（机械电子工程专业论文）纸箱打样机嵌入式控制软件的关键技术研究.pdf

摘要 纸箱打样机是一种综合应用了机械、计算机、运动控制和数据通信等多种技 术的自动化设备，它的控制部分是以运动控制卡或者运动控制器为核心构成的数 控系统。 本文借以展开讨论的纸箱打样机数控系统的核心是基于d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s ) 芯片t m s 3 2 0 2 8 1 2 设计而成的运动控制器，其软件被划分为文件转换模 块、数据通信模块、运动控制模块和参数的设置与显示模块。本文着重对运动控 制模块和数据通信模块所涉及的技术进行了研究。 本文实现了梯形和s 形曲线加减速控制算法，并对两种算法的实现在加速时 间、加速步数、速度变化平稳性和算法复杂度等方面都进行了比较。对于梯形加 减速控制算法，本文采用数学归纳法证明其两种实现正确性。对于s 形曲线加减 速控制算法，本文编写了相应的m a t l a b 程序进行仿真，并且还推导出了其主要参 数需要满足的一个不等式。 比较了逐点比较法和最小偏差法这两种插补方法，然后根据比较结果选择最 小偏差法来实现了两轴直线插补、圆弧插补以及三轴直线插补。本文分别编写了 相应的m a t l a b 程序来仿真验证插补算法实现的正确性。另外，在实现圆弧插补的 过程中，还提出一种用于计算起点沿圆弧到终点所需脉冲数的方法。 对常规的t c p i p 协议族进行了裁剪，采用自底向上的方法实现了一个精简的 t c p i p 协议族实例，并使用相关的工具对该实例进行了测试。 本文已经完成了对相关技术的研究，并取得了一些初步的成果。系统不足之 处在于运动控制器在设计上考虑让d s p 片内外设事件管理器直接输出脉冲，导致 脉冲最大输出频率受限于d s p 芯片的指令速度和插补中断处理函数的复杂度。这 个问题需要进一步研究加以解决。 关键词：纸箱打样机；嵌入式系统；数字信号处理器；插补；网络 a b s t r a c t c a r t o ns a m p l e m a k e ri sak i n do fa u t o m a t i ce q u i p m e n tw h i c hu s e st h ec r o s s i n g a n di n t e g r a t i n gt e c h n o l o g yc o m p r i s i n go fm e c h a n i c s ，c o m p u t e r ，m o t i o nc o n t r o la n d d a t ac o m m u n i c a t i o n ，i t sc o n t r o lp a r ti sn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb u i l tu pw i t hm o t i o n c o n t r 0 1c a r do rm o t i o nc o n t r o l l e r t h ec o r eo ft h en c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mi nc a n o ns a m p l e m a k e rd i s c u s s e d i nt h i sp a p e ri sm o t i o nc o n t r o l l e rw h i c hd e s i g ni sb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 912 ，ak i n do f d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) c h i p ，t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi s d i v i d e di n t of o u r m o d u l e s ，f i l ec o n v e r s i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，m o t i o nc o n t r o l ，a n ds e t u pa n dd i s p l a y o fp a r a m e t e r s a n dt h i sp a p e rm a i n l yd o e sr e s e a r c ho nt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt ot h e m o d u l eo fd a t ac o m m u n i c a t i o na n dm o t i o nc o n t r 0 1 t h i sp a p e rh a si m p l e m e n t e dt h ea l g o r i t h mo ft r a p e z o i d a la d ( a c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o n ) c o n t r o la n ds - c u r v ea dc o n t r o l ，a n dc o m p a r e dt h et w oo na c c e l e r a t i o n t i m es p a n ，a c c e l e r a t i o ns t e p s ，s t a t i o n a r yo fv e l o c i t yc h a n g e ，a n da l g o r i t h mc o m p l e x i t y t h ec o r r e c t n e s so ft w oi m p l e m e n t a t i o n so ft r a p e z o i d a la dc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o v e d u s i n gm a t h e m a t i c a li n d u c t i o n a sf o rs - c u r v ea dc o n t r o l ，s i m u l a t i o nh a sd o n et o v a l i d a t ei t sc o r r e c t n e s sb yw r i t i n gac o r r e s p o n d i n gm a t l a bp r o g r a m a n da ni n e q u a l i t y a b o u ti t sp a r a m e t e r sh a sg o t t e nb yd e d u c t i o n a f t e rc o m p a r i n gp o i n t b y - p o i n tc o m p a r i s o nm e t h o dw i t hm i n i m u md e v i a t i o n m e t h o d ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h ea l g o r i t h mo f2 - a x i sl i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，c i r c u l a r i n t e r p o l a t i o na n d3 - a x i sl i n e a ri n t e r p o l a t i o n c o r r e s p o n d i n gm a t l a bp r o g r a m sh a v e a l s ob e e nw r i t t e nt ov a l i d a t et h e i rc o r r e c t n e s s b e s i d e s ，i ta l s og i v e sf lm e t h o du s e dt o c a l c u l a t et h ep u l s eq u a n t i t yb e t w e e nt h es t a r t p o i n tt oe n d - p o i n ta l o n ga r cw h i l e i m p l e m e n t i n gc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n t h i sp a p e rh a sc u tt h en o r m a lt c p i pp r o t o c o ls u i t e ，i m p l e m e n t e dac u t t e d i n s t a n c eo ft h ep r o t o c o ls u i t ef r o mb o t t o mt ot o p ，a n dt e s t e dt h ei n s t a n c ew i t hr e l a t e d t o o l s i naw o r d ，t h i sp a p e rh a sf i n i s h e dt h er e s e a r c ho nt h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e s ， i l i 广东t 幢支学t 学而f j 学位论史 a n dg o t t e ns o m ee l e m e n t a r yr e s u l t s t h ed i s v a n t a g eo ft h es y s t e m ，w h i c hi sc a u s e db y t h ed e s i g no ft h em o t i o nc o n t r o l l e rt h a tl e td s p p e r i p h e r a le vf e e dp u l s ed i r e c t l y ，i s t h em a xf r e q u e n c yo fp u l s eo u t p u ti sl i m i t e dt ot h ei n s t r u c ts p e e do fd s p c h i pa n dt h e c o m p l e x i t yo ft h ei n t e r r u p th a n d l e r d e e p e rr e s e a r c hi sn e e d e dt os o l v et h ep r o b l e m k e yw o r d s ：c a r t o ns a m p l e m a k e r ；e m b e d d e ds y s t e m ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； i n t e r p o l a t i o n ；n e t w o r k 独创件声啊 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 鼍i p mu ,! ! | ! ! ! 皇! ! ! 曼 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 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，特此声明。 6 5 指导老师签名 论文作者签名 到建面 今勿韦i z - - 9 年舌月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统简史 嵌入式系统出现于2 0 世纪6 0 年代末期，而它真正发展是在微处理器问世之 后。随着半导体技术和微电子技术的发展，i n t e l 公司于1 9 7 1 年1 1 月成功把算术 运算器和控制器集成在一起，推出了世界上第一片微处理器芯片i n t e l4 0 0 4 。在其 后的几十年中，i n t e l 、m o t o r o l a 、i b m 等公司相继研究开发出8 位、1 6 位和3 2 位微处理器芯片，这些微处理器芯片得到了广泛的应用。 微处理器的广泛使用，促成了一个庞大的嵌入式应用市场。在尽力满足各种 不同应用的过程中，各个厂家推出了具有不同处理能力和寻址能力的处理器。相 应的存储器技术也得到了极大的发展，r o m 和r a m 存储器性能越来越好，但价 格却越来越便宜。这个时候，许多厂家开始生产模块化的c p u 板、存储器板和各 种i o 接口板，用户可以根据不同的应用选择合适的板子进行集成。因此，人们 不必从芯片开始设计自己的嵌入式系统，仅需从不同的厂家选购不同的板卡就可 以组成新的嵌入式硬件系统。 随着微电子技术的进一步发展和工艺水平的提高，微处理器、存储器、i o 接1 5 以及a d 和d a 等功能都集成到了一个超大规模集成电路芯片上，m c u ( 微 控制器) 和a r m 由此而生。而其后发展的d s p ( 数字信号处理器) 则可满足包括音 频、视频和图像处理等更专用场合的需求。微处理器技术和d s p 技术的结合，使 嵌入式系统应用迅速渗透到消费电子、医用电子、数码产品、仪器仪表、交通运 输、智能控制和航空航天等各种领域。 近年来，嵌入式系统应用取得很大的进展。就广度来说，新的领域在不断地 引进嵌入式系统技术。而就深度来说，当前发展的新技术与嵌入式系统的融合更 使得嵌入式系统本身功能越来越强，性能越来越好。 1 1 2 嵌入式系统的定义与特点 嵌入式系统出现至今也不过四十多年的时间，但已经广泛应用于消费电子、 医用电子、仪器仪表、交通运输、智能控制等各种领域。它在很大程度上改变了 广东t 业j 、学t 学碗| 。学位论丈 人们的生活、工作和娱乐方式。 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对 功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统1 1 “。嵌入式系统一 般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件部分包括微处理器微控制器 d s p 、存储器和其他外设器件。软件部分一般包括操作系统和应用程序，有些功 能简单的系统也可能没有操作系统的支持。嵌入式系统具有以下特点： 1 嵌入式系统面向特定应用，可根据需要进行定制。在硬件方面，不同应用 选择的处理器不同。有些处理器适合用于运动控制，比如t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；有些处理器适合用于网络通信，比如i n t e l 公司出品的i x p l 2 0 0 ； 而有些又适合用于音频或者视频的处理，比如t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 。在软件 方面，软件功能一般都应针对具体的应用进行有效取舍。 2 嵌入式系统软件相对固定。所有嵌入式系统中所使用的软件往往都是针对 特定领域特定应用而专门开发的，因此用户一般不需要频繁更改嵌入式软件，也 不需要自己开发或者安装新的软件。 3 嵌入式系统可靠性高，功耗低，体积小。处理器中的看门狗模块的应用保 证了嵌入式软件踅行的可靠性：多种处理器运行模式结合高效的电源管理软件使 得嵌入式系统的功耗非常小；高度集成的硬件使得嵌入式系统的体积越来越小。 4 嵌入式系统资源相对有限。因为资源相对有限，所以嵌入式系统一般不具 备自开发能力，必须在其外搭建相应的软硬件开发环境来进行开发与交叉调试。 另外，在软件设计时，软件的体积与运行效率得到保障。 1 2 数控系统概述 1 2 1 数控系统及其组成 数控系统是一种控制系统，它自动读入事先给定的数据并将其译码，然后进 行必要的处理和运算来驱动被控装置移动。最初的数控系统是由数字逻辑电路构 成的专用硬接线数控系统。随着计算机技术的发展，硬接线数控系统逐渐被淘汰， 取而代之的是计算机数控系统”，。 数控系统由控制子系统、伺服驱动子系统和检测反馈子系统组成。这三个子 系统分别影响着最终数控设备的功能、性能和精度n i 。 1 控制子系统。它是数控系统的核心子系统，包含硬件和软件两大部分。硬 第一章绪论 m i r a 件部分包括微处理器微控制器d s p 、存储器和输入输出接口等。软件部分由管理 和控制两大模块构成，其中管理模块负责输入、i 0 处理、通信和显示，控制模 块负责译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。 2 伺服驱动子系统。它包含伺服单元和驱动装置两部分。伺服单元有脉冲式 和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源的种类又可分为直流伺服单元和交流伺 服单元。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电 机等。 3 检测反馈子系统。它把被控装置的实际位移转换成电信号反馈给控制子系 统，控制子系统将实际位移与指令值比较产生误差信号以驱动被控装置向使误差 消失的方向移动。 1 2 2 数控系统的分类 数控系统可以有不同的分类方式，常用的有按控制子系统的特点分类、按伺 服系统控制方式的不同分类和按数控系统的功能水平分类。后两种分类方式在某 种意义上是一致的，因此可以合为一种分类方式。 按控制子系统的特点，数控系统分为点位控制系统、直线控制系统和轮廓控 制系统三种。 1 点位控制系统。这类数控系统只控制刀具( 或工作台) 从一点移动到另一点的 准确移动，至于点与点之间的移动轨迹( 路径和方向) 并无严格要求。 2 直线控制系统。这类数控系统除控制点与点之间的准确定位外，而且还要 求从一点到另一点之间按指定的速度作直线移动。 3 轮廓控制系统。这类数控系统的特点是能够同时对两个或者两个以上的运 动坐标位移和速度进行连续相关控制。它不仅要控制从起点到终点移动的准确性， 而且对每个瞬间的位移和速度也要进行严格连续的控制。 按伺服系统控制方式的不同，数控系统可分为开环控制系统、闭环控制系统 和半闭环控制系统三种”。 1 开环控制系统。这类数控系统没有检测反馈校正，对执行机构不进行检测。 典型的开环控制系统是采用步进电机的伺服系统。这种开环控制系统的精度完全 依赖于步进电机的步距精度以及齿轮、丝杠的传动精度。虽然没有测量反馈矫正 而导致系统不能满足高精度的要求，但是开环控制系统具有结构简单、调试容易 广东t 业凡学t 学硕i 学位论文 和造价低等优点，在数控系统的发展过程中占有一定的地位，现在仍普遍采用。 2 闭环控制系统。这类系统把检测装置安装在执行部件上，用以直接检测这 些执行部件的实际位置( 或位移) 。控制子系统把实际位置和指令位置( 或位移) 进行 比较，用两者的误差值控制伺服电机工作，直至误差消除。闭环控制系统绝大多 数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路，位置控制精度很高，但是结 构复杂、成本高、调试困难。 3 半闭环控制系统。这类系统把检测装置安装在伺服电机上，通过测量伺服 电机的角位移间接计算出执行部件的实际位置( 或位移) 。控制子系统把实际位置 和指令位置( 或位移) 进行比较，用两者的误差值控制伺服电机工作，直至误差消 除。但这种问接计算的方法不能补偿传动链零件的误差。半闭环控制系统结构复 杂性、成本和调试难易程度适中。 1 3 纸箱打样机现状 纸箱的生产流程大致是这样的【1 ：首先设计人员根据客户要求使用专用或者 通用设计软件快速设计出新的纸箱图案，完成之后在纸箱打样机上加工出初步的 纸箱样品，再将纸箱样品展示给客户。然后设计人员根据客户对纸箱样品的反馈 意见对纸箱样品进行修改，直到客户满意为止。最后纸箱生产企业根据设计人员 提交的最终纸箱样品为客户进行生产。从以上流程可以看出，纸箱打样机是一种 印刷包装行业不可或缺的印前自动化设备。它的使用不仅缩短了最终纸箱样品的 制作时间，而且降低了最终纸箱样品制作的成本。 在国外，纸箱包装行业起步比较早，发展比较成熟，因此在纸箱打样机的研 发与生产水平比较高。国外从事纸箱打样机产品研发与生产的知名大公司主要有 德国的a r i s t o 和l a s e r c o m b 、日本的m i m a k i 、瑞士的z u n d 公司、美国 的k e n t e x 和英国a g c a d 公司，其中国内纸箱企业进口的纸箱打样机中很大 一部分来自德国的a r i s t o 和l a s e r c o m b 。国外的纸箱打样机产品有以下主要 特点：系统在人机接口设计上采用触摸屏技术，使交互更加直观；上下位机数据 交换接口，除了采用串口与并口之外，还采用了网络技术，加快了数据交换的速 度；在机头机械设计上采用灵活的设计，可快速更换工具头，如切割、压痕、绘 图和三维铣削工具，以适应不同材料的加工要求；数控系统加工速度很高( 最高可 达1 6 7 m s ) ；z 轴电机可以控制切割压痕的深度m 。虽然国外纸箱打样机在价格 4 筇一章绪论 上偏高，但其优良的性能和稳定性还是吸引了不少国内大型纸箱生产厂家。 中国数控技术的水平和包装业的发展水平都落后于国外，必然导致纸箱打样 机的研发与生产水平不高的现状。国内的纸箱打样机专业研发与生产厂家屈指可 数，比较有名的是奥科电脑切割设备有限公司。国内的纸箱打样机产品几乎都是 直接参照国外的一些基本机型进行改动而成。国内的纸箱打样机的特点如下：数 据交换接口一般仅采用串口与并口；人机接口在p c 上( 上位机) 实现：数控系统的 控制子系统基于运动控制卡实现，加工速度最高能够达到o 8 m s ；z 轴方向的控 制仅有两个状态( 也即抬起和落下) ，切割压痕的深度需要使用手工的方式进行调 整f “。 除价格方面比较占优势之外，国内纸箱打样机产品与国外的产品相比无论在 哪个方面都处于劣势，这些方面包括加工速度、人机接口、数据交换速度、加工 工具更换的灵活性、数控z 轴功能强弱等。当然这些列举出来的差异仅是有关数 控系统软件和硬件架构上的，有关在机械结构方面的差距不在讨论之列。 1 4 研究背景与目的 1 4 1 研究背景 本文的课题来源于校企联合开发项目“纸箱打样机数控系统的设计与开发”。 该企业原先的纸箱打样机数控系统的控制子系统硬件是以基于i s a 总线的运动控 制卡为核心，与p c 的c p u 构成主从式控制结构。p c 负责加工参数的初始化与 配置，人机交互等工作；运动控制卡则负责完成脉冲和方向信号的输出、自动加 减速控制、原点和限位等信号的检测与处理等工作。然而按照这种“p c + 运动控 制卡”的控制模式实现的控制系统体积较大、成本较高，另外由于w i n d o w s 系统 实时性不高的问题导致实际插补速度也不是很快。为了适应机电产品对嵌入式控 制系统的发展需要、减少硬件成本和提高系统运行的稳定性，必须提出一种新的 方案来代替“p c 机+ 运动控制卡”，并将这种控制方案应用于纸箱打样机数控系 统。这样纸箱打样机数控系统才能具有独立运行的特性，具有较小的体积与很高 的系统集成度和降低成本。 1 4 2 研究目的 本课题属于课题“纸箱打样机数控系统的设计与开发”的子课题。课题“纸 箱打样机数控系统设计与开发”的研究目的包括开发新的纸箱打样机数控系统， 广东t 业人学t 学硕f 。学位论之 使纸箱打样机加工速度、加工精度与国内原有的相比有所提高，增强z 轴的功能， 降低成本等。而本课题的研究目的是通过研究数控系统的若干关键技术，一方面 为纸箱打样机增添新的更快的数据交换方式，另一方面使纸箱打样机速度和精度 有所提高、z 轴功能有所增强，在一定程度上提高我国纸箱包装行业的自动化水 平。 1 5 研究内容 本课题的研究内容如下： 1 总体设计数控系统软件。从总体上对数控系统软件进行模块划分，并对每 个模块的功能进行定义。 2 研究加减速控制原理，并在d s p 上实现梯形加减速控制和s 形曲线加减速 控制算法。 3 研究插补原理，并在d s p 上采用最小偏差法来实现两轴直线插补、圆弧插 补以及三轴直线插补。 4 研究计算机网络t c p i p 协议族，并在d s p 上采用自底向上的方法实现一 个精简的t c p i p 协议族实例。 1 6 本章小结 本章首先叙述了嵌入式系统的发展历程、定义以及特点，数控系统的概念、 组成及其分类；接着列出国内外进行纸箱打样机研发与生产的比较有代表性的厂 家，并对其纸箱打样机产品进行比较；最后在揭示本课题的研究背景和目的之后 引出本课题的研究内容。 6 第二审 t c 箱打样机数控系统及j c 软”设计 第二章纸箱打样机数控系统及其软件设计 2 1 纸箱打样机工作原理 纸箱打样机工作原理如下：首先用户使用专用软件( 比如荷兰b c s i 公司出品 的纸盒纸箱设计软件p a c k d e s i g n 2 0 0 0 ) 或者通用软件( 比如a u t o d e s k 公司出品的绘 图软件a u t o c a d 2 0 0 0 ) 设计出纸箱图形并保存为某一格式的文件，比如h p g l 指 令格式p l t 文件；接着在p c 上将某种格式的文件转换成自定义的中间格式文件 i m f 文件；然后将i m f 文件通过串口、网络接口传送给纸箱打样机数控系统；最 后纸箱打样机数控系统解释接收到的i m f 文件，执行一系列相应的操作来驱动执 行机构绘制或者切割出所需要的纸箱图形。纸箱打样机工作原理示意图如图2 - 1 所示。 图2 1 纸箱打样机工作原理示意图 f i g u r e 2 - ls k e t c hm a po f t h ew o r kp r i n c i p l eo fc a r t o ns a m p l e m a k e r 2 2 纸箱打样机数控系统结构与原理 由纸箱打样机工作原理示意图可知，纸箱打样机数控系统是纸箱打样机的重 要组成部分，其结构如图2 2 所示。 d s p 运动控制器的硬件和软件构成纸箱打样机的控制子系统。d s p 控制器接 收来自p c 的i m f 文件，然后进行简单的解释就可以调用相应的函数控制片内外 设事件管理器输出脉冲。另外，d s p 运动控制器处理来自检测装置的原点、限位 等信号；d s p 运动控制器仅将驱动器反馈回来的脉冲用于显示，并不进行其他处 7 广东t 业人学t 学顾卜学位论文 理。 驱动器组和伺服电机组构成了纸箱打样机数控系统的伺服驱动子系统。驱动 器组接收来自d s p 运动控制器的脉冲信号，然后进行细分等处理，驱动各个轴的 脉冲式伺服电机运转。在每个驱动器伺服电机对之间存在电流环、速度环和位置 环，这使数控系统的精度得到了很好的保证。伺服电机组共有四个伺服电机，分 别控制四个轴。x 轴和y 轴电机负责控制刀具笔在x y 平面上定位，c 轴电机根 据刀具的运动方向对刀刃的方向进行旋转调整使两者保持致，z 轴电机用以控 制切割和压痕的深度。 液晶按键模块一般有两种实现方式：一种是直接接在d s p 运动控制器扩展的 液晶按键接口上，由d s p 运动控制器来控制参数的显示与设置。这种方式优点是 设置与显示比较直接，不足之处是使在d s p 中的程序体积变大。另一种是使用单 片机实现一个独立的模块，它通过串口与d s p 运动控制器相连，进而实现对参数 进行查询与设置。这种方式的优点是修改人机交互界面比较方便，缺点是需要额 外编写串口接收函数以及定义数据交换协议。 纸箱打样机数控系统 编码器反馈信号编码器反馈信号 + r 审口 网口 d s p 运动控制器 脉盹 驱动器组 脉冲式 一 伺服电机组 ： 。l 液晶按键原点、限位信号 模块 检测装置 图2 - 2 纸箱打样机数控系统结构 f i g u r e 2 2a r c h i t e c t u r eo fn cs y s t e mo fc a r t o ns a m p l e m a k e r 2 3d s p 运动控制器硬件结构 d s p 运动控制器是纸箱打样机数控系统的核心子系统一一控制子系统，其实 第二章纸箱打样机数控系统及e 软件设计 物一 图2 3d s p 运动控制器实物图 f i g u r e 2 - 3p r a c t i c a l i t yo fd s p m o t i o nc o n t r o l l e r 其硬件结构如图2 - 4 所示。 图2 - 4d s p 运动控制器硬件结构 f i g u r e 2 4h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fd s pm o t i o nc o n t r o l l e r d s p 运动控制器各个部分的详细描述如下： 1 d s p 运动控制器主芯片选择使用t i ( 德州仪器) 公司设计与生产的适用于运 动控制领域的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。这款芯片是由同样属于t i 公 司设计与生产的d s p 系列芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 x a 发展而来，d s p 片内外设事件管 9 广东t 、mj 、学t 学硕1 j 学f | 论文 理器可产生用于驱动绝大多数电动机的p w m 脉冲信号。另外，d s p 还具有丰富 的存储器资源和g p i o ( 通用输入输出) 。 2 除了片内总共达1 8 k 1 6 b 的s a r a m 之外，d s p 运动控制器在片外还扩展 了5 1 2 k 1 6 b 的s r a m ，芯片采用的是美国i s s i 半导体有限公司生产的静态存储 器i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 。程序运行堆栈、临时变量等数据存放都在这个区域。 3 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内有1 2 8 k 1 6 b 的f l a s h 存储器，这1 2 8 k 1 6 b 被分为1 0 个扇区，其中有4 个8 k 1 6 b 和6 个1 6 k x l 6 b 。此外，d s p 运动控制器还扩展了 5 1 2 k 1 6 b 的n o rf l a s h 和6 4 m 8 b 的n a n df l a s h ，采用的芯片分别是s s t 公司的3 9 v f 8 0 0 a 和s a m s u n g ( 三星) 公司的k 9 f 1 2 0 8 u o b 。n o rf l a s h 用于存 放程序，而n a n df l a s h 用于存放大型加工数据。 4 数据通信接口采用串口、网口和u s b 口。这些接口模块增强了d s p 运动控 制器与p c 之间的数据传送功能。 5 d s p 运动控制器采用两个c p l d ，c p l d 芯片采用a l t e r a 公司设计生产 的e p m 7 1 2 8 。其中一个c p l d 用于地址线译码、片选和i o 扩展，另一个c p l d 用于编码器信号反馈以及将来其他用途。 6 d s p 处理器和c p l d 逻辑器件分别外接j t a g 接口。通过j t a g 接口完成 代码的下载等操作，这样可以方便d s p 和c p l d 的仿真、调试和程序的固化等工 作。 2 4 纸箱打样机数控系统软件设计 纸箱打样机数控系统软件主要包含数据通信模块、运动控制模块以及参数的 设置与查询显示模块，还有在p c 上用于将某种格式图形文件转换为中间格式的 i m f 文件的文件转换模块。纸箱打样机数控系统软件结构示意图如图2 5 所示。 由纸箱打样机数控系统结构可知：文件转换模块在完成文件转换之后就不参 与到后续的处理中了，另外三个模块之问的耦合度较高。下面分别对各个模块进 行介绍。 2 4 1 文件转换模块 该模块从严格意义上讲是一个独立的p c 程序，它的功能是将某种格式的图 形文件( 比如h p g l 指令格式p l t 文件) 转化为中间格式i m f 文件。对某些格式的 文件，文件转换可能还需要脉冲当量的值。i m f 文件是一种记录文件，总共有四 第二章纸箱打杆机数拌系统及j t 软什设计 i1 种类型的记录，分别对应单轴、两轴直线、圆弧和三轴直线运动，记录与记录之 间用分号隔开。这四种类型的记录如下： 1 单轴运动记录格式：c o m m a n d t y p e ，x 。此时c o m m a n d - y y p e 的值为1 ，x 表示脉冲数。 2 两轴直线运动记录格式：c o m m a n d t y p e ，x ，y 。此时c o m m a n d t y p e 值 为2 ，( x ，y ) 表示终点相对于起点的坐标，x 和y 表示脉冲数。 3 圆弧运动记录格式：c o m m a n d t y p e ，c x ，c y ，x ，y 。当c o m m a n d t y p e 值为3 l 时表示顺时针圆弧运动，c o m m a n d t y p e 值为3 2 时表示逆时针圆弧运动。 ( c x ，c y ) 和( x ，y ) 分别表示圆心和终点相对于起点的坐标，c x 、c y 、x 和y 表 示脉冲数。 4 三轴直线运动记录格式：c o m m a n d t y p e ，x ，y ，z 。此时c o m m a n d - t y p e 值为4 ，( x ，y ，z ) 表示终点相对于起点的坐标，x ，y 和z 表示脉冲数。 毒他格 存储器 戈文件 f 存储j 读取 p l t i m f 文件 文件转换 文件脉 l 数据通信模块 运动控制模块 模块 臣他格 戈文件 】查询丰设置 查询 + 设置 参数的设置与显示模块 图2 5 纸箱打样机数控系统软件结构 f i g u r e 2 5s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo f t h en cs y s t e mo fc a r t o ns a m p l e m a k e r 2 4 2 数据通信模块 数据通信模块提供三种便于p c 与d s p 运动控制器之间进行数据交换的方 式，它们分别是串口、网络接口和u s b 口。串口是一种传统的也是简单有效的数 据交换方式。而要通过网络接口进行数据交换必须实现t c p i p 协议族中几个主 要的协议，过程相对比较复杂，这是本课题的研究内容之一。使用u s b 口进行数 据传输的实现是三种数据交换方式中最为复杂的，它需要在d s p 运动控制器上实 广东t 业j 、学t 学硕l 。学竹论文 现读写u 盘的模块。 2 4 3 运动控制模块 运动控制模块主要包括加减速控制和轨迹插补，它也是本课题的主要研究内 容之一。加减速控制对被控对象运动速度的提升和降低进行规划，使被控对象的 运动变得准确与平稳。它的实现方法多样，但梯形加减速和s 形曲线加减速是最 常用的两种。轨迹插补进行两点之间数据的有效密化，进而控制被控对象在一定 的精度内沿指定的曲线运动。由纸箱打样机数控系统原理可知，插补对象( 也就是 被插补的曲线) 最少应该包含两轴直线、顺圆、逆圆和三轴直线。 在本文所采用的脉冲式伺服系统中，电机的运转速度v 与脉冲输入频率，成 正比，电机的角位移s ( 在无方向切换的情况下) 与脉冲输入个数成正比。它们之 间的关系式下： 1 v = 6 0 f 一1 n s ：。! 玎 其中，胛表示电机转一圈所需要的脉冲数。v 的单位是转每分，厂的单位是个 每秒，j 的单位是度数。另外，在i m f 文件中位移都被转化成脉冲数，因此在之 后的章节中我们将用脉冲的频率和个数来刻画电机的速度和位移，其他相关变量 也作类似处理。 2 4 4 参数的设置与显示模块 该模块可以用来设置数据通信模块和运动控制模块的参数，还可以用来显示 数据通信的状态参数以及运动控制模块的控制与状态参数。 2 5 本章小结 本章首先对纸箱打样机工作原理、纸箱打样机数控系统的结构与原理以及 d s p 运动控制器硬件结构作了简明的阐述。在此基础上对纸箱打样机数控系统软 件进行模块的划分与功能的定义，从而揭示本课题的研究内容在整个纸箱打样机 数控系统的地位。 第三章d s p 编程筚础 第三章d s p 编程基础 3 1t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 概述 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 是一种适用于数字信号处理运 算的微处理器。根据数字信号处理的要求，d s p 一般具有以下特点l 。1 ： 1 在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法运算。 2 程序和数据存储空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线进行访问。 4 具有低开销或者无开销执行循环及跳转操作的硬件支持。 5 快速的中断处理和硬件i o 支持。 6 支持流水线操作，不同操作阶段可以并行执行。 t i ( 德州仪器) 、a d ( 模拟仪器) 、m o t o r o l a ( 摩托罗拉) 等几十家公司都相继推出 了自己的d s p 产品。而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是d s p 市场占有率最大的德州仪器公司设 计生产的t m s 3 2 0 x 2 8 l x 系列产品中的一员。t m s 3 2 0 x 2 8 1 x 扩大了t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 的应用范围，从原先的普通电机控制拓展到高端多轴电机控制、可调谐激光控制、 光学网络、电力系统监控和汽车控制等领域。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 比较有代表性的性能 参数如下 1 1 1 ： 1 每秒可执行1 5 亿次指令( 1 5 0 m i p s ) ，具有单周期3 2 位3 2 位m a c ( 乘和累 加操作) 功能。 2 采用改进的哈佛结构。在逻辑上有4 m x l 6 位的程序空间和4 m x l 6 位的数 据空间，但在物理上己将程序空间和数据空间统一成一个4 m 1 6 位的线性空间。 3 1 2 8 位的密钥可有效防止对片内程序的非法访问。 4 具有两个适合于马达控制的事件管理器。 5 可支持多达4 5 个外设中断。 6 最多可有5 6 个可编程g p i o ( 通用输入输出) 引脚。 3 2 系统控制与中断 这里仅对系统时钟和外部中断扩展作个简单介绍，其他有关系统控制与中断 的详细内容请参阅参考文献【1 0 ，1 1 】。 广东t 业人学t 学硕j 学化论文 3 2 1 系统时钟 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片内包含一个基于p l l ( 锁相环) 的时钟模块，可为c p u 及其 各种片内外设提供时钟信号。基于p l l 的时钟模块提供以下两种工作模式：晶体 工作模式和外部时钟源工作模式。通过p l l 配置寄存器p l l c r 可以为c p u 选择 不同的时钟频率 1 0 , 1 1j 。 片内外设时钟是c p u 时钟经过使能和预定标分频之后获得的。一般需要先设 置p c l k c r ( p b 设时钟控制寄存器) 的相应位来使能相应的片内外设时钟，然后再 对h i s p c p ( 高速外设时钟预定标寄存器) 和l o s p c p ( 低速外设时钟预定标寄存器) 进行设置以得到所需的外设时钟频率 io 川。 3 2 2 外设中断扩展 p i e ( 夕 设中断扩展) 单元通过少量中断输入信号的复用来扩展大量的中断源， p i e 单元支持多达9 6 个独立的中断，每个中断能够被独立使能或者禁止，而且中 断的优先级可以通过硬件和软件进行控制。这些中断以8 个为一组，每组中的所 有中断共用一个到c p u 内核的中断输入路径( n l n t l n l n t l 2 ) 。9 6 个中断( 其中外 设中断4 5 个) 对应的中断向量存储在专用的r a m 区域，用户可以根据需要对其 进行修改o w j t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的中断系统具有三个中断级别：外设级、p i e 级和c p u 级。 1 外设级。片内外设的每个中断信号都有自己的中断标志寄存器和中断使能 寄存器，而且当外设向p i e 控制器发出中断请求后，其对应的外设中断标志寄存 器相应位不会自动清零，只能通过手动方式来将其清零。 2 p i e 级。p i e 单元可以使8 个外设中断共用一个c p u 中断信号，对于共用 同一个c p u 中断的外设中断组，p i e 单元会有一个与之对应的p i e i f r x ( p i e 中断 标志寄存器) 和p i e i e r x ( p i e 中断使能寄存器) ，这些寄存器的每一位对应一个分 组中的一个外设中断。一旦片内外设向p i e 控制器发出中断请求，对应的p i e 中 断标志位被置位，如果p i e 中相应的p i e 中断使能位也为1 ，p i e 单元就去检查中 断所属分组对应的p i e a c k ( p i e 中断应答寄存器) 相应位来确定c p u 是否准备好 响应改组的这一中断。 3 c p u 级。p i e 将中断请求发到c p u 后，i f r ( 0 0 断标志寄存器) 中对应的i n t x 的c p u 级中断标志位将被置位。如果i e r ( 中断使能寄存器) 、d b g i e r ( 调试中断 4 第二幸d s p 编程幕础 使能寄存器) 和i n t m ( 全局中断屏蔽) 相应位已经设置好，c p u 就会转去执行中断 服务程序。 3 3 事件管理器概述 e v ( 事件管理器) 模块提供了强大而丰富的控制功能，非常适合应用于运动控 制和电机控制等领域。其中，e v a 和e v b 具有完全相同的结构与功能。下面以 e v a 为例对事件管理器子功能模块通用定时器和比较单元作个简单介绍，有关事 件管理器的详细内容请参阅参考文献 1 0 ，1 1 ，1 3 】。 3 3 1 通用定时器 每个事件管理器都有两个g pt i m e r ( 通用定时器) ，这些定时器可以为一些 应用提供时间基准，比如比较单元和p w m (