（机械电子工程专业论文）基于arm的数控雕刻机控制系统研究与设计.pdf

基于a r m 的数控雕刻机控制系统研究与设计 搐要 随着信息化、智能化、网络化的发展，数控雕刻机的应用越来越广泛，基 于嵌入式系统的数控雕刻机也以多样化的形式迅速发展起来。 作者在对嵌入式系统、雕刻技术进行深入分析研究的基础上，提出了基于 a r m 的数控雕刻机控制系统的总体设计方案，建立了基于3 2 位微处理器 s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台及基于i - l c o s i i 操作系统的软件平台。控制系统采用模 块化设计，主要模块包括：控制核心c p u 模块、存储器模块、调试接口模块、 数据传输模块、人机交互模块、电机控制模块。论文研究了u s b 主机系统，实 现了对u 盘的读写操作；研究了微处理器s 3 c 4 4 b o x 的p w m 工作原理以及交 流伺服电机的工作原理、控制方法，提出了基于p w m 方式的电机控制方法。 系统应用软件采取模块化设计，由“c o s i i 操作系统完成各任务之间的管理调 度，实现相应的控制功能。 关键词：数控雕刻机： s 3 c 4 4 b o x 微处理器；嵌入式系统；脉宽调制； 通用串行总线 r e s e a r c ha n dd e s i g no nc o n t r o ls y s t e mo fn ce n g r a v i n g m a c h i n eb a s e do na r m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n ，i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r k ，n ce n g r a v i n g m a c h i n ei sw i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a s n ce n g r a v i n gm a c h i n e ，b a s e do nt h e e m b e d d e ds y s t e m ，i sa l s or a p i d l yd e v e l o p e di nag r e a td i v e r s i t yo f w a y s w i t hi n - d e p t hs t u d yo f e m b e d d e ds y s t e ma n dn c e n g r a v i n gm a c h i n e ，t h ea u t h o r p r o p o s e sa no v e r a l ls c h e m ef o rn ce n g r a v i n gm a c h i n eb a s e do i la r m ，a n da sw e l l ， s e t su pah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do ns 3 c 4 4 b o xa n das o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do n p c o s i i t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db ym o d u l e ，w h i c hi n c l u d e sc p uc o r e m o d u l e ，m e m o r ym o d u l e s ，d e b u g g i n gi n t e r f a c em o d u l e s ，d a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ， h u m a ni n t e r f a c em o d u l e ，a n de l e c t r i c a lc o n t r o lm o d u l e t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e s u s bh o s ts y s t e m sa n dh a sr e a l i z e dr e a da n dw r i t eo p e r a t i o no ft h eud i s c b a s e do n d e e p l ys t u d yo nw o r kp r i n c i p l e sa n do p e r a t i n gm e t h o d so f p w ma n da cs e l w om o t o r , t h ea u t h o rp r o p o s e st h ee l e c t r i c a lc o n t r o lm e t h o d sb a s e do np w m w i t hm o d u l a r d e s i g n ，p r a c t i c a ls o r w a r ef o rs y s t e mc o m p l e t e st h et a s k - m a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g a n da c h i e v e st h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lf u n c t i o n sb a s e do np c o s - i ic o n t r o l s y s t e m k e yw o r d s ：n ce n g r a v i n gm a c h i n e ；s 3 c 4 4 b o xm i c r o p r o c e s s o r ；e m b e d d e ds y s t e m ； p w m ；u s b 插图清单 图2 1 数控雕刻系统示意图5 图2 2 嵌入式系统架构6 图2 3 系统设计开发流程图8 图3 1 基于a r m 微处理器的硬件平台体系结构1 0 图3 - 2s 3 c 4 4 b o x 微处理器体系结构框图1 2 图3 3s 3 c 4 4 b o x 系统存储器映射1 4 图3 - 4 系统电源电路1 5 图3 - 51 6 位f l a s h 存储系统电路图1 6 图3 - 6s d r 铷订硬件连接图1 8 图3 - 7m a x 2 3 2 接口电路1 9 图3 8 键盘接口电路2 2 图3 - 9e p s o ne g l l 4 7 硬件接线图2 5 图3 - 1 0 电机驱动接口电路2 8 图3 1 l 电机信号隔离图2 9 图3 1 2 继电器隔离示意图3 0 图3 1 3 光耦隔离示意图3 1 图4 1 最简单的u s b 系统模型3 4 图4 2 标准u s b 描述符层次图3 6 图4 - 3u s b 主机系统结构3 7 图4 - 4s l 8 1 1 h s 功能模块框图4 0 图4 5s l 8 1 1 h s 硬件连接图4 3 图4 - 6u s b 主机的软件流程图4 4 图4 7b u l k i n 流程4 7 图5 1 嵌入式系统软件结构4 8 图5 - 2 系统应用软件结构框图4 9 图5 - 3 数据处理示意图一s 2 图5 4 插补算法流程图5 3 图5 5 键盘控制流程图5 5 图5 - 6 汉字显示流程5 6 图5 - 71 6 位p w m 定时器框图5 9 图5 8p w m 控制流程图6 2 表格清单 表3 1 存储器地址连接一1 7 表3 21 4 针j t a g 接口定义2 0 表3 3 键盘按键功自& 表2 l 表3 - 4a m 2 6 l s 3 1 功能表。2 8 表4 1s l 8 1 l h s 寄存器表4 2 表5 - 1 输出频率。6 l 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 盒熙兰些太堂 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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：毒访翠 签字日期：知6 年中月弦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍工业盔堂有关保留、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。本人授权金 罂王些去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、汇编学位论文。 ( 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：分才学 签字日期：6 年辛月讧日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：、f 鼬3 斜嗽锋目奔；卿菇觚 通讯地址：，2 日讳逝刁哮抛量 导师签 签字日2 碉 电话t | 强一7 球固 邮编： ，；e 略j 致谢 本论文是在导师尹志强副教授的悉心指导下完成的。在我攻读硕士研究生 学位的三年里，导师在学习、科研工作以及生活方面给予了我很多的关心和帮 助。尹老师渊博的学识、严谨的治学态度、一丝不苟的科研作风、辛勤的指导 是我各项任务得以完成的保证，并使我终生受益。在此我向导师尹老师致以衷 心的谢意和崇高的敬意。 真诚感谢机械设计制造及其自动化教研室桂贵生教授为课题的研究提供宝 贵意见和思路，并创造了许多必要条件和学习机会。桂老师认真、严谨、敬业 的科研态度是我们学习的榜样。 在课题的研究和论文的撰写过程中，得到了机械制造及其自动化教研室周 丹老师和彭丹丹、贾庭会硕士的合作与建议，以及机电教研室闰真才、袁帅、 马世典、柳欣、吕冬梅、程翔宇、单成伟、庞涛、陈波、黄健、殷春华、阚震 等所有同学的帮助，在此一一表示感谢。 最后感谢最爱我的和我最爱的家人，感谢所有给过我支持和帮助的亲戚朋 友。 作者：李付军 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个 角落。对于每一个普通人来说，都可能拥有各种使用嵌入式技术的电子设备， 小到m p 3 、p d a 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备 等。嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。目前，各种 各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已远远超过了通用计算机。在工业和 服务领域中，使用嵌入式技术的数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器 人等正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 1 1 1 嵌入式系统定义与特点 根据m e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监 视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为：d e v i c e su s e dt o c o n 仕o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t 也eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主 要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综述体， 还可以涵盖机械等附属装置 1 1 。 不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个被普 遍认同的定义是：嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件 硬件可剪裁，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1 2 】。 由前面定义可以看出，嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对 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与特定功能，这也 是嵌入式系统与通用计算机系统最主要的区别。嵌入式系统是面向用户、面向 产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会有生命力、才更具有优势。 另外，嵌入式系统与实时性有着天然的联系：由于嵌入式系统是为特定的目的 而设计的，且常常受到空间、成本、存储带宽等条件的限制，因此，它必须最 大限度地在硬件和软件上“量身定做”以提高效纠3 1 。 1 i 2 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： ( 1 ) 工业控制：目前已经有大量的嵌入式微处理器、嵌入式微控制器应用 在工业过程控制、数控机床、电力系统、石油化工等领域。 ( 2 ) 交通管理：在车辆导航、测量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入 式系统技术已经得到了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终 端已经在各种运输行业获得了成功的使用。 ( 3 ) p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡( c s c ) 发行系统、自 动售货机、各种a t m 终端已全面走入人们的生活。 ( 4 ) 机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更 加明显，网对会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获 ：导更 广泛的应用。 ( 5 ) 机电产品：相对于其他的应用领域。机电产品是嵌入式系统应用最典 型、最广泛的领域之一。工业控制器、设备控制器等往往采用1 6 位以上的处理 器，各种a r m 、m p i s 系列的处理器在控制器中占据核心地位。 当然还有其他很广泛的应用领域：如信息家电、家庭智能管理系统、环境 监测等等。 1 1 3 嵌入式系统发展现状及发展趋势 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费产品 的共同发展方向。信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了绝大的发展机遇， 为嵌入式市场展现了美好的前景，注入了新的生命，同时对嵌入式技术，特别 是嵌入式软件技术也提出了新的挑战。主要包括：支持趋势日益增长的功能密 度、灵活的网络互联、轻便的移动应用和多媒体的信息处理，此外，还需应对 更加激烈的市场竞争。 ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌 入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提 高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱等功能不再单一，结构更加 复杂。 ( 3 ) 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求， 必然要求硬件上提供各种网络通信接口，软件上要求系统内核支持网络模块。 ( 4 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是 软硬件紧密结合的设备，因此为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统 内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最少的资源实现最适当的功 能。 ( 5 提供友好的媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的 因素是它能提供非常友好的用户界面、图形界面和灵活的控制方式，因此要求 嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下功夫。 1 2 雕刻技术的撅况 1 2 1 雕刻技术的起源及发展现状 雕刻( e n g r a v i n g ) 。顾名恩义是利用特殊工具通过去除材料的方式，在物体 表面或内部形成特殊结构或图形的行为。中国古时就有的玉雕、木雕、篆刻以 及著名的泰山石刻等都属于雕刻的范畴。 随着新技术的不断出现，特别是进入2 0 世纪电能的广泛应用，传统的雕刻 行业也取得了突飞猛进的发展。1 9 3 8 年法国“嘉宝”研制出世界上第一台手动 雕刻机，随后1 9 5 0 年又生产出世界上第一台真正意义上的电动、可缩放比例的 手动雕刻机。在微电子技术突飞猛进的直接推动下，微型计算机及自动控制技 术得到了长足的发展。在雕刻行业微型计算机的引入同样也掀起了一场雕刻行 业的技术革命。繁琐的雕刻工作不仅完成了从手动到全自动的转变，而且雕刻 精度更加容易保证、雕刻材质范围和功能都得到了极大的扩充。 在国外，如美国的“雕霸”、法国的“嘉宝”和日本的“御牧”是该行业的 佼佼者，但价格昂贵。近几年国内的雕刻机，如北京的“精雕”、上海的“啄木 鸟”在国内也有一定市场，价格也不菲。但是，国内的雕刻机硬件装置一般都 是基于p i c 的控制器和基于8 位、1 6 位单片机的控制器，雕刻机的加工效率和 加工质量较低。软件方面，基于p c 机控制的居多，应用程序在模块化、可重用 性、操作性等方面也不尽人意。 1 2 2 雕刻系统的分类 雕刻技术有手工雕刻、化学腐蚀雕刻、激光雕刻、超声波雕刻及数控钻铣 雕刻等。其中激光雕刻和数控钻铣雕刻是目前比较常用的两种雕刻技术。各种 雕刻技术各有自身的优缺点，分别用于不同的场合。激光雕刻对加工材料有一 定的限制，它无法加工石材等材料，主要应用于标牌业和广告业；而机械式雕 刻系统可加工软到橡胶硬到石材等各种材料，应用领域也较激光雕刻系统广泛 得多。 机械式雕刻系统又可以分为仿形雕亥i 机和计算机数控( c n c ) 雕刻机两大 类。计算机数控雕刻机按驱动电机分类，分为步进电机驱动型雕刻机和伺服电 机驱动型雕刻机：按运动坐标类型进行分类，分为三坐标雕刻机和五坐标雕刻 机；按机床结构进行分类，分为立式雕刻机、卧式雕刻机和龙门雕刻机等。 1 2 3 雕刻机未来发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来，微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速 发展，而微电子技术和微型计算机技术又带动整个高技术群体飞速发展，从而 使雕刻技术也有了质的飞跃。功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为 雕刻机研制的基本要求【4 】。高速、高效、高精度、高可靠性、智能化、集成化、 网络化、开放化也成了当代数控系统所呈现的新的发展趋势。 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，基于嵌入式系统的数 控雕刻机也将迅速发展起来。硬件方面，a r m 、d s p 等高性能运动控制器逐渐 应用于雕刻系统中，推动数控雕刻系统向着高速、高效、高可靠性的方向发展： 软件方面随着肛c o s i i 、l i n u x 等免费操作系统的推广，雕刻系统的操作平台 也跨出w i n d o w s ，使得雕刻系统形式多样化。 1 3 课题提出的意义及研究内容 本课题源于安徽力字电脑设备制造有限责任公司的委托合作项目“高速高 楮度数控雕刻机的开发研究”。研制的总体目标是形成产品，使得该产品达到专 用化、智能化、集成化、模块化及自动化的要求，提高该产品在市场中的竞争 能力，顺应雕刻技术的发展趋势，为企业带来一定的经济效益。该系统的设计 与研究有一定的难度和深度，因此本论文的研究内容对发展和提高雕刻技术有 一定的理论意义和参考价值。 本论文主要的研究内容包括： ( 1 ) 对国内外数控雕刻机的发展现状及其发展趋势进行调研和分析； ( 2 ) 分析数控雕刻机的结构及其工作原理，以明确数控系统应完成的各项 功能任务； ( 3 ) 以当前流行的3 2 位a r m 内核微处理器作为控制核心，构建系统硬 件平台，以g c o s - i i 操作系统为软件平台，在此基础上扩展必需的模块，结合 相应的软件完成控制功能； ( 4 ) 研究嵌入式u s b 总线系统及主端开发，实现对u 盘的读写操作； ( 5 ) 研究交流伺服电机、主轴变频电机的工作原理与控制方法，实现对这 两种电机的精确控制： ( 6 ) 完成系统抗干扰设计，包括硬件抗干扰和软件抗干扰设计，以提高系 统的稳定性和可靠性。 4 第二章系统总体方案的研究与设计 2 1 数控雕刻机控制系统的结构与原理 本文所研究与设计的雕刻系统实际是一个三维数控系统，其结构示意图如 图2 1 所示。工作原理如下：微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、 文字的设计、排版，自动生成加工信息( 一般为g 代码、h p g l 格式文件) ，通 过u s b 接口或其他数据传输接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等) 将刀具路径数据传输给 单片机控制系统，控制系统接收刀具路径数据，完成显示、人机交互等一系列 功能后，用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息 转化为驱动步进电机或伺服电机的信号( 脉冲串) ，控制雕刻机x 、y 、z 三轴 的进给，同时，雕刻机的高速旋转主轴带动按加工材质配备的刀具，对固定于 机械本体工作台上的工件进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或 立体图形文字，实现雕刻自动化加工。 图2 1 数控雕刻系统示意圈 2 2 功能需求与规划 本文所研究与设计的雕刻机是一个完整的嵌入式设备，因此，对雕刻机控 制系统的功能需求与规划实际上就是对一个完整的嵌入式系统的功能需求与规 划。 2 2 1 功能需求 嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件， 具体框图如图2 2 所示。 首先，嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器。目前，世界上具有嵌 入式功能特点的处理器已经超过的1 5 0 0 多种，3 0 多个系列。下同的处理器有其 不同的功能和优势，但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊要 求。目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等5 1 。 输入 图2 - 2 嵌入式系统构架 输出 其次，存储器也是构建嵌入式系统的的重要组成部分。本系统就需要 f l a s h 和s d r a m 。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需求 来说，需要考虑容量大、性能稳定、价格低廉的存储器。就f l a s h 来说，除此 之外，还需要考虑f l a s h 的擦除等软件操作是否方便。 再次，要结合实际情况和处理器的功能，确定系统外围设备。本系统是一 个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下接口部分： r s 2 3 2 串行接口 目前r s - 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s - 2 3 2 被 定义为一种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过该串口 下载程序进行在线调试。 u s b u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口以其即插即用、传输速率高等优点逐渐成 为计算机行业的外设接口标准，嵌入式设备需要高速通信，u s b 就成了理想的 选择。 电源管理电路 嵌入式系统中，系统电源应尽量采用单电源供电，简化系统电源电路的设 计，增加系统的稳定性。 电机控制模块电路 作为一个雕刻设备，电机是其不可缺少的组成部分，其中电机包括：交流 伺服电机和主轴变频电机。需要设计相应的驱动控制电路，另外，为最大程度 的减少电机带来的干扰，隔离电路也是必需的。 键盘和液晶屏 键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应用软件， 可以把嵌入式控制器的功能发挥更大，并且可以用于现场调试。 最后，本系统需要嵌入式操作系统的支持。对于操作系统的选择应考虑以 下几个方面： 是否支持目标硬件平台； 可移植性要求； 支持多任务并具有实时性； 开发工具的支持程度； 源代码还是目标代码： 开发难易程度许可。 2 2 2 功能规划 根据以上的需求，考虑到应用的领域、用户的需求、成本问题和开发的难 易程度等因素，系统选用s a m s u n g 公司的3 2 位高性能嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 作为控制核心，它是高度集成化的嵌入式处理器，集成了a r m 7 t d m ic p u 核、 系统管理器、8 k b 的高速缓冲存储器以及写缓冲器，主频达到了6 6 m h z ，其性 能与基于i o o m h z 的i n t e l 奔腾芯片的个人计算机相当，并且以低功耗为目的进 行优化。在s 3 c 4 4 b o x 的基础上完成接口电路的研究与设计。 系统的软件平台采用嵌入式p c o s i i 操作系统。x c o s i i 已被成功地移植 到了a r m 处理器上，可以支持许多种基于a r m 的系统，其内核及组成i r l c o s i i 系统的大部分程序都是源代码开放的，而且支持多种调试工具。在基于p c o s i i 操作系统平台的基础上，结合应用系统的要求，还需开发系统应用软件，包 括雕刻控制软件及与u s b 、液晶显示、电机控制等有关的控制软件。 2 3 控制系统设计方法 控制系统的设计按照图2 - 3 所示流程来进行，首先了解和熟悉国内外雕刻 机的发展现状、雕刻机的分类及其工作原理、确定系统开发最终需要达到的总 目标、系统实现的可能性、所实现的具体功能、系统开发所采取的策略。制定 工程进度安排。其次是初步确立系统设计方案，其中包括系统设计的初步说明 文挡、设计方案和设计描述文档，这些文档的确立要使用系统流程图或其他工 具，描述每一种可能的系统组成，估计每一种方案的成本和效益，在充分权衡 各种方案利弊的基础上，选择一个较好的系统方案，并且制定出该系统的详细 计划。最后是初步方案的完善与实施，进行软硬件的集成测试、样机性能测试 及可靠性测试【6 1 。 图2 - 3 系统设计开发流程图 2 , 4 设计原则及扩展性【s 】 控制系统的硬件电路设计一般包括：一是系统扩展，即系统内部功能单元， 如r o m 、r a m 、i o 口等容量不能满足控制系统的要求，必须在片步 进行扩展 二是按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、d a 转换器等。 为了使硬件设计尽可能合理，控制系统设计应遵循以下原则： ( 1 ) 尽可能选择典型电路，使用最新或是功能更完善的芯片 功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化电路设计，为硬 件系统的标准化、模块化打下良好基础。 ( 2 ) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑 软件升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据的处理 模式或算法，就可以大幅度的提高系统的功能，因此，在实时性允许的情况下， 软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。 ( 3 ) 电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足测控系统的功能要求，并留 有适当余地，以便进行二次开发。例如在f l a s h 、s d r a m 等芯片的选取上， 既要考虑现在的实际需求，又要在价格允许的范围内，选取较大容量的型号， 留有较大的存储空间，为以后添加数据的方便做考虑。 ( 4 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分 可靠性和抗干扰能力对于单片机系统至关重要，因此应该仔细讲究布局布 线。从芯片、器件选择、去耦、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，最大限度地降低于扰。 ( 5 ) 尽可能选用h c m o s 工艺的芯片 考虑到嵌入式系统应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用h c m o s 工艺的低功耗芯片，有利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的无 故障使用时间，这也是提高系统可靠性的措施之一。 此外，作为一种嵌入式设备，设计中也应该遵循嵌入式系统设计的一些原 则。嵌入式系统的特点就是软硬件可配置，功能可靠，成本低，体积小，功耗 低，实时性强。因此嵌入式系统受功能和具体应用环境的约束。在设计开发的 过程中还应考虑以下因素： 功能可靠实用，便于升级； 实时并发处理，及时响应； 体积符合要求，结构紧凑； 接口符合规范，易于操作； 配置精简稳定，维护便利； 功耗管理严格，成本低廉。 9 第三章控制系统硬件电路研究与设计开发 嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式软 件运行的物理平台和通信接口。因此，在嵌入式系统中，硬件系统的基础地位 尤其突出：硬件系统的确定，直接决定着软件的编写，二者具有密切相关性。 对于雕刻机控制系统来说，硬件设计的主体是控制器硬件电路的设计，这也是 本章研究的主要内容。 控制器是雕刻机的控制核心，其设计内容包括通用f o 接口电路、电源电路、 存储器扩展、输出控制电路设计、人机交互模块以及抗干扰电路设计等。系统 控制核心选用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 。图3 1 为基于a r m 微处理器的硬件平 台体系结构。 图3 - 1基于a r m 微处理器的硬件平台体系结构 系统硬件结构确定之后，如何实现系统硬件具体结构，如何实现各个功能 模块电路，成为硬件设计的核心内容。要实现同样的功能，采用不同的电路和 模式，其效果并不是完全相同。 以下对硬件各个单元模块予以介绍。 3 1 s 3 c 4 4 b o x 概述 3 1 1a r m 核简介1 9 1 1 i o a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名企 1 0 业，是全球领先的1 6 3 2 位r i s c ( r e d u e e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 微处理器知 识产权设计供应商。a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s cc p u 开发领 域不断取得突破，其结构已从v 3 发展到v 6 。a r m 公司设计的芯核具有低功耗， 低成本等显著优点，获得众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入 式应用领域已经占有7 0 以上的产品市场，在低功耗、低成本的嵌入式应用领 域确立了市场领导地位。现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多 家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买a 蹦公司的芯核用于通讯作用 芯片的设计。 目前非常流行的a r m 芯核有a r m 7 t d m i 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和 s e c u r c o r e 。a r m 芯片还获得了许多实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) 供应商的支持，比较有名的有：w i n d o w sc e 、l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、 n u c l e u s 、e p o s 、i r t c o s 等。 3 1 2s 3 c 4 4 b o x 及片内外围简介1 1 】【1 2 l s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司的基于仪表、控制器、车载应用系统和手持应 用系统的高性价比1 6 3 2 位r i s c 微处理器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器核。有丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部 l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器，代用 p w m 功能的5 通道定时器，i o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c ，p l l 倍频器 等。结构如图3 2 所示，具体引脚分布见附录。 s 3 c 4 4 b o x 的特性描述如下： 体系结构 7 1 个可定义的多用i o 口： 支持大、小端模式。内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端模式； 内含效率高、功能强的删7 t d m i ： 高性价比、基于j t a g 接口的调试方案。 系统管理器 支持r o m s r a m 、f l a s h 、d r a m 和外部i o 以8 1 6 3 2 位的操作方式： 带总线请求应答引脚的外部总线控制器： 支持e d o 常规s d r a m 存储器； 高性价比的从存储器到外围的d m a 接口。 一体化的指令数据c a c h e 体化的8 kc a c h e ： 可支持a r m 和t h u m b 指令模式； c a c h e 可配置为内部s 删。 l c d 控制器 可定义的彩色黑8 灰度液晶控制器： 可定义的扫描和显示频率； 系统存储地址映射为显示存储； 灰度级别：1 6 级； 颜色：2 5 6 色控制。 j t a g 图3 - 2 s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器体系结构框图 u a r t 2 个可工作于d m a 方式或中断方式的u a r t 模块 支持5 、6 、7 、8 位的串行数据发送和接收； 波特率可编程； l 位或2 位停止位： 奇偶校验。 中断控制器 3 0 个中断源：8 个外部中断、6 个定时器中断、6 个u a r t 中断、4 个d m a 中断、1 个看门狗定时器中断、2 个r t c 中断、1 个a d c 中断、1 个1 2 c 中 断、1 个s i o 中断； 支持正常中断( i r q ) 或快速中断模式( f i q ) ； 电平，边沿模式具有可编程的优先级。 定时器和p w m ( 脉宽调制) 5 通道1 6 位具有p w m 功能的定时器，l 通道1 6 位内部定时器； 可编程的占空比周期，频率和优先级； 死区( d e a d z o n e ) 产生器： 支持外部时钟源。 p l l 外部时钟可由片内p l l 倍频以提高系统时钟： 输入频率范围：1 0 4 0 m h z ； 输出频率可以是输入时钟的l o 倍。 工作温度 0 - 7 0 度。 封装形式 1 6 0 l q f p 1 6 0 f p g a 封装。 3 1 3 s 3 c 4 4 8 0 x 系统管理器( s y s t e mm a n a g e r ) ( 1 ) 系统管理器概述 s 3 c 4 4 b o x 微处理器的系统管理器( s y s t e mm a n a g e r ) 在整个系统中起着至 关重要的作用，只有清楚了系统管理器在系统中的作用及工作原理。才能进行 程序设计和系统开发。但是相对于8 位或者1 6 位微处理器而言，s 3 c 4 4 b o x 系 统管理器的工作原理又是比较复杂的。 如特性描述中所述，s 3 c 4 4 b o x 微处理器的系统管理器具有着特定的功能， 如：为访问外部存储器提供必要的存储器控制信号、为s 3 c 4 4 b o x 、 r o v u s d r a m 以及外部f o 组之间的数据总线通信提供必需的信号等。 ( 2 ) 系统管理器寄存器( s y s t e mm a n a g e rr e g i s t e r s ) 系统管理器使用一组专用的特殊功能寄存器来控制外部存储器的读，写操 作。通过对该组特殊寄存器编程，可以设定：存储器的类型、外部数据总线宽 度及访问周期、定时的控制信号、存储器组的定位、存储器组的大小等。 在标准系统配置中访问外设必需的控制信号、地址信号和数据信号，是 由系统管理器通过设置特殊功能寄存器的值来控制其产生和处理。特殊功能寄 存器也被用于控制对r o m s r a m f l a s h 组的访问，同时还能控制对多达2 个 d r a m 组和7 1 个外部y o 以及若干特殊功能寄存器映射区的访问。 每个存储器组在组内通过基指针( b a s ep o i n t ) 寻址，其寻址范围为3 2 m b 。 而共有8 个组( b a n k 0 b a n k 7 ) ，因此s 3 c 4 4 b o x 的最大可寻址范围是 8 3 2 = 2 5 6 m b 。在进行系统存储器映射时，注意两个相连的存储器组的地址空间 决不能重叠。 ( 3 ) 系统存储器映射( s y s t e m m e m o r y m a p ) s 3 c 4 4 b o x 采用统一编址的方式，将系统的片外存储器、片内存储器、特 殊功能寄存器和外部的i o 设备，都映射到2 5 6 m b 的地址空间。同时为便于管 理，又将地址空间分为若干个存储区块( b a n k ) ，可以通过配置b w s c o n 和 b a n k c o n 的特殊功能寄存器，设定每个存储区的大小和位置。其中b a n k 0 b a n k 5 的起始地址和空间大小是固定的：b a n k 6 的起始地址是固定的，但空间大 小与b a n k 7 一样是可以改变的，可以配置为2 ，4 8 1 6 3 2 m b 。图3 - 3 是s 3 c 4 4 b o x 系统存储器映射图。 0 x 1 0 0 00 0 0 0 0 x o e 0 00 0 0 0 o x o c 0 00 0 0 0 0 x o a 0 00 0 0 0 0 x 0 8 0 00 0 0 0 0 x 0 1 c 00 0 0 0 o x 0 0 0 00 0 0 0 图3 - 3s 3 c 4 4 b o x 系统存储器映射 3 2 电源电路的设计 在雕刻机控制系统中，主要用电设鼹有：嵌入式微处理器、u s b 模块、传 感器模块、电机模块以及其他辅助功能电路等。这些电路和器件需要用到的电 源电压有2 4 0 v 、5 0 v 、3 3 v 和2 5 v 四个等级。其中2 4 0 v 电压为交流伺 服电机所需，由一独立稳压电源提供。而5 o v 、3 3 v 和2 5 v 由另一独立电源 = 一 咖 提供。系统中采用三端稳压管7 8 0 5 来提供整个电路板的5 0 v 电源。有很多 d c d c 转换器可完成5 o v 到3 3 v 、2 5 v 的转换，系统中3 。3 v 和2 ，5 v 的电 压是由5 o v 经过电压转换芯片l m l l l 7 得来，具体电路如图3 - 4 所示。 图3 - 4 系统电源电路 3 3 存储器模块 3 3 1 f l a s h 存储器【珏j 【“1 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s l 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、可整片划分扇区在系统编程 ( 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，因而在 各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失存储器，f l a s h 在系统中 通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。 常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 3 v 。主要生产厂商为 a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有相同的电器特性 和封装形式。 由于a r m 微处理器的体系结构支持8 1 6 3 2 位的存储器系统，所以对应的 可以构建8 1 6 3 2 位的f l a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系统具有较高的性能， 1 6 位的存储器系统则在成本及功耗方面占有优势，而8 位的存储器系统现在已 经很少使用。在大多数系统中，选用一片1 6 位的f l a s h 存储器芯片( 常见的容 量有i m b 、2 m b 、4 m b 、8 m b 等) 构建1 6 位的f l a s h 存储器系统已经足够。 系统中选用的f l a s h 存储器为s s t 3 9 v f l 6 0 ，采用一片s s t 3 9 v f l 6 0 构建1 6 位 的f l a s h 存储器系统，其存储器容量为2 m b 。s s t 3 9 v f l 6 0 的工作电压为 2 7 v 3 6 v ，4 8 脚t s o p 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或 1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。s s t 3 9 v f l 6 0 仅需3 o v 电压即可完成在 系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可 对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。 f l a s h 在存储器系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获取 指令并开始执行。因此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置到 r o m s r a m ，f l a s hb a n k 0 ，即将s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 接至s s t 3 9 v f l 6 0 的 片选信号c e # 端。其他的信号连接介绍如下： s s t 3 9 v f l 6 0 的n r e s e t 端接系统复位信号： n o e 端接s 3 c 4 4 b o x 的n o e ； e t 喁r e 端接s 3 c 4 4 b o x 的n w b e 0 ； n b y t e 上拉，使s s t 3 9 v f l 6 0 工作在字模式( 1 6 位数据宽度) ； n r y b y 指示s s t 3 9 v f l 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但是工作状态也 可以通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该脚悬空； 地址总线【a 1 9 a 0 与s