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天津大学 硕士学位
论文基于嵌入式
Linux的数控系统研
究与开发 级别:硕士
专业:
机械制造及其自动化 指导
教师:何改云王太勇
20090601
摘要 数控技术是机械加工技术,微电子技术、监控检测技术、计算机技术、自动控制技术等多种学科的集成,对机电工业及国民经济的发展具有十分重要的作用。
随着当今微
电子技术和计算机技术的发展,大量的高性能嵌入式处理器应用于数控系统,从而使数控技术的发展进入了嵌入式数控阶段。
本
论文在实验室目前正在研发的ARM+DSP硬件平台上研究开发基于嵌入式Linux的数控系统,主要完成了如下工作: 1.研究嵌入式Linux系统应用和编程开发,根据系统硬件平台定制、编译Linux内核,按照实际需要组织并制作根文件系统,从而搭建了数控系统的嵌入式Linux运行平台;研究并搭建嵌入式系统基于“宿主机.目标机”结构的交叉
编译和
远程调试开发环境。
2.研究Linux字符设备驱动
模型,
定义并实现了标准化键盘模块,设计构建了人机交互消息机制。
3.研究Linux的Framebuffer显示驱动,设置LCD显示
模式;研究绘图
算法和汉字编码及点阵字库,设计实现了包含基本绘图功能和
文字显示功能的图形库。
4.从功能性和人机工程学两方面深入研究了数控系统人机交互技术,在功能分类基础上确定人机交互的多界面显示,设计实现软硬件结合的多级可扩展菜单结构,详细设计并实现各界面功能。
5.研究Linux的多线程
机制,基于此实现系统管理任务(管理线程或称交互线程)与控制任务(控制线程)的并行协调运行。
6.将数控系统应用于铣床,并测试系统各功能,
验证了其设计的正确
可行性和系统功能的可靠性。
关键词: 嵌入式Linux多线程数控系统人机交互人机工程学 ABSTRAC T The numerical control technology is the integration of vafious subjects includingmachining technology,microelectronics,monitoring and detecting technology,computer technology as well as automatic control technology and SO on.It plays animportant role in the development of electromechanical industry and nationaleconomy.Nowadays,with the development of microelectronics and computertechnology,massive embedded processors with high performance have been appliedinto the numerical control system,which enables the numerical control technology todevelop into the embedded numerical control stage. This paper researched and developed the numerical control system based on theembedded Linux system on the hardware platform of ARM+DSP which was currentlyresearched and developed.This paper was going to do the research mainly focusingon the following aspects: 1.This paper researched the application and development of the embedded Linux,customized and compiled the Linux kernel according to the hardware platform of thesystem,organized the root file system in accordance with the actual needs,and madethe image of it.So we constructed the embedded Linux system which the CNC wouldrun on.This paper also researched and constructed the developing environment baseon the host machine—target machine structure,which includes cross·compiling andremote debugging。
2.This paper researched the model of Linux’S character device driver,definedand realized the standardized keyboard module and designed the message mechanismof the man.machine interface. 3.This paper studied the Linux’S frame-buffer driver of display devices,used itto set the displaying mode of the LCD display.The paper also studied the graphicarithmetic,the encoding of Chinese character and the structure of the matrix fontlibrary.Through the last aspects this paper designed and realized the function libraryincluding basic graphic functions and text display function. 4.This paper studied the man—machine interface technology of CNC from boththe functional and ergonomic aspects,def’med the views of the man—machine interfaceaccording to the classification of the CNC’S functions,designed and realized themulti.1evel and extensible menu structure and made a detailed design of the functionsof each view of the CNC and realized them. 5.This paper also studied the Linux’S multithread mechanism,based 011 whichrealized the concullrent and coordinated running of the system management task(inthe management thread,or called interaction thread)and the control task(in thecontrol thread). 6.Finally the paper applied the CNC on a milling machine and tested its allfunctions.The test testified the validity and feasibility of the design and thedependability ofthe CNC’S functions.KEY WORDS:embedded Linux,multi—thread,CNC,Man-Machine Interface,ergonomms 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和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,
论文中不包含其他人已经发表或
撰写过的研究成果,也小包含为获得基盗盘鲎或其他
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了谢意。
学位
论文作者签名:仡占旃 签字日期: 2驴痧9年么月岁目
学位论文版权使用授权书 本学位
论文作者完全了解苤鲞太鲎有关保留、使用学位
论文的规定。
特授议墨盗盘鲎可以将学位
论文的全部或部分内容编入
有关数据库进行检索.j{二采}{j影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校阳…’冢仃关
部门或杉l构送交
论文的复印件和
磁盘。
(保密的学位
论文在解密后适用本授权
说明)7j毒f一论艾作荷签名: 上已 翮签名:铄≥弓碜。
川j{}J〕:刀D7年 一,厂D 月 卜汐卜夕 柳目 签字目期:孔功罗年‘月夕日 第一章绪论 第一章 绪论1.1嵌入式数控系统国内外研究现状1.1.1嵌入式数控系统概述 数控技术是机械加工技术,微电子技术、
监控检测技术、计算机技术、自动控制技术等多种
学科的集成,是--I’-J传统而又新兴,且发展迅速的高新技术,对机
电工业及国民经济的发展具有十分重要
的作用…。
数控技术
的发展中经历了三个主要阶段【2】〔3】:第一阶段称为传统数控mC),以采
用电子管、晶体管以及小规模集成电路进行数字控制为标志;第二阶段称为计算机数控(CNC),以通用小型计算机、微处理器和个人计算机(PC)应用于数字控制为标志;第三阶段即以高性能嵌入式处理器大量应
用于数控系统为标志的嵌入式数控阶段。
嵌入式技术在工控领域,特别是数控
领域的应用研究起步较晚。
20世纪九十年代中后期,随着具有成熟操作系统的嵌入式系统的蓬勃发展,传统数控技术与嵌入式技术相结合,新型嵌入式数控技术
进入了一个高速发展的阶段。
1.1.2嵌入式数控系统主要研究方向 目前国内外嵌入式数控技术的
研究与开发方案多种多样,各有特色,但是可以从处理器核心、操作系统结构这两个方面进行简单划分。
1.以处理器核心划分 1)采用ARM微处理器的嵌入式数控系统 ARM微处理器是
典型的32位RISC芯片,运算速度快,片内集成度高,可以作为系统的主控芯片【41。
而且目前市场上采用ARM处理器的集成开发板
比较多,相关的技术支持也更为完善。
一般ARM微处理器作为主控核心,搭配大
规模可编程逻辑控制器件(FPGA)
作为系统的
接口处理
芯片,FPGA可根据系统需要进行任意配置。
采用ARM和FPAG设计的经济型数控系统,具有性价比高,可升级性和可扩展性好的突出特点,占有很大的市场份额。
2)采用数字信号处理器(DSP)的嵌入式数控模块 第~章绪论 嵌入式数控系统的一个研究方向是采用嵌入式模块进行数控改造,其中采用较多的就是专用DSP控制器。
该方案可以保证原有的数控系统中的一些传统控制核心,如工控机等设备专注于人机界面、输入输出、预处理、发送指令、故障诊断等非实时性功能,而
需要大量运算的插补、补偿处理、速度控制、位置控制等则由嵌入式DSP控制器模块完成【5】。
这种
方案在
传统数控改造以及功能模块较为复杂的中高档数控上采用较多。
3)采用PC/104嵌入式计算机模块的嵌入式数控系统 PC/104嵌入式计算机是上
世纪80
年代末
出现的一种
新型的工控机,采用层叠式结构,因其总线之间互连使用104个
信号线,该嵌入式
计算机又称为PC/104。
它提供与PC总线在体系结构、硬件和软件上完全兼容,而且结构紧凑的栈接式模块很适合嵌入式应用的独特要求。
已有的PC/104模块为构造嵌入式系统提供了
种类繁多的构件,它的高集成度和
模块化的结构
适用于数控系统的构建【61。
2.以操作系统划分 1)采用Linux操作系统的嵌入式数控系统 在中低档嵌入式数控系统中大量采用嵌入式Linux操作系统,有其必然性。
Linux是开放源
代码的,遍布
全球的众多Linux爱好者都是Linux开发者的强大技术支持;Linux的源
代码随处可得,注释丰富,
文档齐全,便于进行二次开发;嵌入式Linux的内核小、
效率高;Linux是开放源码的操作系统,在
价格上极具
竞争力,
适合中低档数控的
市场定位;Linux具有良好的跨平台性和良好的网络支持,可以很好的支持数控加工的
网络化【7】。
需要指出的是,己经有许多高校和企业针对数控加工需要,
进行了嵌入式Linux的二次开发,如实时性很强的RT-Linux,以及针对数控需求定制的NC.Lillu)【【8】。
2)采用Windows CE操作系统的嵌入式数控系统 Windows CE是Microsoft为多种嵌入式系统和产品而
设计的
一个紧凑、高效、可升级的多进程、多线程、抢先多任务实时操作系统。
Windows CE可以满足嵌入式数控系统的实时性要求;Windows CE可以满足嵌入式数控系统的模块化和功能柔性的要求;Windows CE可以兼容市场上大量的软硬件资源,
具有强大的通讯
互联功能。
但是作为一种商业化操作系统,Windows CE
源码没有完全开放,不利于
用户的二次开发,而且还要考虑到软件
版权问题【9】o 3)采用1.t C/OS—II操作系统的嵌入式数控系统 11 C/OS.II是个源
代码完全
公开的嵌入式实时操作系统。
它的绝大部分
代码都是用ANSI C写的,可移植性较强。
同时协la C/OS.II还具有可裁剪、可
确定以及稳
定性与
可靠性高的
特点,是
一种全透明
的实时操作系统,
非常适合
嵌入式以及开放式数控系统中对开放性和强实时性控制的需求【1 01。
第一章绪论 4)采用其他操作系统的嵌入式数控系统 除以上操作系统外,在嵌入式数控系统中还有采用包括美国EmbeddedSystem Products公司的RTXC、采用加拿大QNX Software Systems LTD公司的QNX
以及美国WindRiver公司的VxWorks等专用
商业操作系统的嵌入式数控产品。
尽管这些产品有着
很好的实时性,但是其开发
工具昂贵,
详细的
技术及开发
文档很难得到,可利用的资源不多【11|。
实际上,以上两种划分
方法具有交叉性,即在同一硬件平台上可能
可以采用多种不同的操作系统,而同一操作系统也同样可以运行在多个硬件平台上。
1.1.3国内外研究现状 在国外
影响较大的是由欧盟(原欧共体)发起并资助的IST(InformationSociety Technologies)
计划中,称为PENGUIX(Porting all Embedded NumericalControl on GNU Linux)的研究项目U2〕。
该
项目于2001年6月启动,由意大利的FDIAI公司负责开发。
该项
目的主要
目标是使用开放源
代码的Linux来实现数控系统的软件平台,取代过去的专用软件平台。
使数控系统实现软件化、模块化,并使用组件技术(CORBA)实现系统
内部的通信。
从而使数控系统独立于专有硬件平台,可以实现
不同硬件平台的
移植。
该项研究符合数控系统的
发展趋势,是嵌入式数控技术发展
的新探索【l 31。
此
外包括
美国以及日本和韩国的
相关企业也都有了一些成熟的嵌入式数控产品,如美国的GE.Fanuc、
日本的三菱、韩国
的现代等。
国外众多成熟嵌入式数控产品,一定程度上反映了嵌入式数控系统的发展
方向。
以德国ECKEMANN
公司的嵌入式数控产品E.ENC55为例。
它是一种新型的高
性能独立型模块化数控系统,基于DSP和ARM微处理器硬件结构,同时借助于现代通信技术,该系统可以通过TCP/IP协议、PC.MMI技术以及CAN
现场总线与多台数控加工
系统连接。
与传统的高性能数控系统相比,该系统完全独立于PC,是一种真正的高性能嵌入式数控系统。
该系统拥有32btiMPG555
控制器,可编程范围广,并可进行附加指令扩展;最大支持8个数控加工轴,并可同时进行5轴插补;集成
完善的PLC模块,可以支持所有符合IEC61131.3标准的
编程语言【l 4|。
与国外相比,目前国内嵌入式数控技
术的发展方兴未艾,主要还处于预研阶段。
但是已经有一些
企业与
高校以及相关研究
机构合作,开发出一些嵌入式数控产品,这里作一个
简单的介绍。
基于la C/OS.II的嵌入式数控系统。
它是广州数控有限公司与北京航空航天
大学智能技术与装备
实验室于2003年开始合作开发的产品。
该系统采用u 第一章绪论C/OS.II实时操作系统软件平台、p C/OS.11人机
界面、ARM微控制器硬件平台、FPGA夕〔-围电路。
该系统已经
成功加工多种零件样品,并
开始产品化
推进工作【15】。
广州数控与广州工业大学
合作的嵌入式数控铣床系统,在开发思
路上与前一产品相似。
硬件选择上以ARM主控板和DSP运动控制板为
核心,并辅以相应的外围
通讯模块组成
完整的硬件平台;软件选择1.1 C/OS.II实时嵌入式操作系统,开发并嵌入系统所需的应用
软件。
与前一系统相比,此系统已经进入产业化阶段,广州数控有
限公司已经生产出相应产品,并进行市场
推广【l 6】。
上海电气
集团下属的
上海开通数控
有限公司,是
国内最早从事数控系统和交流伺服驱动
系统开发生产的企业之一。
2004年,开通数控和美国Softservo公司合作,在上海成立了数控技术研究所,他们开发出了基于光纤伺服总线的中高档开放式嵌入式数控系统平台KG2000系列产品。
该系统采用嵌入式结构和
光纤通信,以CF卡代替硬盘,
运行u CLinux操作系统,人机界面采用Kylix(Delphi的Linux环境发行版)集成开发环境开发。
控制核心分为两部分,数控译码和
图形界面由ARM7处理器控制,插补运算和执行机构由专用DSP控制。
该系统已经有了成熟
的商业化产品。
此外,包括北京威控
科技、华中数控等公司也都有了各自的嵌入式数控产品,在结构上进行了不同方案的
探索,有着各自的
特色。
1.2课题的提出与意义 制造业是
国民经济最重要的支柱
产业。
在工业化
国家,约有四分之一的人口从事制造业,约70%一80%的物质财富来自制造业。
制造业是我国国民经济的核心和
工业化的原动力,我国制造业工业总产值约占
全国GDP的42.5%【l 71。
嵌入式系统已经应用到制造业的各个
方面,从嵌入式与智能化
电机、嵌入式与
智能化水泵、嵌入式与
智能化机床到嵌入式与智能化
汽车,等等【l踟。
嵌入式技术已经成为现代
制造业不可缺少的~个重要部分。
当前,
世界范围内装备制造业蓬勃发展,信息技术对传统装备产品的提升
改造,是装备制造业产品升级换代的
有效途径。
嵌入式数控技术是传统数控技术与计算机技术,控制技术,嵌入式操作系统以及应用软件相
结合的产物,是传统制造业
信息化改造的典范。
通过与嵌入式技术的结合,缩小了国内外在数控硬件技术和应用软件上的技术鸿沟,为我国制造产业特别是装备制造业的革新
和发展带来了新的机遇。
数控
实验室已开发出基于工控机和PMAC运动控制卡的TDNC.M4伺服型数控系统,在此基础上提出基于芯片级架构的ARM和DSP的嵌入式数控系统硬件体系和基于
免费开源的嵌入式Linux的数控软
件系统,对于数控系统功能的灵 4 第一章绪论活扩展和生产
成本的降低具有重大意义,其平台的软硬件
重构能力对于
形成产品
系列、甚至用于
机器入或其他专用设备都具有极为重要的
意义。
1.3
论文主要研究内容与安排 本
论文深入了研究嵌入式数控技术的发展和国内外研究现状,在实验室目前正在
研发的ARM+DSP硬件平台上研究开发基于嵌入式Linux软件的数控系统,内容主要涉及嵌入式Linux系统
及其开发环境的构建、数控系统人机交互界面各
层次和基于Linux多线程的数控系统多任务的并行设计。
论文章节
安排及各章主要
内容如下: 第一章:简要阐述数控技术及嵌入式数控系统的发展、研究方向及国内外研究现状,课题的提出和意义及
论文主要研究内容。
第二章:介绍数控系统原理,研究当今多微处理器架构CNC的系统架构与特点,阐述
论文涉及数控系统的硬件架
构及嵌入式操作系统的选型和基于嵌入式Linux的数控系统的软件架构。
第三章:阐述如何构建嵌入式Linux系统,包含Linux内核
的定制和交叉编译以及根
文件系统的构建与制作,构建嵌入式Linux的操作系统平台,并搭建“宿主机一目标机”的嵌入式Linux开发环境。
第四章:研究数控系统人机交互技术,这里所讲的人机交互实际包含了操
作者对于机床
所有的操作与管理,包括操作者指令输入、机床状态信息反馈,也包括数控系统文件管理、系统参数
管理、运行方式管理等诸多方面。
论文首先从功能性和人机工程学两方面研究人机交互技术,然后人机交互
基本模块:键盘输入模块和LCD图形显示模块,在此基础上构建起人机交互的消息机制,然后对数控系统功能进行
分类,并做人机交互各功能的详细设计与实现。
第五章:
介绍Linux的多线程
并行程序设计
原理,利用多线程实现系统管理
任务(管理线程或称交互线程)与控制任务(控制线程)的并行
协调运行。
编码测试任务完成,介绍系统在加工
中心上的应用。
第六章:课题
总结和
展望。
第二章基于嵌入式Linux的数控系统体系结构 第二章 基于嵌入式Linux的数控系统
体系结构2.1数控系统原理 数控系
统一般由输入输出装置、数控装置、驱动控制装置、机床电器逻辑控制装置四部分组成,机床本体为被控
对象,如图2-1所示【19】【201。
输入 输出 / h、 数控 蚓驱璇制旧 机 \ / 装置 装置 床 ℃二=爿电器逻辑高=二今 图2-1数控系统组成的
一般形式 数控系统是严格按照外部输入的程序对工件进行自动加工的,
我们将从外部输入的、描述机床加工
过程的程序称为数控
加工程序,它是用字母、数字和其它符号的编码指令规定的程序。
数控加工
程序按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息,有零件加工的轨迹信息、工艺信息及开关命令等。
输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置,输入内容及数控系统的工作
状态可以通过输出装置
观察。
数控装置是数控系统的核心。
它的主要功能是:
正确识别和解释数控加工程序,对
解释结果进行各种数据计算和逻辑
判断处理,完成各种输入、输出任务。
其形式可以是由数字
逻辑电路
构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。
前者称作硬件数控装置,其数控功能由硬件逻辑电路实现;后者称为CNC装置,其数控功能由硬件和软件共同完成。
数控装置将数控加工程序信息按两类控制量分别输出:~类是连续控制量,送往驱动控制装置;另一类是
离散的开关控制量,送往机床电器逻辑控制装置。
控制机床各组成部分实现各种数控功能。
驱动控制装置位于数控装置和
机床之间,包括进给轴伺服驱动装置和主轴驱动
装置。
进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元、电动机和
测量反馈单元等部分组成,它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制
命令正确驱 6 第二章基于嵌入式Linux的数控系统体系结构动机床受控部件;主轴驱动装置主要由速度控制单元控制;电动机可以是各种步进电动机、直流电动机或
交流电动机。
机床电器逻辑控制装置也位于数控装置和机床之间,接受数控装置发出
的开关命令,主要完成机床主轴选速、起停和方向控制功能,换刀功能,工件装夹功能,冷却、液压、气动、润滑系统控制功能及其它机床辅助功能。
其形式可以是继电器控制线路或可编程序控制器。
数控机床配有各种辅助装置,其
作用是配合机床完成对零件的加工。
如切削液或油液处理系统
中的冷却或过滤装置,油液
分离装置,吸尘吸雾装置,润滑装置及
辅助主机实现传动和控制的气动、液动装置等;除上述
通用辅助装置外,从目前数控机床技术现状看,至少还有五类辅助装置是数控机床应配备的:对刀仪,自动编程机,自动排屑器,物料储运及上下料装置及交流稳压
电源。
当数控系统的一般组成形式中的数控装置采用计算机数控装置时,该数控系统就称作计算机数控系统。
计算机数控系统内硬件和软件
共同完成数控任务,组成以图2.2所示的系统为例【201。
叫嚣H剐· 程序涪单——+ 输入 主轴 电动机 装置 计簋机 信息载体——● T 机 。
数字 床 编程器—● 通信 控制 CkDtC,m系统+ 速度 进给 上位机—+
线路 装置 控制 电动机 (CHC) 位置 输出 检测器 装置 图2-2计算机数控系统组成 集成电路及计算机技术的迅猛发展,给数控硬件技术
更新换代注入新的活力,
现代数控系统普遍采用超大规模集成电路(VLSI)、专用芯片(ASIC)、FPGA及数字信号处理(DsP)技术。
作为数控系统核心的处理器广泛采用
高速RISCCPU,保证高速、高精
度的数控加工。
现代CNC系统的硬件结构一般分为单微处理器和多微处理器两大类。
早期的CNC和现在的一些经济型CNC系统都采用 第二章基于嵌入式Linux的数控系统体系结构单微处理器.