（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式技术的开放式数控系统的设计和研究.pdf

摘要 针对数控系统开放性差以及控制能力有限的问题，采用嵌入式技术对多轴机 床进行数字控制，旨在增强多轴数控系统的开放性、稳定性和任务调度的实时性。 本文在研究多轴数控系统的基础上，开发出以删为任务管理调度处理单元， 以a r m 和f p g a 为运动控制处理单元，具有软硬件可重构性和高度开放性的数 字控制系统，以满足多轴联动数控机床的工作要求。 为实现多轴数控系统的高性能，根据实际需求将高性能的删控制器 a t 9 l r m 9 2 0 0 同s t m 3 2 f 1 0 3 、f p g a 有机的结合在一起。以a t 9 l i u 9 2 0 0 微处 理器为核心，在此硬件平台上搭建l i n ：1 1 ) 【操作系统，实现对任务的调度和管理： 以s t m 3 2 f 1 0 3 为运动控制核心处理器，完成位置和误差控制；以f p g a 为协处 理器和接口扩展，完成编码器反馈和插补算法。设计过程中，采用了模块化设计 的思想，既减小不同信号之间的电磁干扰，又提高了系统的精确性和硬件平台的 可重构性。在搭建的硬件平台上，选择l i n u x 作为数控系统的操作系统，并进行 了u 舶o t 和内核的移植，并在此基础上进行数控系统软件的开发。利用l i n ：畎 能够支持稳定数据管理的特性，对数控系统的软件进行多任务并行设计，采用模 块化和层次化的方式，提升软件系统的运行速度，从而保证了运动控制的实时性。 在硬件平台和软件设计的基础上，完成了数控系统硬件电路的调试。硬件电 路的调试包括上位机调试和下位机调试。在上位机的测试中，完成了以太网曰、 串口、l c d 接口这些重要功能接口的测试，测试结果证明上位机能够实现人机 交互任务：在下位机测试中，完成了双口洲的调试、d a c 输出部分的调试、 手轮的调试和输入输出接口的测试，结果证明下位机能够通过双口r a m 正确接 收上位机的信息，并进行数据输出；由上位机和下位机组成完整的数控系统，利 用调试i o 板对数控系统进行模拟数据的输入，验证所设计数控系统的整体可行 性。实验结果表明，该方案的模块化设计较好的实现了数控系统的开放性，能够 应用于机床的稳定性加工控制。 关键词：数控系统；嵌入式；运动控制；双a 。r m ；f p g a a b s t r a c t t ba g a i n s tt l l ep b l 伽惦l o wr e a l 缸eq u a l i 锣柚dl i m i 伽c o n t la b i l i 锣e 】【i s t i l 玛 i nm e 蛐i l t i a 虹sc n cs y s t e m a 埘w 珊l l t i a x i sc n cs y s t e mb 勰e0 n 即1 b e d d e d 8 y s t e l n 、勰p r e s 嘶e d t h cp u r i ) o s eo f 也i sp r o j e c tw 嬲t 0 姐h a n c em e0 p 锄n e s s ， s 协b i l i 锣a n de n s u r et a l s k s 痂m el i n l i t s t h i sn l c s i ss t u d i e d 删l n i - a x i sc n cs y s t i 锄a n d d e v e l o p e dac n cs ) r s t 锄，w h i c ha r mw 嬲a d o p t c d 弱c o r cp c e s ra n df p g a w e f e a d o p t e d 嬲c o p m c e s s o r 1 1 1 i ss y s t e mh 勰r e - c 0 血g l l r a b l eo f 叩c n cs y s t i e m s s 仃u 曲鹏锄ds a t i s f i e dr e q u i 川恤m a c 岫n e e d so fm 枷- a 妇8c n c f o ri m p r 0 v i n gs y s t 锄p e r f 0 加砌c e ，t h ep 删e c th 鹪t h eu n i q u ec o m b i n a t i o no f h i g h - p e r f o m m c ec o n n 0 ld e v i c es 1 m 3 2 f 1 0 3a n dp r 0 笋a m m a b l el o g i cd e v i c ef p g a a c c o r d i n gt o 也ea c t i l a lc o n d i t i o n s a d o p e da r m 嬲c 0 托m i c r o p c e s s o r ，觚db 血l d l i n u xo p e r a n n gs y s t e mo n 也i sk i r d w a r ep l a 仃0 眦，t 0a c h i e v em et a s ko fs c h e d h l l i i l g a n dm 锄a g e m e m ；c h o o s es t m 3 2 f 1 0 3鹤m o 廿o nc o n 昀lp r o c e s rt oc o m p l e t c c o m p l 隧c o n 臼d la l g o 恤，姐f p g a 鹊c 0 - p r o c e s s 0 r 锄di n l 船f i a c ee x t e l 坞i 0 邶t 0 c o m p l 鼬et 1 1 em o v e m e n to ft t l em o t o rc o m l 蛆d 锄c o d c rf c e c l b k 舡l di n t e 船i v e c o m p u t i l 坞t h em o d l l l 盯d 鼯i g no fk u 帆a 豫i m p r 0 e s l es y s t e m sa b i l i 够o f 枷- j 赳瑚n i n g 姐da c c 珊佻y ：o nt h ek 叭h 仇p l a 仃0 脚呜s e l e c t c dt l l el i m 嬲o p a a t i n g s y s t e mo fn 删m 鲥c a lc o n 缸d ls y s t 锄，昀唧l 出埔e du - b o o ta n dk 锄e l ，a n do n 也i sb a s i s ， d e v e l o p e ds o n w a r eo fn 瑚n 耐c a lc o n t ls y s t e m u s el i n u xt op r 0 v i d es t a _ b l e l a t a m a n a g e 蚴ts l l p p o r tf e 曩t u r e sf o rm u l t i - t a s k i n gc n cs y s t c ms o r w a r ec o n c 1 e n t d e s i g n 璐em o d u l a r a n dh i 删c a l 锄m n e rt 0e n h a n c et l l es p e e do fm es y s t e i n m 吣 既圆l 面1 9 也em o t i o nc o m m li nr e a lt i l m o nm eb a s i so fh a 耐、硼r ed e s 匆1a n d f b 釉，c o m p l e t c 也ea 叮cs y s t 锄 k 咖a r ec 疵l l i td j b u g g i n g i nt h e 储to fm ek 畎h 儇陀c 心c l l 吒t h eu l ，p e r 锄dl o w c r c i 砌l i th 嬲b e 阻t e s t e d 1 1 lt e s to fn 坞u p p e rc 缸腼t ，t 1 1 ce t h 伽e ta n ds 鲥a lp o r t s ，l c d i n t e f f 配eo ft l l e s ei n l p o 删f i l n c 廿。璐o fm eh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c eh ；璐b e 阻t e s t e dt 0 m a k e 跚r et l l a tm e yc o u l d 丘n i s h 也em a c h i n e 锄胁c t i o nt a s k ；i nm el o w 盱m a c h i ： t e 鸭t h ed u a l - p o r tr a md e b u g g i n g ，d ao 岫p u ts c c 妇锄dh a n d 恤潮d e b u g g i n g ， t h em s u l t ss h o w 也a tm e1 0 w e rm a c 蛐ec a ne 任e c 6 v er e c e i v ei n f o 加豫矗o n 丘o mu p p e r c 如咖t 锄da c c o m i i l gt 0 也eh o s tc o m p u t c ri n f 0 i n 瞰l t i o nt 0c 0 玎e s p o n do u t p u t t h e u p p e r 雏d1 0 w e rm h i 】南删ac o m p l e t ec n cs y s t e 玛岫ed e b u gi ob o a m 协g i v e t 1 1 es y s 白e m 锄a l o gd a t ai n p u tf o rv e r i 旬抽gm e f c 觞i b i l i t ) ，o f 山ed e s i 伊o ft l l ec n c s y s t 锄t h ee x p e r i 珈舢l 协lr e s u l t ss h o w 也a tt l l em o d u l a rd e s i j 乒o f 1 ep r o g r a m r e a l i 刎0 no f 也ec n cs y s t e m0 p 锄鹤s ，锄dc 锄b es t a b i l i t ) rl l s e di n 抢p f o c e s s c o n t r o lo fm em a c h i t h e 唧池e n t a lr e 叭l t ss h o wt 1 1 a tt 1 1 em o d m a rd e s i g no ft 1 1 e p 舯r 船l 砌m e 叩e n s so f c n cs y s t e m 趾dt h es y s t e mc 缸b es 协b i l i t yu s e di n t 1 1 ec 0 n t r o lp r o c e s so fm c h i n i n gp a n s k e y w o r d s ：1 1 1 em n e 血a lc o n 们ls y s t 锄，e m b e d d e d ，m o 哟nc o n 仃d 1 ，d u a l 舢蝴， f p g a 堋i l i l i 1 1 | l l 1 1 l i l 吣 学位论文的主要创新点 ：y 2 0 5 8 9 8 9 一、本系统整体上采用双删作为核心处理器，并且在运动控 制板中使用f p g a 作为协处理器，通过使用多处理器来提高数据的分 析处理能力，同时采用模块化的设计方案，方便用户对数控系统功能 的扩展和修改。通过运动控制板中的核心处理器为数控系统主轴控制 提供2 路独立的d a 转换通道，从而可以使系统能够适用于双主轴， 本系统能实现四轴联动。 第一章绪论 1 1 选题的意义 第一章绪论 随着社会的进步和科技的发展，制造业已经成为各种产业的支柱，在国民 经济中的地位愈加凸显的重要，并将直接影响一个国家综合国力的提升，甚至 关系到全局战略地位。制造技术的不断发展，对加工制造系统的柔性和适应性 提出了更高的要求，现代制造系统正向着精密化、柔性化、虚拟化、网络化、 智能化、集成化、全球化的方向飞速发展。随着市场需求的变化，系统也体现 出个性化和多样化的特点。 数控系统作为现代机械制造系统的重要基础设备之一，其现代化程度很大 程度上决定了制造业水平的高低，并已被当作衡量一个国家工业技术发达程度 的明显标准。自从美国麻省理工学院与帕森斯公司合作的第一台铣床控制装置 面世以来，几十年间数控系统得到了飞速发展。以微电子技术为基础，传统的 机械制造技术与现代控制技术、传感检测技术和信息处理技术及网络通信技术 有机地结合在一起，构成高度信息化、高度柔性、高度自动化的数控系统；另 一方面，现代微电子技术的飞速发展使得微电子器件的集成度和信息处理能力 不断提升，价格不断降低，进一步促进了微型计算机在机械制造领域的广泛应 用。在当今的先进化制造技术中，计算机数控技术已发展变成了一个重要的组 成部分。这都使得数控系统在高速度、高精度、多功能、智能化和高可靠性等 方面得到迅速提高。 1 2 数控系统概述 数控系统是用数字化信息控制技术来实现自动控制的系统，其控制的对象 可以是各种生产过程。从本质上来说，数控系统是一台专门用来处理机床加工 信息的微处理器。系统能够阅读输入到载体上事先给定的数字值并将其译码， 根据译码的结果，控制机床自动加工零件的【。它有如下特点： ( 1 ) 可以用不同的字长来表示不同的精度信息，表达信息准确； ( 2 ) 可进行逻辑和数学运算、进行复杂的信息处理； ( 3 ) 可通过用软件编程的方法来设置系统信息处理的方式或过程，而不需 要必须改变硬件平台的结构，这就可使机械设备具有了一定的“柔性”； 天津工业大学硕士学位论文 基于数控系统的上述优点，被广泛应用于机械运动的轨迹控制，如机床、铣 床、加工中心、绘图机、测量机等的控制。 对于传统的数控系统来说，其硬件平台和软件构架都是只面向自身的、专用 的，系统中的各个模块之间在交互方式、通信机制上各不相同，这就导致了系统 之间自成一体、互不兼容。上述这些弊端造成了不同厂家的控制系统相对独立、 彼此封闭，数控系统的这一现状已经不能适应当今制造业的变化和竞争，无法适 应市场需求的多样化发展，也无法紧跟上现代制造业中信息化、敏捷制造模式的 发展趋势。因而许多国家都纷纷加紧开展数控机床开放式结构控制系统的研究和 应用。根据i e e e 对开放式数控系统的定义，开放式的系统应该能在多种不同的 平台上运行，能够与其它系统进行互操作，并能给用户提供一致的交互界面【2 】。 开放式数控系统具有以下几方面的特征： ( 1 ) 模块化：模块化包含两个方面：一方面是指数控系统的功能，即系统 的各个功能可以根据使用需求的不同而进行选装；另一方面是指系统的内部体 系结构，算法在数控系统内部的作用是实现系统的各功能，它应该是可分离、 可替换的p j 。 ( 2 ) 标准化：系统有一套完整全面的标准，这些标准是由行业联盟制定并 公布的，其中包含了硬件和软件的各种接口标准，这就可以使各个公司的产品 之间可以相互拼装，实现系统部分功能的升级的同时，而不会影响系统内的其 它功能。模块化是标准化实现的基础。 ( 3 ) 平台无关性：系统的性能并不绝对建立在特定的硬件平台和操作系统 平台上，数控系统与包括计算机在内的外设之间的接口定义标准、明确，在所 支持的软件环境中要实现系统的跨平台移植，只需要进行重新编译就可以。 ( 4 ) 可再次开发：开放式系统允许用户进行二次开发，其中包括根据实际 需求对系统的参数重新设定、对功能模块进行重新配置、对用户界面的重新设 计以及用户按照规范可以将自己设计的功能部件加载到系统中去。 ( 5 ) 适应网络操作方式：网络技术的迅猛发展使其在工业系统中的应用变 得非常重要，因此在开放式数控系统的设计中需要给予充分考虑。通过网络可 以向数控系统传递零件的加工程序、加工指令、完成远程监控。随着网络技术 的提高，完全可以通过网络实现大量数据的高速传递，完全适应实时控制的要 求。 1 3 嵌入式在数控系统中的应用 按照嵌入式的定义，把以计算机技术为基础，以应用为目的，其软、硬件 第一章绪论 可根据需要来剪裁，能满足系统在功能、成本、功耗等方面严格要求的专用计 算机系统叫做嵌入式系统，也就是说利用嵌入式技术能够把计算机直接嵌入到 应用系统之中，它融合了计算机软硬件技术、通信技术和微电子技术，是集成 电路发展过程中的一个标志性成果【4 】。在数控系统中引入嵌入式技术使其不但 具有n c 系统的可实时性控制、高可靠性、低成本及低功耗的优点，而且使其具 有和基于p c 平台一样的良好的开发环境、丰富的软硬件资源、以及操作系统、 用户界面友好的特点。 嵌入式技术的飞速发展，带动了各种高性能微处理器的不断推出，处理器的 处理速度不断提高，片上资源也愈加丰富，极大的方便了对于符合设计要求的处 理器的选择。嵌入式中的硬件模块和软件系统，都可以根据需求进行量身裁剪， 因此在系统的软件运行中不存在冗余的任务运行，嵌入式系统强大的实时性和多 任务调度分配能力，能够满足数控系统调度频繁和高实时性的要求，软件包括管 理软件和加工控制软件，控制软件主要负责程序译码、刀具补偿、伺服控制、插 补运算等功能。用于数控系统的嵌入式硬件主体是计算机，采用f l a s h 闪存代 替硬盘，把系统程序固化在闪存里，能够满足在恶劣环境下运行的要求，提高了 系统的稳定性。将嵌入式应用于机床的数控系统除具有诸多同p c 一样特性外， 还极大的满足了机床对控制系统集成度高、体积小的要求。基于数控系统的以上 优点，在本课题中采用了嵌入式技术的设计方案。 1 4 数控系统研究现状 自美国于1 9 8 9 年率先提出开放式数控系统的概念并实施n g c 计划之后，欧洲 和日本积极响应，分别相继推出了自己的o s a c a 计划和o s e c 计划。西方先进国 家早已设计研制出自己的数控系统，并在此基础上发展成产业化，凭借其先进的 技术在先进制造业领域处于垄断地位。现在世界上应用最为广泛的数控系统是德 国西门子数控系统和日本f a m 圮数控系统。 国内企业在关于开放式体系结构数控系统的研究和开发方面做了大量的工 作。早在“八五”期间，我国就自主开发了具有自主产权的数控系统。提出了两 个基本系统：开发中华i 型和航天i 型，并实施平台战略，基于这些基本系统发挥 中国的软件优势，发展我国的数控产业。 目前除了企业之外，很多高校和科研院所也正在对开放式数控系统进行研 究，研究方向主要集中在系统结构的建模、搭建软硬件平台、工具的支持等，并 在基于软件芯片的开放式数控系统的设计方面进行了实践。天津大学设计了可重 构的混联机械手模块a l i a n t ，南京航空航天大学、西北工业大学和西安理工 天津工业大学硕士学位论文 大学等进行了基于模块化设计的可重构机床理论探索【5 】。目前国产数控系统已经 占领了一定的市场份额，出现了一批具有一定规模的生产企业，像华中数控、广 州数控、航天数控、华兴数控、凯恩帝数控等企业已形成具有一定知名度的自主 品牌。虽然部分实力较强的国产数控企业已推出高档数控系统，但由于与国际先 进水平尚存在差距，国产数控系统还主要装备于中低档的数控机床。从数控系统 发展的趋势来看，它们还不完全具备开放性、互操作性、可移植性、可扩展性和 可互换性的本质特征，关于开放式控制系统的概念仍然比较模糊，而且开放式控 制系统的平台问题还没有彻底解决，难以进一步升级和开发。各系统所采用的体 系结构没有统一标准，各个系统之间自成体系，相互间的兼容性和互换性较差。 1 5 本文研究的内容 本论文要完成的设计是开放式数控系统，设计目标是在以开放式数控系统为 基础，利用a r m 、f p g a 、单片机等嵌入式芯片，实现数控系统的功能性和可重 构性，通过上位机( 主板) 和下位机( 运动控制板) 之间的有效结合，构成一套 完整的数控系统，能够完成对机床加工的控制。 本设计完成了以下工作： 1 、根据设计目标搭建起以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为系统管理核心，以s t m 3 2 f 1 0 3 和 f p g a 为运动控制处理单元的硬件电路： 2 、基于本系统是开放式多轴数控系统，需要根据系统对任务的管理要求， 选择l i n u x 操作系统，对引导程序和内核进行了移植。 3 、在完成硬件设计和系统的移植之后，测试硬件电路中接口电路和功能模 块，并对数控系统进行整机测试，验证设计的可行性。 第二章系统总体结构设计 2 1 设计要求 第二章系统总体结构设计 为了能够适应开放式系统的发展趋势，使系统主板和运动控制板具有较强的 可重构性，便于丰富产品的开发种类，缩短后续产品的开发周期，满足不同的需 求，本设计基于以下要求进行设计： 可扩展性：包括规模可扩展性和换代可扩展性，规模可扩展性是在硬件结构 上可以通过增减组成数控系统的模块来改变其功能或改进性能；换代可扩展性是 指构成整个数控系统的硬件和软件可以根据日后产品的更新及技术的发展来进 行升级 6 】。 可移植性：在不同厂商提供的平台上，要求数控系统都能够运行，并且系统 的功能软件与硬件设备之间不应该存在必然的依赖性。 互换性：构成数控系统的部件不是固定的、专用的，而是能够根据需求、性 能或可靠性等的要求不同，可以选择另外的部件来替换。 互操作性：这是构成系统的各个模块之间协调工作能力的体现。互操作性的 实现需要一个标准和统一的通讯系统来支撑，这个通讯系统内包含标准的交换协 议，在此协议下允许数据相互交换。 2 2 硬件电路总体概述 本设计中的硬件电路部分采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 和s t m 3 2 f 1 0 3 来分别作为上 位机和下位机的核心处理芯片，其中a t 9 1 r m 9 2 0 0 的主频可以达到l8 0 m h z ， s t m 3 2 f 1 0 3 的工作主频为7 2 m h z ：在主板中使用了辅助芯片来完成键盘输入信 息的处理，以减轻主c p u 的负荷，辅助芯片采用单片机a 州e g a l 6 l ；下位机 中还采用了f p g a 作为协处理器，负责编码反馈；采用1 6 1 6 b i t 的片上r a m 和 5 1 2 宰1 6 b “的片外扩展洲作为数据的存储器；通过自定义的总线完成上位机与 下位机通信；系统包含2 路1 2 b i t d a ，能够实现四轴联动。电路板的设计分为顶 层、底层、电源层和底层这4 层，电路的各个功能分模块设计，各个模块可根据 需求单独修改，可进行软件和硬件的重构和扩展；上位机和下位机的电路都具有 复位和断电保护功能，保证工作安全和可靠。 天津工业大学硕士学位论文 2 3 系统结构 c n c ( 数控机床) 系统的软件是一个数控系统控制功能变化和发展的灵魂， 一方面它给数控系统提供完整的功能控制；另一方面它是对功能进行后续扩展和 开发的基础，甚至在开发周期内也是指导整个系统进行扩展、更新和维护的基础。 因此，对系统软件体系结构的研究不但直接影响数控系统的性能和生存周期，也 关系到数控系统的用户能否对其进行功能的裁剪和正常使用。 操作系统、c n c 管理软件和控制软件等几部分组成数控系统的软件部分。 其中，操作系统是应用程序开发和运行的基础；c n c 管理软件负责程序的管理 和调度，包括加工程序的输入喻出、系统的状态显示等；控制软件负责完成系统 的加工控制功能，包括加工数据的处理、插补算法、刀具补偿、位置控制、速度 控制、机床的辅助控制等。 数控系统的整体设计思路以及所采用的架构，会在很大程度上决定数控系统 所具有的性能。本系统充分利用开放式数控系统的开放特性，采用从底层到项层 的方案。流程如图2 1 所示。 图2 1 系统开发流程 首先，根据实际需求编写任务书和设计方案，确定各个芯片的型号，确定软 硬件分工。硬件方面，根据要求画电路原理图、确定p c b 板层数、硬件布局等， 制板后进行硬件的调试；在软件方面确定操作系统平台、应用程序的结构以及选 第二章系统总体结构设计 择编程语言，并进行调试及仿真，最后进行软硬件的联合调试。 2 3 1 硬件架构 本设计要搭建用于数控机床的控制系统中的硬件平台，在提出硬件电路的设 计时考虑到实际机床在实际工作中的各方面条件，特设计如下：根据机床所能提 供系统空间的大小，将p c b 板的尺寸设置为2 5 0 m m 1 5 0 衄；根据机床工作环 境中抗干扰性，将板层设计为4 层，并且根据设计中所需要控制系统满足的技术 指标和所购芯片在供货渠道上的稳定性来选择具体的电子元器件。 主板电路即数控系统的上位机，主要功能是进行人机之间的交互，并将各种 机床的操作指令通过自定义的系统总线传递给下位机，再由下位机控制机床电机 运动完成加工任务。l c d 液晶屏用于显示机床的操作过程、各种参数的设置、 程序的烧入及调试过程，r s 2 3 2 用来向数控系统传输加工程序，r s _ 4 8 5 接口用 作数控系统和外部设备之间的信息交互，由u s b 接口实现n c 加工代码的整体 直接上传或下载，由以太网接口可以实现系统的在线升级及文件的网络传送和修 改。主板硬件结构框图如图2 2 所示。 u s b r s 2 3 2 接口 4 8 5 s d 卡 a r m 以太网 接口 接口 t 丁 系统总线 图2 2 系统上位机硬件结构 运动控制板即数控系统的下位机，主要功能是对机床的伺服电机的运动位置 和误差进行控制来完成加工任务。其控制过程是：下位机首先利用双口黜m 接 受上位机传来的数据信息，然后将所接受的数据经下位机核心处理芯片 s t m 3 2 f 1 0 3 处理后经过数模转换传递给伺服驱动器，从而来控制伺服电机的转 天津工业大学硕士学位论文 动，实现零件按照所需要求进行加工。控制板硬件结构框图如下图2 3 所示。 2 3 2 软件架构 图2 3 系统下位机硬件结构 本设计中采用资源丰富、应用广泛的l i n ：峨系统作为数控系统的操作系统。 l i i l u x 是一个典型的多任务多用户操作系统，系统能够提供进程和线程机制，每 个线程和进程都是独立的执行绪，并且在调度程序的调度下分时并行进行【7 j 。 l 证i l 】【不仅能够支持多种文件系统，而且还能够提供稳定的数据管理支撑，在其 开放的框架下，使用者可以根据自己所选用的设备编写驱动程序，从而可以方便 的使用外设。 系统中功能模块的多线程并行执行主要表现在管理线程和控制线程上。管理 线程主要完成系统的管理工作，其中包括设备初始化、程序和参数的管理等任务； 控制线程主要完成控制相关的工作，其中包括指令译码、速度规划等控制任务。 电机驱动控制、轨迹插补、速度规划、指令译码这些程序和数控机床的加工过程 密切相关，是数控系统功能的核心，对实时性要求比较高，属于强实时性任务； 涉及人机交互、存储信息管理、通用i o 控制等，它们对实时性要求比较低，即 使未能及时执行一般也不会影响到加工过程，属于弱实时性任务，对这些功能模 块不同实时性的设计，我们可以在l 蛔暇系统平台上方便的实现。l i n ：1 1 ) 【操作系 统的软件体系如图2 4 所示。 第二章系统总体结构设计 l i n 弧的应用接口( a p i ) 系统调用 主控运动控制交互网络 模块模块模块 模块 l i i i u x 操作系统层 付詈柠制译码控制中断仲裁 堆栈管理l 内存管理时钟管理动态监测 任务管理通信管理插补管理键盘任务交互显示文件管理网络支持 l i n u 】【的应用接口( a p i ) 系统调用 存储驱动i o 驱动电机驱动网络驱动其它系统驱动 硬件层 2 4 本章小结 图2 - 4 操作系统软件体系结构 本章首先对数控系统设计过程中的设计要求和硬件总体电路进行了简单叙 述，然后介绍了系统的硬件整体框架和软件整体框架。硬件介绍部分将硬件平台 分成主板和运动控制板两个大部分，并分别对这两个部分的作用和组成做出了简 要说明；软件部分介绍了所采用的操作系统和操作系统的典型优势，以及系统多 线程在系统中的应用。 天津工业大学硕士学位论文 l o 第三章数控系统主板设计 第三章数控系统主板设计 数控系统硬件电路分为上位机和下位机两部分，上位机即数控系统的主板， 主要负责完成通信管理、网络管理、人机交互、指令译码、轨迹插补、故障诊断 等功能。 3 1 主板设计方案及处理器的选择 数控系统上位机的设计，主要有两种设计方案可供选择：基于p c 机和基于 删处理器。基于p c 机的方案是，通过p c 机和微控制器接口板来实现对数控 机床的控制，即把p c 机作为数控系统的上位机。如图3 1 所示。 司1 c n c j 串行接口 1oi t l t ，1 t t 信号转换 司 6 1 业m o u恪 一j 机床 d o w s 运行 系统 图3 1 基于p c 和单片机接口板的数控系统框图 在此种方案中，p c 机和接口板中的单片机通过r s 2 3 2 标准串口进行通讯， 数控系统数据信息的计算和处理实际上主要在p c 上完成，n c m p ( 数控微代码执 行单元) 只能实现n c m ( 数控微代码) 代码流的几种基本的执行功能，在实验 中n c m 的功能较精简，成本较低，所以这种方案中的n c m 结构相当紧凑，比 较适合简易雕刻机、绘图仪、扫描仪、打印机、和小型数控机床等设备的自动化 控制，该方案中的n c m 是基于廉价的8 位微控制器的纯软件算法，但由于在数 控流水线技术中大吞吐量的运算均在p c 机上完成，因此只是针对于中、低速步 进电机的3 轴控制而言，这种简易的n c m p 可以满足要求。 随着计算机技术的发展和创新，嵌入式微处理器的性能也得到了迅速提升， 例如删嵌入式处理器和d s p 嵌入式处理器。由于删处理器集成了大量片上 外设资源、性价比高，而且在删中运行l m x 操作系统来控制软件运行的架构 和基于p c 机的方案是一致的。基于嵌入式的数控系统体积小巧轻便，便于拆卸 和更换，所以基于删微处理器的数控系统就更为方便和实用。基于以上考虑， 天津工业大学硕士学位论文 本设计中的主板采用了基于a r m 嵌入式为核心处理器的方案。 上位机核心处理器采用a 1 【】m e l 公司删9 系列的a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，它是一款基 于a r m 9 2 0 t 内核、n 眦n b 指令处理器的低成本、低功耗系统集成芯片。它集成 了一套丰富的系统和标准的外围设备接口，能够提供一个完善的计算密集型单芯 片解决方案。 a t 9 l i u 订9 2 0 0 芯片上有一个低延迟外部总线接口( e b i ) ，同时还集成了一 个高速片上s r a m 工作区，e b i 集成了同步d r j 蝴( s d r a m ) 、b u r s tf l a s h 和 静态存储器的控制器，并有特定的电路连接s n m 铂c d i a 、c f 卡和n m 呵df l a s h ， 高级中断控制器( 甜c ) 提供了多个向量，可以区分不同优先级的中断源，以减 少转移中断处理程序所花的时间，提高了a r m 9 2 0 t 处理中断的性能。外设数据 控制器( p d c ) 提供了所有的串行外设d 蝴道，使它们在无需处理器干预的 情况下，实现片上和片外存储器的数据传输，这就降低了处理器处理连续数据流 传输的开销，并行i o ( p i o ) 控制器与通用i o 的复用外设输入输出线，对设备 的配置具有最大的灵活性，每个接口都有输入电平变化中断和可编程的上拉电 阻。电源管理控制器( p m c ) 保证了系统的最低功耗，在软件控制下选择性地启 用禁用处理器和各种外设，使用增强的时钟发生器提供时钟信号，包括一个缓 慢时钟( 3 2 7 6 8 k h z ) ，使得处理器能够在任何时候优化功耗和性能。a t 9 1 i u m 9 2 0 0 内部集成了u s b2 0 接口和在网络连接层中广泛使用的l o 1 0 0b a s e - t 以太网媒体 访问控制器( m a c ) 接口等许多标准接口，除此之外，a t 9 l 肼9 2 0 0 还提供了a g - i c e 、u m 汀调试通道( d b g u ) 和嵌入式的实时跟踪调试功能。这些特性为开 发和调试程序提供了极大的便利。 在硬件平台的构建过程中，同样采用模块化的设计思想以方便对系统功能的 修改和升级，提高系统的开放性，还便于在p c b 板的设计中对各个器件的位置合 理布局。按功能可将系统分为电源模块、存储模块、键盘输入模块、串口和网口 模块、j t a g 和复位模块几部分。 3 2 电源模块 主板的电源接口同下位机一样也是采用5 v 电源输入接口，考虑到数控系统 的工作环境有可能在户外或是在周围电磁场较复杂的环境，有可能存在脉冲浪涌 等情况，另外主板中设计有通信串口需要使用隔离的独立电源，因此用d c d c 电源隔离模块对5 v 主电源进行隔离输出，以提供系统所需要的独立电源。d c d c 隔离模块采用陟s 5 1 0 0 a ，单路输出，下位机中的电源隔离电路也是采用同样 的方案。电路连接如图3 - 2 所示。 第三章数控系统主板设计 1 1 一。一甲 一二p u i1襽 l b ll l 悼 m c 哦 m 埘l 托v l i o 吁 毫站 h 3 2 主板隔离电源原理图 板的核心处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 需要1 8 v 和3 3 v 的电源，而且不需要特别的 电时序。通过电源转换电路来实现降压可以分别给芯片提供1 8 v 和3 3 v 的电源 入。电压转换芯片采用了一款低压差电压调节芯片，型号是l m l l l 7 系列调压 片，其压差在1 2 v 输出，负载电流为8 0 0 m 八时为1 2 v ，能够提供电流限制和热 护，其产品型号中包括1 8 v 和3 3 v 两种，可以满足设计的需求，因此采用 m l l7 1 8 s o t 2 2 3 、l ，m 1 17 3 3 s o t 2 2 3 来实现降压要求，采用同一种降压芯 ，还可以方便在后期制版焊接的过程中的器件采购。1 8 v 和3 3 v 的电压转换原 类似。电压转换电路如图3 3 所示。 1 0 l l 3 存储模块 = = 3 3v 转1 8 v 电路图 3 1a n dl a s h 存储模块电路设计 于n 触帕f l a s h 断电后，芯片中的数据不会丢失，所以经常被用来存储 天津工业大学硕士学位论文 b 0 0 0 a t e r 、l i n _ u x 内核和系统文件等重要的不可失文件。本设计中采用的n a n d f l a s h 闪存芯片为三星公司的k 9 f 1 2 0 8 ，它具有6 4 m 幸8 b i tn a n d 的闪存并且有一 个2 m 木8 b i t 的备用存储空间，芯片读写速率高，页中的数据可以以每字节5 0 衄的 周期时间速度读出，i o 引脚可以作为地址和数据输入输出端口，片上写控制器 具有自动编程和擦除功能，具体包括：必需的脉冲重复，数据的内部核查。电路 连接如图3 4 所示。 v d d 3 v 3 嚣撂荔嚣譬雩蠹星蚤 “r 龟 黧 8i 鼍【：芋 黼i 篮 2 7 姗 z 1 w 麓 矿 2 l 篙 盆 溪 矿 v d d 3矿v 垮l f 3 j1 2 懈 l 篙 旷一t l” 2 巴pa 1 _ 二型n 、征 耄 n c 搋 厂t 1 3 一1 9j 】 3 6 v 藩 研 6 懈u u u u u u u 嗣蓼静洲 z z 譬z 2 z z z z 图3 4 n a n d h a s h 电路图 k 9 f 1 2 0 8 映射在处理器的b 髓k 3 地址空间，将外部总线接口( e b i ) 的片选 分配寄存器的第3 位置成1 ，从而把片选3 ( n c s 3 ) 分配给静态存储控制器( s m c ) ， 并激活n 6 凼df l a s h 接口电路。k 9 f 1 2 0 8 被分成0 4 区五个分区。每个分区的 存储内容分别是：0 区存储系统启动时的引导程序，l 区存储l i n u x 内核，2 区 存储根文件系统，3 区存储主应用程序，4 区存储用户的加工程序。由于芯片i o 口复用，所以使用命令锁存使能( c l e ) 和地址锁存两个信号( a l e ) 来区分 传送信号。r b 引脚是芯片的状态引脚，当芯片正在进行读写操作时它的值是 低电平，当完成后会向删返回高电平，连接到删的i o 引脚p c i 4 上。c l e 、 a l e 和分别是指令锁存器使能、地址锁存器使能引脚，接到系统总线地址位上， c e 端接a t 9 l r m 9 2 0 0 的引脚p c i 5 ，w e 端接a t 9 1 砌讧9 2 0 0 的s m w e 引脚，r e 端接a t 9 l r m 9 2 0 0 的s o m e 引脚，i o 端口i o o ：7 】接入数据总线d 1 5 ：o 】。 3 3 2s d 删存储模块电路设计 与f l a s h 存储器相比，s d 洲掉电后芯片中存储的数据会丢失，但是其 存取速率却比f l a s h 存储器高，因此s d 删主要被用来作为程序的运行空间。 系统启动代码位于复位地址0 x o 处，系统启动后a t 9 1 r m 9 2 0 0 先读取启动 第三章数控系统主板设计 代码来完成初始化，然后程序代码被读取到s d r a m 中并运行。系统及用户的堆 栈和需要处理的数据也都放在片外s d 洲中。a = r 9 l 蹦9 2 0 0 片内集成了 s d r 气m 控制器。 在本设计中使用了两片3 2 m b 、h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 t 并联组成3 2 位“m 字节 s d 洲存储器，以保证了有足够空间运行系统文件和复杂的程序，其中一片为 高1 6 位，另一片为低1 6 位，将两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 t 作为一个整体配置至 a t 9 l r m 9 2 0 0 的d r a m s d r a mb 锄k o 。电路如图3 5 所示。 因为两个s d r a m 都是1 6 位的，所以将它们并联后形成一个3 2 位的统一存 储体，除了数据线和l d q m 、切) q m 外，其余的引脚都是共用的。l d q m 、切) ( ) m 为s d r m 的高低位片选信号，访问存储器时通过分组选择信号b a l 、b a 0 选 择存储体。两片s d r a m 的c l k 引脚连接到删的s d c k e ，c k e 连接到删 的s d c k ，黜峪连接到r a s ，c a s 连接到r a m 的c a s ，b a o 接b a d ，b a l 接 b a l ，地址线与删的地址线接口相连。两片高1 6 位片的d 【1 5 ：0 】接到删 的d 【1 6 ：3 1 】，低1 6 位片的d 【1 5 ：0 】接到a i 蝴的d 1 5 ：0 】，高1 6 位片的l d q m 接n b s 2 ，1 j 1 d q m 接n w r 3 n b s 3 ，低1 6 位片的l d q m 接n b s 0 ，切) q m 接 n 、r 1 n b s l 。 3 3 3s d 存储卡模块电路设计 由于s d 卡存储空间大、成本低，a t 9 l i 泓9 2 0 0 内部集成了多媒体卡总线接 口m c i ，支持s d 存储卡规范v 1 o ，所以本系统扩展了s d 存储卡接口，以方 天津工业大学硕士学位论文 便用户存取加工程序。m c i 接口通过a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p i o 接口与外设连接，提 供m c c k ( 时钟输出) 、m c c d x ( 命令响应接口) 和m c d x o m c d ) ( 3 ( 数据 接口) ，从而实现与s d 卡的控制和数据交换。s d 存储卡与上位机c p u 的连接 需要m c i 接口和两根控制线，p b 9 引脚的作用是检测s d 卡在卡座上插入的完 好性】，完全插入时该引脚为低电平，否则为高电平。s d 卡座上1 0 号引脚岍 用来指示s d 卡的写保护状态，该引脚为高电平时表示写保护，否则为低电平。 s d 卡端提供所需电压由3 3 v 电源来提供。电路如图3 6 所示。 v 嘞v 3 3 4 总线缓冲模块 图3 6 s d 存储卡电路 由于系统中a r m 挂载的外围设备较多，包括n a n df l a s h 、s 删、显存， 为了减少数据传输线的数目，采用总线传输方式来实现相互之间数据通信和传 输，提高删的利用率。总线缓冲器采用1 r i 公司的s n 7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 ，它是 一款1 6 位( 双八进制) 的同相3 态收发器，只需要3 3 v 低电压，能够提供一个 t r l 接口到5v 的工作环境。它可以被用来作为两个8 位收发器，也可以作为 一个1 6 位收发器，由方向控制( d m ) 的逻辑电平输入来控制数据方向是从a 总线到b 总线还是从b 总线传输到a 总线，输出使能( o e ) 输入可以用来禁 用设备使总线有效隔离。方向控制( d i r ) 输入和输出使能( o e ) 输入的逻辑 电平激活b 端口输出或a 端口输出或使两个端口同时进入高阻抗模式。芯片发 送从a 总线到b 总线的数据时，b 端口输出被激活；数据从b 总线到a 总线时， a 端口输出被激活。a 和b 端口输入电路始终处于活动状态，必须有一个逻辑 第三章数控系统主板设计 高或低电平，以防止多余的i c c 和i c c z 。电路如图3 - 7 所示。 v d d o v 3v d d b v 3 图3 7 总线缓冲电路原理图 在本系统中设计了三个总线缓冲器，其中两个芯片的1 d i r 和2 d 瓜引脚3 3 v 以保证一直高电平，1o e 和2 0 e 引脚接地以保证一直低电平，固定数据的传输 方向只能从端口