统综合测试，验证系统功能是否能够正确无误的实现：最后将软件固化到目标 硬件当中。 ( 5 ) 性能测试：测试最终完成的系统性能是否满足设计任务书的要求。 2 2 送料系统总体构架 如图2 2 所示为送料系统示意图，工作台x 向采用伺服电机驱动，通过滚珠 丝杠传动，y 向采用直线电机驱动，工作台由两个互相独立的、互为垂直的导向 导轨、传动系统及工作台面等组成【1 l 】。 图2 2 送料系统示意图 8 武汉理1 二大学硕士学位论文 工作台机械部分的制造及安装精度是提高系统精度的基础。其中x 向工作 台固定在y 向工作台的工作台面上，由y 向控制系统带动其做y 向运动，x 向 工作台通过定位销安装在y 向工作台之上，两者在水平面上保持正交。工作台 上，动导轨沿着静导轨做定向直线运动。这里，我们选用滚动导轨作为我们的 导轨元件。滚动导轨不仅摩擦系数较小，而且动、静摩擦系数之差也较小，爬 行现象比滑动导轨有所改善。但滚珠与保持架之间还是有滑动摩擦存在，且滚 珠与导轨面是点接触，所以缺点是对误差敏感性较大。为了提高系统的刚度， 我们尽量减小传动链的长度，采用伺服电机直接驱动滚珠丝杠的方法来提高系 统的刚度。另外，通过对滚珠丝杠施加预紧力，尽量消除回程间隙和提高丝杠 的刚度，消除和减小爬行现象，提高了调速比【1 2 l 。伺服电动机直接连接的增量 式码盘被用于速度的反馈。位置测量信号来自于安装在工作台上的直线光栅。 2 2 1 自动送料系统设计原则 为了使设计合理，使系统最优化和获得最佳的设计效果，除了要按照嵌入 式开发过程和采用先进的设计方法外，还必须遵循一定的设计原则【13 1 。 ( 1 ) 模块化：软硬件设计时要对系统进行模块划分，得出模块框架，这样 可以使系统层次更加清晰，设计工作更有针对性，设计时可按照模块框架对系 统进行设计、调试和纠错。 ( 2 ) 先进性：硬件设计时根据功能需求选择适用于系统的功能强大的最新 芯片，这样的芯片不仅可以保证系统技术新，市场上的生命周期长，而且可以 满足高精度和高可靠性的要求，大大简化电路设计，保障系统的性能和稳定性。 ( 3 ) 可扩展性：设计电路时要留有余地，以便将来修改和扩展的需要。硬 件电路不像软件那样可以通过修改或添加某个算法就可以升级，它往往需要彻 底替换和重新设计来更新换代。因此，在选择芯片时，可在满足实际需求的基 础上选取较大容量的型号，留有一定的存储空间以便以后添加数据：设计电路时 也要考虑到系统发展趋势，预留一些接口以便将来进行功能扩展。 ( 4 ) 软件功能代替硬件功能：软件一旦被调试好，其寿命、稳定性和扩展性 都比硬件好得多。因此，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就 不用硬件，这样不仅节省了成本，而且提高了系统的可靠性。 ( 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。从芯片、器 件选择、滤波、印刷电路板布线、输入输出通道隔离等等各方面下功夫，最大 9 武汉理丁大学硕士学位论文 限度地降低干扰。 2 2 2 系统的硬件结构 上位计算机应用c a d 软件产生加工g 代码，并对加工代码进行翻译，然后 通过串口通讯或者u s b 把文件存储到下位机的数据存贮器中，下位机负责从数 据存贮器读取这些加工代码，通过相应的运动控制算法处理后转化为输出对电 机的控制脉冲，控制冲床工作过程中x 、y 轴电机的运行，实现送料机x 、y 两 个方向的运动，达到两轴联动的效果【1 4 】。从总体上来看，整个自动送料系统可 以分为存储器模块、通讯模块、人机接口模块、机电接口模块四大功能模块。 送料系统硬件结构如图2 3 所示。 r 、- d ql ”0 i j i x x 轴伺服八 两 a 电机 a v 电机 叫 匿圃 s 3 c 2 4 4 0 a 驱动器 坐 厂y 轴直线 控 = 剖电机目 y 轴直线a 标 i 驱动器l 电机 _ 一 制 工 | 上位嗍障 板 1 。 作 信号检测模块 v 厶 口 2 2 3 系统的软件结构 图2 - 3 系统硬件结构图 系统软件主要包括上位机软件和下位机软件两部分，如图2 - 4 所示为系统软 件结构图，上位机主要负责加n c 代码生成、翻译以及与下位机和其他p c 机通 信，下位机主要包括五大模块，即：基本控制模块、数据通信模块、运动控制 模块、人机交互模块以及事务处理模块。 整个软件系统中，下位机软件为整个系统核心。我们选择选用源码公开、 可移植性好、简单易学的l i n u x 实时操作系统作为软件运行环境，由它来完成对 五大任务模块的管理调度，结合系统的硬件设备实现送料系统的各项功能。基 本控制模块管理系统的一些基本操作，包括设备驱动程序的管理、系统硬件初 l o 武汉理工大学硕士学位论文 始化设置的管理等；数据通信模块负责数据的接收以及适当的数据处理；运动 控制模块包括插补运算、电机的加减速控制与位置控制，是系统控制的核心； 人机交互模块包括液晶显示和触摸屏输入等，本文界面设计使用基于q t 的嵌入 式图形库开发工具q t e m b e d d e d ，它是用户应用程序和内核之间的一个图形库框 架：为了保证系统的完整性，设置事务处理模块来管理报警以及一些异常事务。 2 3 本章小结 图2 4 系统软件结构图 本章主要介绍了嵌入式系统的开发过程，按照控制系统的开发设计原则，确 定了系统的总体方案，搭建了自动送料系统的软、硬件的大体框架。接下来文 章会分别对系统的硬件和软件设计作详细的介绍。 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章自动送料系统硬件设计 31 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器简介 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 r m 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。 $ 3 c 2 4 4 0 微处理器是一款由s a m s u n g 半导体公司推出的高性能、低功耗、 高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器，该产品采用o 1 3 微米制成 的c m o s 处理器。$ 3 c 2 4 4 0 基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，是一款高度 集成的芯片，内核速度为5 3 3 m h z ，内核电压为1 3 v ，采用1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t r i s c 核心。该处理器主要面向嵌入式设备，具有性价比高、功耗低的特点，并 且在嵌入式l i n u x 操作系统下可移植性好，具有较强的控制能力和丰富的片内资 源【1 5 】。 $ 3 c 2 4 4 0 芯片提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得这个系 统消耗最小。片上集成的功能主要包括以下几个方面【1 6 1 ： 1 2 v 内核供电，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电，具备1 6 k b 的i - c a c h e 和16 k b 的d c a c h e m m u 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( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，提供1 通道l c d 专用 d m a 4 通道d m a 并有外部请求引脚 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，6 4 字节t x f i f o ，和6 4 字节r x f i f o ) 2 通道s p i 1 通1 2 c b u s 接口( 多主支持) 1 通1 2 s b u s 音频编解码器接口 a c 9 7 解码器接口 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 2 端口u s b 主机l 端口u s b 设备( 1 1 版) 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口 具有日历功能的r t c 相机接口( 最大4 0 9 6 * 4 0 9 6 像素的投入支持。2 0 4 8 * 2 0 4 8 像素的投入，支持缩 放) 1 3 0 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源 具有普通，慢速，空闲和掉电模式 具有p l l 片上时钟发生 3 2 存储器接口电路 f l a s h 存储器又称闪存，它是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉 电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分 扇区在系统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的 操作，因而其在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储 器，f l a s h 在系统中用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存 的用户数据等。与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 存储器不具有掉电保持数据的 特性，但其存取速度远远大于f l a s h 存储器，具有随机读写的特点，因此，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 0 0 0 0 0 0 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；同时系统应用程序、用户 堆栈及运行数据也都放在s d r a m 中【l 7 1 。 3 2 1n o r f l a s h 存储器 n o r 是现在市场上主要的非易失闪存技术。n o r 一般只用来存储少量的代 码，主要应用在代码存储介质中。其特点是应用简单、无需专门的接口电路、 传输效率高，它是属于芯片内执行( x 皿e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直 接在( n o r 型) f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r f l a s h 的读取和我们常见的s d r a m 的读取是一样，用户可以直接运行装载在 n o r f l a s h 里面的代码，这样可以减少s r a m 的容量从而节约了成本。n o r f l a s h 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一 个字节。 由于n o r f l a s h 的高传输效率特性，写入和擦出速度低，单位成本高，一般 用它来存储系统的引导程序b o o t l o a d e r 。在本设计中，选用一片1 m 1 6 位的 a m 2 9 l v l 6 0 d b 作为f l a s h 存储系统，容量为2 m 。a m 2 9 l v l 6 0 d b 与a r m 处理器s 3 c 2 4 4 0 的连接如图3 1 所示。 如图，由于$ 3 c 2 4 4 0 最小寻址单位为1 字节，而a m 2 9 l v l 6 0 d b 选用i m 1 6 b i t 的存储形式，最小存储单位是2 字节，所以用$ 3 c 2 4 4 0 的 a d d r l - a d d r 2 0 与a m 2 9 l v l 6 0 d b 的地址总线a 0 一a 1 9 相连，a d d r l 不与 n o r f l a s h 芯片相连。b y t e 是n o r f l a s h 芯片读写方式的选择，高电平对应1 6 b i t 模式，低电平对应8 b i t 模式，本文使用的是1 6 b i t 模式，直接接3 3 v 电源。n o r f l a s h 的读写方式基本与内存一样，可以直接在其地址范围内进行读写，这样将启动 程序拷贝到n o r f l a s h 里面，上电后便可以直接运行【1 8 】。 3 3 v 图3 1n o r f l a s h 存储器连接图 3 2 2n a n d f l a s h 存储器 n a n d 与n o r 型闪存的区别很大，打个比方说，n o r 型闪存更像内存，有 独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而n a n d 型更像硬盘，地 址线和数据线是共用的i o 线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一 般，而且n a n d 型与n o r 型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。n a n d 型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 期比其他存储介质长，因此n a n d 型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容 量读写请求。 在这里主要用n a n d f l a s h 来存储资料。本文中，选用三星公司的 k 9 f 1 2 0 8 n m 岫f l 嬲h 芯片，其存储容量为6 4 m x8 b i t 。它与$ 3 c 2 4 4 0 的连接如 图3 2 所示。 $ 3 c 2 4 4 0 内自带n a n d f l a s h 控制器，选择从n a n d f l a s h 或者n o r f l a s h 启 动可以通过设置$ 3 c 2 4 4 0 的o m 0 、o m l 来实现，o m 1 ：o - o o 时，处理器将从 n a n d f i a