编号
科生毕业文
基ARM数控床动送料系统设计
ARMbased CNC punch automatic feeding system design
学 生 姓 名
专 业
学 号
指 导 教 师
学 院
二〇三年六月
毕业设计（文）原创承诺书
1．承诺：呈交毕业设计（文）基单片机构成环境温湿度实时测控系统研究认真学理解学校长春理工学科毕业设计（文）工作条例教师指导保质保量独立完成务书中规定容弄虚作假抄袭工作容
2．毕业设计（文）中引观点研究成果均文中加注释参考文献形式列出文研究工作做出重贡献集体均已文中注明
3．毕业设计（文）中侵犯方面知识产权行承担相应法律责
4．完全解学校关保存毕业设计（文）规定：学校求提交文相关材料印刷电子版意学校保留毕业设计（文）复印件电子版允许查阅阅学校采影印缩印复制手段保存毕业设计（文）公布中全部部分容
承诺法律结果完全承担
作 者 签 名： 年 月日
摘
数控床送料系统床实现配套孔程中程序设定控制板料移动床孔实现孔高度动化文采目前广泛32位ARM微处理器Samsung公司基ARM920TS3C2440A作系统控制器该处理器面嵌入式设备具性价高功耗低特点嵌入式Linux操作系统移植性具较强控制力丰富片资源该系统实现数控床动送料软硬件结构简单定位精度高操作简单方便具良机界面文首先根生产实际求控制系统设计原确定送料系统软硬件总体设计方案
关键字：动送料系统 嵌入式系统 ARM S3C2440
ABSTRACT
Numerical control punch feeding system is mainly used to match with the punchcontrol the panel veneer to move and the punch to punch according to the settings of the programs in the process of punching to achieve a high degree of automation of punchingIn this paper S3C2440A(Samsung＇s ARM920T based controller)which is dely used as a 32bit ARM microprocessor is used as the main controller the processor is manily for embedded devices which has a high costeffective and low power consumption it＇s easy to migration in the embedded Linux operating system and has a strong control ability and rich chip resourcesThe system enables the machine to feed punching automatically the structure of hardware and software is simple and it＇s easy to operate the system has a high accuracy of positioning and good humanmachine interface The paper also introduces antijamming technology of the hardware and software of the system
Keywords：Automatic Feedingsystem Embedded System ARM S3C2440
目 录
摘 I
ABSTRACT II
目 录 I
第1章 前言 1
11嵌入式系统概述 1
12压生产动送料装置概况发展趋势 2
13选题背景意义 3
14课题研究现状 4
15文容结构 5
第2章 动送料运动控制系统总体设计 6
21 系统设计原 6
22 数控床系统组成 6
23 床数控动送料系统总体设计 7
床数控系统硬件结构设计 7
床数控系统软件结构设计 8
233 ARM9芯核简介 9
第3章 数控技术中插补运动控制原理 12
31数控技术中常插补算法 12
32 粗插补 12
33 精插补 13
331 数字积分法基原理 13
332 DDA直线插补器 13
34速度控制方法 14
第4章 动送料运动控制系统硬件设计 15
41 S3C2440A微处理器简介 15
42存储器接口电路 15
43通讯模块 16
串口通讯模块 16
432 USB通讯 17
433 JTAG接口 18
44 LCD触摸屏模块 19
45硬件抗干扰设计 19
第5章 动送料运动控制系统软件设计 21
51软件系统总体设计 21
52 ARM软件开发流程开发工具介绍 21
53加减速控制模块设计 22
54通讯模块设计 23
第6章 结进步研究建议 25
61结 25
62进步研究建议 25
参考文献 26
致 谢 27
第1章 前言
11嵌入式系统概述
20世纪70年代末微处理器出现着计算机技术半导体技术发展迅速发展起微处理器核心微型计算机具体积成低功耗低性高计算力强等特点需求微型机嵌入象体系中实现象体系智化控制种嵌入象体系中实现象体系智化控制计算机系统称作嵌入式计算机系统
数网站书籍资料中嵌入式系统定义样：嵌入式系统应中心计算机技术基础软硬件裁剪够适应实际应中功性成体积功耗等严格求专计算机系统嵌入式系统般嵌入式微处理器外围硬件设备嵌入式操作系统户应程序四部分组成实现设备控制监视理等功嵌入式系统三基素：嵌入性专性计算机系统1
嵌入式系统通计算机系统通计算机系统相具特点：
(l)嵌入式系统通常面特定应嵌入式CPU工定户群设计系统中够PC中许板卡完成务集中芯片部通常具低功耗体积集成度高等特点
(2)嵌入式系统定义某种技术程核心处理环节满足技术程时限求然具实时处理特性嵌入式系统硬件软件必须高效率设计系统精简
(3)嵌入式产品员非计算机专业士环条件恶劣健壮性性该类产品必备条件提高执行速度系统性嵌入式系统软件般固化存储器芯片中存储磁盘等载体中2
嵌入式系统硬件软件综合体嵌入式系统分硬件软件两部分
(1)嵌入式系统硬件
嵌入式硬件包括处理器存储器外设IO端口等嵌入式处理器系统硬件核心年着量先进微处理器制造技术发展越越嵌入式系统嵌入式处理器建造通目处理器嵌入式处理器完成特殊应设计特殊目处理器目前较嵌入式处理器：
嵌入式微处理器(EMPU)
嵌入式微处理器基础通计算机中CPU嵌入式处理器目前PowerPC68000MIPSARM系列
嵌入式微控制器(MCU)
嵌入式微控制器称单片机般某种微处理器核核心芯片部集成ROMEPROMRAM等种必功外设微控制器目前嵌入式系统工业流目前品种数量较代表性包括8051等
嵌入式DSP处理器(EDSP)
DSP处理器系统结构指令进行特殊设计适合执行DSP算法编译效率较高指令执行速度较高嵌入式DSP处理器较代表性产品TexashistrumentsTMS320系列MotorolaDSP56000系列
嵌入式片系统(SOC)
SOC着EDI推广VLSI设计普化半导体工艺迅速发展硅片实现更复杂系统种通处理器核作SOC设计公司标准库成VLSI设计中种标准器件标准VHDL等语言描述存储器件库中户需定义出整应系统仿真通制作样品目前代表性产品TricoreMcoreNeuron芯片等等3
(2)嵌入式系统软件
嵌入式系统软件部分包括嵌入式操作系统应软件嵌入式操作系统核心嵌入式应基础台连接硬件应程序系统程序操作系统发展现广泛：道批处理操作系统分时操作系统实时操作系统嵌入式系统特点出嵌入式操作系统实时操作系统实时操作系统事件驱动外界作信号限定时间范围做出响应强调实时性性灵活性实时应软件相结合成机整体起着核心作理协调项工作 应软件提供良软件运行环境开发环境
12压生产动送料装置概况发展趋势
压成形作门古老年轻制造技术渗透国民济部门着国工业发展压制件类型工艺复杂化性化生产求手工送料压加工生产存着效率速度精度安全等方面系列问题压生产手工送料已逐步动送料机构取代进步满足压生产动化幅度提高生产节拍生产质量等求4
着电子计算机动控制精密机械测试技术断提高发展数压设备动送料装置着数控机床发展迅速发展演变概括起表现方面：
(1)高精度化
代工业产品精度求越越高精密零件误差范围求微米相适应计算机技术发展推动种加工精度补偿技术应发展作数控动化辅助装置动送料装置精度会直接影响产品精度追动送料装置高精度化永恒题表现定位进量
(2)高速度化
提高生产效率表现提高机床轴转速送料进量方面日DIMAC公司生产NC伺服辊轮送料机实现连续高速送料高速度达100mmin机床加工效率幅提高
(3)高柔性化
市场竞争日益激烈利少设备生产压制件间接降生产成成厂家竟相追求目标时代产品样化性化机床提出更高柔性加工求台压设备中完成模具加工等
(4)高动化
动化指全部加工程中减少介入动完成规定务特现代数控机床动送料装置结合真正高度动化成
(5)高性
规模集成电路计算机应数控机床越越场环境复杂性会受干扰追求高性研究项重课题着国压行业发展压设备性世界接轨压生产动化程度步提高压生产送料技术提出越越高求满足压设备配套
(6)交流伺服系统动送料机构
20年电力电子技术发展计算机控制技术现代控制理应交流伺服驱动技术飞速发展交流伺服动送料动力交流伺服电机具柔性化化特点工作性工艺适应性强国较先进动送料装置深圳力豪公司NCHF系列三合伺服系统送料机适合种五金电子电器玩具伺服送料汽车零件连续压加工送料矫正送料时意设送料长度操作容易安全稳定性高5
13选题背景意义
数控床送料系统床实现配套孔程中程序设定控制板料移动床孔实现孔高度动化该系统许行业着广泛应例灯箱制作饭金瓶盖低压灯饰果没采数控床送料系统板料裁减成条条然工送料存着危险效率低工序材料利率低等问题
年计算机控制技术检测技术电力电子技术发展进步交流伺服技术越越应压生产领域压生产动化智化柔性化水提高作数控床辅助装置——动送料机构直没应重视动送料机构作压加工生产实现动化基求动化程度高低直接影响着压生产效率生产节拍压生产整体动化水动化程度压设备相匹配甚高压设备够实现压生产完全动化发展压成形设备时予送料机构足够重视研究着实际意义
14课题研究现状
国1958年开始研制数控机床20世纪60年代中期进入实阶段80年代开始引进日美国德国等国外著名数控系统伺服系统制造商技术国数控系统性性等方面迅速发展六五七五八五九五科技攻关国已掌握现代数控技术核心容目前国已数控系统(含轴进驱动单元)生产企业五十家数控机床生产企业百余家6
着电子计算机动控制精密机械测试技术断提高发展数控压设备动送料装置着数控机床发展迅速发展演变压生产动化手工送料逐步动送料机构取代进步满足压生产动化幅度提高生产节拍生产质量势趋结合国实际国情生产设备现状传统压设备相长段时间里进行服役完全实现动化长段路走7
数控床送料系统床两坐标工作台数控系统组成数控系统根户输入程序孔工艺求控制工作台承载着板料作相应移动走该孔方便控制床孔8根现控制系统结构形式致分成类：
(l)专数控系统
国外法克西门子等数控系统国产武汉华中广州数控等专数控系统具控制精度高编程力强系统性高开发功等优点床说属点位控制控制相简单果选造价昂贵专系统疑资源种浪费
(2)单片机控制
单片机具结构简单方便价格便宜等优点更善长数计算数处理般更广泛应数采集中央控制室控制完全单片机控制特运动控制台单片机直接发送脉控制种方式单片机负荷特重者单片机专门针工业现场动化控制设计应现场时必须烦琐接口电路进行设计输入输出接口电路中祸合电路隔离电路驱动电路外工业现场电磁等干扰信号会单片机产生强烈干扰采单片机直接进入现场控制进行抗干扰处理考虑问题
(3)PLC控制
种设计方案简单硬件选范围广软件编程容易 直接通梯形图编程完成相应功调试般会出现太问题种方案系统造价较高成求严格场合难考虑灵活性较差容易造成系统资源浪费种方案般较型流水线生产设备数控床动送料系统特中型生产线中少采种方案9
通综合分析种控制形式特点出现动送料系统满足数控床控制求实际生产需根数控床控制特点选新型控制器设计出数控床动送料系统实际工业生产制造具重意义
15文容结构
课题采位机形式设计动送料装置工作位机电机控制系统设计采32位ARM微处理器S3C2440A作控制器移植实时操作系统Linux构成嵌入式系统操作台QtEmbeded设计视化图形户界面通ARMPWM输出脉控制XY轴电机运动
文章节容安排：
第章绪介绍课题背景意义数控床动送料系统发展现状趋势文章节容安排
第二章数控床动送料系统运动控制器软硬件总体设计
第三章运动控制原理介绍系统采粗插补精插补算法速度控制策略
第四章基ARM9嵌入式动送料运动控制器进伺服系统硬件设计设计运动控制器接口电路
第五章动送料系统运动控制器软件设计
第六章总结
第2章 动送料运动控制系统总体设计
21 系统设计原
基PC结构数控床动送料系统功强成高结构复杂性低适中型数控系统进行数控床动送料系统运动控制研究设计时吸取国外高档数控系功低档化应成功验适运中高档数控系统设计思想系统采犯位ARM芯片作CPU进行控制研制适传统数控床通型动送料运动控制系统目标原传统数控机床进行改造节约技术改造成
设计合理系统优化获佳设计效果必须遵循定设计原：
(l)模块化：软硬件设计时系统进行模块划分出模块框架样系统层次更加清晰设计工作更针性设计时模块框架系统进行设计调试纠错
(2)先进性：硬件设计时根功需求选择适系统功强新芯片样芯片仅保证系统技术新市场生命周期长满足高精度高性求简化电路设计保障系统性稳定性
(3)扩展性：设计电路时留余便修改扩展需硬件电路软件样通修改添加某算法升级需彻底换重新设计更新换代选择芯片时满足实际需求基础选取较容量型号留定存储空间便添加数：设计电路时考虑系统发展趋势预留接口便进行功扩展
(4)软件功代硬件功：软件旦调试寿命稳定性扩展性硬件实时性允许条件够软件完成功硬件样仅节省成提高系统性
(5)性抗干扰设计硬件系统设计缺少部分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方面功夫限度降低干扰10
22 数控床系统组成
数控床系统数控装置伺服系统床体组成结构图21示：
图21 32位ARM9芯片数控床组成框图
工作程通键盘加工程序输入数控装置数处理控制信息送伺服系统然完成头工作台间相互协调循环运动
23 床数控动送料系统总体设计
数控系统数控机床核心动完成户加工程序输入存储处理功字符图形显示诊断数运算插补计算位置控制等功11中数控机床实时性求较高功数运算插补计算位置控制动送料系统通伺服进系统进行运动控制完成动送料加工程12文硬件设计重点伺服进系统核心运动控制卡伺服电机接口电路设计
231床数控系统硬件结构设计
考虑数控床动送料系统功分配合理性工作协调性系统硬件采32位ARM9芯片结构模式实现伺服电动机控制CPU系统犯位ARM9芯片液晶显示器键盘输入装置数存储器等构成负责处理键盘显示网络通讯等非实时性工作：输入输出接口数存储器等构成负责实时性运动控制工作文重点完成犯位ARM9芯片设计运动控制器设计控制系统硬件结构图22示
图22 位机床数控系统硬件结构图
位计算机通讯通位机编制加工数RAM进行指令接受数交换工作位机结构模式提高机界面友性通编程加工文件实现复杂图形加工
232床数控系统软件结构设计
根数控床动送料系统设计系统采ARM9核心单片机控制形式采位机加工数编程位机控制形式系统软件设计分设计
ARM9核心单片机控制软件包括实现机话系统监控指挥整数控系统软件协调工作等包括CPU系统初始化床运动状态参数监控户加工程序编辑修改等功模块键盘输入输出口状态定时扫描插补计算工作台XY位控输出电机速度控制数处理等功模块系统通C语言ARM汇编相结合实现功模块控制ARM9核心单片机控制软件床数控系统结构图23示：
图23 ARM9单片机床数控系统软件结构图
采位机控制软件模块分图2425示
图24 位机软件程序模块
图25 位机床控制软件模块
文重点完成ARM9核心单片机运动控制系统软件设计
233 ARM9芯核简介
ARMAdvanced RISC Machines缩写微处理器行业家知名企业全球领先1632位RISC(Reduced Instruction Set Computer)微处理器知识产权设计供应商1985年Acorn公司负责技术组开发世界第商单片RISC微处理器1990年11月ARM公司英国成立全称Advanced RISC Machines Ltd苹果电脑Acorn Computer GroupVLSI Technology联合建立ARM市场快低价位定位竞争手区分开公司定位高性微处理器架构高端工作站方面应Intel等生产厂商ARM公司产品芯片IP(Intel1ectualProPerty)整套设计成果包括处理器体系结构规范具体电路图布线图分层掩膜图等供芯片生产厂商生产面特定应微处理器微控制器芯片13ARM公司1990年正式成立32位RISC CPU开发领域断取突破结构V3发展V6ARM公司设计芯核具低功耗低成等显著优点获众半导体厂家整机厂商力支持32位嵌入式应领域已占70产品市场低功耗低成嵌入式应领域确立市场领导位14现设计生产ARM芯片国际公司已超50家国中兴通讯华通讯等公司已购买ARM公司芯核通讯芯片设计
目前非常流行ARM核ARM7TDM7ARM9ARM9EARM10Secure CoreARM芯片获许实时操作系统RTOS(Real Time Operating System)供应商支持较名：Windows CELinuxpSOSVxWorksNueleusuCOS等
ARM9系列处理器英国ARM公司设计流嵌入式处理器包括ARM9TDMIARM9ES等系列新代ARM9处理器通全新设计采更晶体够达两倍ARM7处理器处理力种处理力提高通增加时钟频率减少指令执行周期实现
()时钟频率提高
ARM7处理器采3级流水线ARM9采5级流水线增加流水线设计提高时钟频率行处理力5级流水线够指令处理分配5时钟周期时钟周期时5指令执行样加工工艺ARM9TDMI处理器时钟频率ARM7TDMI1822倍
(二)指令周期改进
指令周期改进处理器性提高帮助性提高幅度赖代码执行时指令重叠实际程序身问题采高级语言般说性提高30左右
1．Loads指令Stores指令
指令周期数改进明显loads指令stores指令ARM7ARM9两条指令执行时间减少30指令周期减少ARM7ARM9两种处理器两基微处理结构造成
(1)ARM9独立指令数存储器接口允许处理器时进行取指读写数作改进型哈佛结构ARM7数存储器接口时取指令数访问
(2)5级流水线引入独立存储器写回流水线分访问存储器结果写回寄存器两点实现周期完成loads指令stores指令
2．互锁(interlocks)技术
指令需数前指令没执行完没准备会产生道互锁道互锁发生时硬件会停止指令执行直数准备止然种技术会增加代码执行时间初期设计者提供巨方便编译器汇编程序员通重新设计代码序者方法减少道互锁数量
3．分枝指令
ARM9ARM7分枝指令周期相ARM9TDMIARM9ES没分枝指令进行预测处理
ARM9ES例介绍ARM9处理器结构特点ARM9ES特点：
(1)32bit定点RISC处理器改进型ARMThumb代码交织增强性法器设计支持实时(realtime)调试
(2)片指令数SRAM指令数存储器容量调
(3)片指令数高速缓器(cache)容量4K字节1M字节
(4)设置保护单元(protcction unit)非常适合嵌入式应中存储器进行分段保护
(5)采AMBA AHB总线接口外设提供统址数总线
(6)支持外部协处理器指令数总线简单握手信令支持
(7)支持标准基逻辑单元扫描测试方法学支持BIST(builtinselftest)
(8)支持嵌入式踪宏单元支持实时踪指令数
第3章 数控技术中插补运动控制原理
31数控技术中常插补算法
运动控制系统够实现控运动象精确定位外必须实现控制控运动象定速度着指定路径运动轮廓控制控象运动轨迹部分直线圆弧种简单基曲线构成实际轮廓二次曲线高次曲线组成采段直线圆弧拟合满足精度求然需抛物线高次拟合情况种拟合方法插补数控装置编程时限数定方法产生直线圆弧等基线形基础完成需轮廓轨迹拟合工作
轮廓控制系统说重功插补插补务根进速度求轮廓起点终点间计算出干中间点坐标值中间点计算需时间直接影响系统控制速度插补中间点坐标值计算精度影响数控系统控制精度插补算法整数控系统控制核心
目前种常插补算法致分脉增量插补数字采样插补两类前者应步进电机驱动控制系统者交直流伺服电机驱动系统闭环半闭环控制系统步进电机伺服驱动开环控制系统目前中高端CNC系统中数采数字采样插补方法15
1．基准脉插补
基准脉插补称脉增量插补特点次插补结束运动坐标输出基准脉序列脉代表位移脉序列频率代表移动速度脉数量代表位移量基准脉插补实现方法较简单容易硬件实现种方法包括逐点较法数字积分法(DDA)等
2．数采样插补
数采样插补称数字增量插补特点产生单脉标准二进制字插补运算分两步完成第步粗插补定起点终点曲线间插入干点干条微直线段逼进定曲线粗插补插补运算周期中计算次微直线段长度速度插补周期关第二步精插补粗插补算出微直线段基础做数点密化工作步相直线脉增量插补种方法常时间分割法
32 粗插补
时间分割法CNC系统中较广泛采种粗插补计算方法加工段直线圆弧整段时间细分许相等时间间隔称插补周期(单位时间间隔)单位时间间隔进行次插补计算算出间隔坐标轴进量边计算边加工直加工终点
采时间分割法时加工某直线圆弧加工指令中必须出加工进速度V先通速度计算进速度分割成单位时间间隔插补进量f(称轮廓步长)称次插补进量例设机床进速度F(mmmin)插补周期T(ms)插补周期进量FT(um)FTF×T60式计算次插补进量f根刀具运动轨迹坐标轴关系求出轴插补周期插补进量时间间隔增量形式轴送出插补增量通驱动部分机床完成预定轨迹加工
时间分割法称数采样插补述分析知类算法核心问题计算坐标轴增长数前插补周期末动点位置值次插补周期坐标增长段容易计算出插补周期末动点命令位置坐标值直线插补讲插补形成轮廓步长子线段定直线重合会造成轨迹误差圆弧插补中切线弦线逼圆弧避免会带轮廓误差中切线似具较轮廓误差采常弦线逼法
33 精插补
精插补务粗插补轴直线进量变换成进脉序列控制电机运动数字积分法称DDA法(Digital Differential Analyzer)易硬件逻辑电路实现积分运算FPGA模块中实现占CPU资源脉分配均匀易实现坐标直线插补联动描绘面种函数曲线精度满足求
331 数字积分法基原理
根积分基原理函数XF(t)区间T0~T1范围积分该函数曲线横坐标TT0~T1围成面积似成曲线干矩形面积：
S∫F(t)dtΔt （31）
取单位1时：
S （32）
332 DDA直线插补器
XY两轴直线插补例设计DDA直线插补器工作程：发插补迭代脉积增量坐标寄存器中坐标值余数寄存器中余数累加次累加结果累加器容量时便相应坐标轴方发出溢出进脉余数存入余数寄存器中n次累加X轴Y轴分时达直线终点四轴联动讨两轴联动精插补运算原理相时设计四积分器实现
34速度控制方法
现代数控系统中加减速控制般采软件实现样系统带较灵活性速度控制时序加减速控制分两种：
(l)前加减速控制
前加减速控制指加减速控制放插补前原理：首先调加减速控制模块该模块根加减速控制曲线NC程序指令定进速度加工轨迹进行加减控制前插补周期合成进速度然调插补模块根合成速度进行相关理前插补周期合成进量合成进量分配轴
前加减速控制优点：仅合成进速度进行控制会影响实插补输出位置精度前加减速控制缺点：需预测减速点减速点根实际刀具位置前加工加工轨迹终点间距离确定完成预测减速工作量较
(2)加减速控制
加减速控制指加减速控制放插补原理：首先调插补模块模块利NC程序指令定进速度加工轨迹进行相关处理前插补期合成进量然合成进量分配轴轴独立调加减速控制模块现加减速控制
前加减速控制加减速控制插补零时轴通延长定时间渐前加工加工轨迹终点需预测减速点计算量较减速缺点：运动坐标轴分进行控制加减速控制实际坐标轴合成位置准确种影响仅存加减速程中系统进入匀速状态时种影响存
数控系统加减速控制采加减速曲线模型直线前加减速控制原方面：方面处理器计算力完全满足前加减速控制计算方面高精度数控系统发展重趋势加减速控制加减速控制程中影响加工精度样数控机床连续加工干长度较加工段时果直没进入匀速状态会导致加工段精度较低
第4章 动送料运动控制系统硬件设计
41 S3C2440A微处理器简介
目前ARM提供1632位嵌入式RISC核系列：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreIntelStrongARMXscale等中类根包含功模块分成种构成系列产品设计量遵循高性低功耗原满足户日益复杂应需求
S3C2440微处理器款Samsung半导体公司推出高性低功耗高集成度具工业级温度范围性微处理器该产品采013微米制成CMOS处理器53C2440基ARM公司ARM920T处理器核款高度集成芯片核速度533MHz核电压13V采1632位ARM920TRJSC核心该处理器面嵌入式设备具性价高功耗低特点嵌入式Linux操作系统移植性具较强控制力丰富片资源16
S3C2440芯片提供套较完整通系统外围设备系统消耗片集成功包括方面17：
12V核供电18V25V33V存储器供电33V外部FO供电具备16KBICache16KBDCacheMMU微处理器
外部存储控制器(SDRAM控制片选逻辑) LCD控制器(支持4K色STN256K色TFT)提供1通道LCD专DMA4通道DMA外部请求引脚3通道UA卫T(UDAI064字节TxFIFO64字节RxFIFO)2通道SPI1通I2CBUS接口(支持)1通I2CBUS音频编解码器接口AC97解码器接口兼容SD接口协议10版MMC卡协议211兼容版2端口USB机八端口USB设备(11版)4通道PWM定时器1通道部定时器门狗定时器8通道10特ADC触摸屏接口具日历功RTC相机接口(4096*40素投入支持2048*2048素投入支持缩放)130通IO口24通道外部中断源具普通慢速空闲掉电模式具PLL片时钟发生
42存储器接口电路
Flash存储器称闪存种系统(InSystem)进行电擦写掉电信息丢失存储器具低功耗容量擦写速度快整片分扇区系统编程(烧写)擦等特点部嵌入算法完成芯片操作种嵌入式系统中广泛应作种非易失性存储器Flash系统中存放程序代码常量表系统掉电需保存户数等NANDFlash储存器连接图图41示：
图41 NANDFlash储存器连接图
Flash存储器相较SDRAM存储器具掉电保持数特性存取速度远远Flash存储器具机读写特点SDRAM系统中作程序运行空间数堆栈区系统启动时CPU首先复位址0x00000000处读取启动代码完成系统初始化程序代码般应调入SDRAM中运行提高系统运行速度时系统应程序户堆栈运行数放SDRAM中18SDRAM储存器连接图图42示：
图42 SDRAM储存器连接图
S3C2440寻址单位字节AM29LV160DB选1M×16bit存储形式存储单位2字节S3C2440ADDR1ADDR20AM29LV160DB址总线A019相连ADDR1NOR Flash芯片相连BYTENOR Flash芯片读写方式选择高电应16bit模式低电应8bit模式文16bit模式直接接33V电源NOR Flash读写方式基存样直接址范围进行读写样启动程序拷贝NORFlash里面电便直接运行19图43NORFlash储存器连接图：
图43 NORFlash储存器连接图
43通讯模块
通讯模块实现位机通讯程序调试文设计三种通讯模块串口通讯USB通讯JTAG接口串口通讯电路图41示：
431串口通讯模块
微控制器PC提供串行接口电子工业协会(EIA)推荐RS232C标准种常串行数传输总线标准串行通讯方式具线路少成低特点特远程传输时避免条线路特性致广泛采进行串行通讯时求通讯双方采标准接口设备方便连接起进行通讯RS232接口目前常种串行通讯接口1970年美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统调制解调器厂家计算机终端厂家制定串行通讯标准串口通讯电路图44示：
图44 串口通讯连接图
RS232C标准采9芯25芯接口9芯接口常见完成基串行通信功实际需RXDTXDGNDRS232C标准定义高低电信号嵌入式系统接口LVTTL电路定义高低电LVTTL逻辑1应2~33V逻辑0应0V~04VRS232C标准采负逻辑方式逻辑1应5V~15V逻辑0应巧+5V~+l5V
432 USB通讯
USB1994年底英特尔康柏IBMMicrosoft等家公司联合提出USB4针插头作标准插头采菊花链形式外设连接起连接127外部设备会损失带宽USB具传输速度快(USB1Lshi 12MbpsUSB20480MbpsUSB305Gbps)方便支持热插拔连接灵活独立供电等优点
文中通USB接口位机加工代码传送位机中采USBHost接口S3C2440A带2端口USB机八端口USB设备(11版)
433 JTAG接口
JTAG(Joini Test Action Group)种国际标准测试协议芯片部测试系统进行仿真调试JTAG技术种嵌入式调试技术芯片部封装测试电路通专JTAG测试工具部节点进行测试目前数较复杂器件支持JTAG协议ARMDSPFPGA等标准JTAG接口4线TMSTCKTDITDO分模式选择时钟数输入数输出JTAG测试允许器件通JTAG接口串连起形成JTAG链实现器件分测试JTAG接口常ISP(InSystelnProgrammble线编程)功Flash器件进行编程等通JTAG接口芯片部器件进行访问开发调试嵌入式系统种简洁高效手段目前JTAG接口连接两种标准14针接口20针接口接口电路图图46示：
图46 JTAG接口电路
44 LCD触摸屏模块
操作方便触摸屏代鼠标键盘工作时首先手指物体触摸触摸屏然系统根手指触摸图标菜单位置定位选择信息输入触摸屏触摸检测部件触摸屏控制器组成触摸检测部件安装显示器屏幕前面检测户触摸位置接受送触摸屏控制器触摸屏控制器作触摸点检测装置接收触摸信息转换成触点坐标送CPU时接收CPU发命令加执行
触摸屏工作原理传输信息介质触摸屏般分四种电阻式电容感应式红外线式表面声波式电阻式非常配合电阻薄膜屏种层复合薄膜层玻璃硬塑触摸屏利压力感应进行控制四线电阻式触摸屏特点：高解析度高速传输反应表面硬度处理减少擦伤刮伤防化学处理具光面雾面处理次校正稳定性高永漂移20
45硬件抗干扰设计
工业环境中干扰般脉形式进入微机系统渠道三条(1)空间干扰(场干扰)电磁信号通空间辐射进入系统(2)程通道干扰干扰通系统相连前通道通道系统相互通道进入(3)供电系统干扰电磁信号通供电线路进入系统
输入输出通道采光电隔离器进行信息传输处微机系统种传感器开关执行机构电气隔离开部分干扰阻挡输入输出通道应采压保护电路防引入高电压伤害微机系统压保护电路限流电阻稳压组成限流电阻选择适宜太会引起信号衰减太起保护稳压作稳压选择适宜稳压值略高高传送信号电压宜太低效信号起限幅效果信号失真步进电机驱动电路采压保护电路
微机系统供电线路干扰源电源采隔离变压器接入电网防止电网干扰侵入微机系统隔离变压器普通变压器处初级次级间加层屏蔽层铁芯起接
系统模拟电路数字电路数字模拟分开点相连果两者分会互相干扰
第5章 动送料运动控制系统软件设计
采位机设计时位机采工控机VISUALBNET作开发工具开发控制系统位机软件文重点进行位机软件设计
控制系统中位机运行台实验室研发基ARM9运动控制器采C语言汇编混合编程方法助模块化设计方法完成位机系统功设计中路径规划功插补加减速控制模块评判运动控制器性控制算法坏直接影响运动控制器性坏系统研究重点
51软件系统总体设计
采位机设计时位机采工控机VISUALBNET作开发工具开发控制系统位机软件文重点进行位机软件设计
控制系统中位机运行台实验室研发基ARM9运动控制器采C语言汇编混合编程方法助模块化设计方法完成位机系统功设计中路径规划功插补加减速控制模块评判运动控制器性控制算法坏直接影响运动控制器性坏系统研究重点
52 ARM软件开发流程开发工具介绍
运动控制器软件开发务编程实现ARM9运动控制算法通讯等功模块运动控制器应程序部分容C语言开发少量采汇编语言开发实时性求较高需ARM9底层资源进行操作场合C语言编写相应代码会导致系统控制准确甚某操作功C语言根法实现(OVMCNF等位操作)时需C语言中嵌入汇编语言采C语言汇编语言混编程方式21
ARM软件开发流程图51示：
图51 ARM软件开发流程图
软件开发包括源程序编辑汇编链接仿真编程写入等步骤26源程序采C语言(必须C编译器)ARM9汇编语言编写软件项目开发程中工程链接命令文件(CMD)必少源文件目ARM9程序分配存储空间编写源文件汇编器汇编成目标文件(OBJ)链接器目标文件工程命令文件链接执行文件(OUT)通仿真器ARM9目标系统进行仿真模拟者通仿真器者专编程器程序写入FLASH者片外存储器中
运动控制器选ARM9核微处理器频高指令执行速度快输出较高脉频率采加减速控制方法控制伺服电机稳高速运行非常适合济型数控机床中代原基PC机数控机床降低成
53加减速控制模块设计
运动控制控制象启动停止阶段会分出现加速减速渡程伺服电机速度指令时域响应产生然现象保证进运动稳势设计保证伺服系统运动稳性避免击振荡做启动时失步停止时超程必须渡程进行专门效加减速控制加减速程采控制算法进行
加减速控制算法目标建立加减速程中速度相时间函数关系式f(t)应满足约束条件：
(l)加速程加速度应伺服电机驱动力矩限定启动加速度前提量保证启动时失步较快响应速度
(2)减速程速度变化率应位前缓减零保证停止时超程
(3)加减速程结束时应实际位置指令位置致保证位置精度直线加减速启动加减速结束时存加速度突变容易产生击适合高档数控系统系统曲线插补加减速控制中采插补前加减速控制方法通启动阶段高速阶段加速度衰减保证电机性充分发挥减启动击实现S形加减速控制算法22
S曲线加减速方法指加减速时加速度导数J常数加减速程通控制加速度导数避免加速度突变减加工程中加速度突变引起机械系统振动S曲线加减速分5段：加加速段减加速段匀速段加减速段减减速段S曲线加减速中加速度相加速度导数变化规律相直线加减速中速度相加速度变化规律理解S曲线加减速中嵌套两直线加减速
54通讯模块设计
系统线通讯采SRWF106型线数传输模块完成线通讯模块接收数控床控部分发出命令命令传伺服控制系统流程图53示：
图52 通讯模块流程图
第6章 结进步研究建议
61结
文尝试开发ARM9微控制器控制核心数控床嵌入式动送料运动控制系统通进伺服系统控制完成预定位置送料务完成方面工作：
1．通犯位ARM9芯核开发动送料控制系统普通床数控改造济型数控床高档数控转化提供理技术支持
2．采三次样条插补加减速控制算法够控制伺服电机稳高速运行提高床加工精度加工效率
3．通改变输入参数意改变板料尺寸加工件形状意选择加工速度易控制整机带安全监控系统运行安全
62进步研究建议
文设计嵌入式送料系统种实性强性高操作简单应广泛机电体化产品具良性价市场应前景广阔搭建整送料系统涉知识面广作者水限时间仓促存问题：
(l)硬件方面文动送料系统运动控制硬件进行设计方面功设计没进行软件方面重点实现插补运动算法速度控制程序实现软件功改进代码需更进步优化系统需进行次实验改进总结验
(2)电机控制方法选择选择更先进智控制方法更进步提高系统控制精度
参考文献
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[22] 赵巍王太勇万淑敏基NURBS曲线加减速控制方法研究中国机械工
程2006年第17卷第l期l3
致 谢
文耿振野导师悉心指导完成文进行期间耿老师悉心指教帮助支持解决遇种困难谨导师致衷心感谢感谢月关怀教诲身知识水制约文存着足请位老师学批评指正谢谢
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科生毕业文
基ARM数控床动送料系统设计
ARMbased CNC punch automatic feeding system design
学 生 姓 名
专 业
学 号
指 导 教 师
学 院
二〇三年六月
毕业设计（文）原创承诺书
1．承诺：呈交毕业设计（文）基单片机构成环境温湿度实时测控系统研究认真学理解学校长春理工学科毕业设计（文）工作条例教师指导保质保量独立完成务书中规定容弄虚作假抄袭工作容
2．毕业设计（文）中引观点研究成果均文中加注释参考文献形式列出文研究工作做出重贡献集体均已文中注明
3．毕业设计（文）中侵犯方面知识产权行承担相应法律责
4．完全解学校关保存毕业设计（文）规定：学校求提交文相关材料印刷电子版意学校保留毕业设计（文）复印件电子版允许查阅阅学校采影印缩印复制手段保存毕业设计（文）公布中全部部分容
承诺法律结果完全承担
作 者 签 名： 年 月日
摘
数控床送料系统床实现配套孔程中程序设定控制板料移动床孔实现孔高度动化文采目前广泛32位ARM微处理器Samsung公司基ARM920TS3C2440A作系统控制器该处理器面嵌入式设备具性价高功耗低特点嵌入式Linux操作系统移植性具较强控制力丰富片资源该系统实现数控床动送料软硬件结构简单定位精度高操作简单方便具良机界面文首先根生产实际求控制系统设计原确定送料系统软硬件总体设计方案
关键字：动送料系统 嵌入式系统 ARM S3C2440
ABSTRACT
Numerical control punch feeding system is mainly used to match with the punchcontrol the panel veneer to move and the punch to punch according to the settings of the programs in the process of punching to achieve a high degree of automation of punchingIn this paper S3C2440A(Samsung＇s ARM920T based controller)which is dely used as a 32bit ARM microprocessor is used as the main controller the processor is manily for embedded devices which has a high costeffective and low power consumption it＇s easy to migration in the embedded Linux operating system and has a strong control ability and rich chip resourcesThe system enables the machine to feed punching automatically the structure of hardware and software is simple and it＇s easy to operate the system has a high accuracy of positioning and good humanmachine interface The paper also introduces antijamming technology of the hardware and software of the system
Keywords：Automatic Feedingsystem Embedded System ARM S3C2440
目 录
摘 I
ABSTRACT II
目 录 I
第1章 前言 1
11嵌入式系统概述 1
12压生产动送料装置概况发展趋势 2
13选题背景意义 3
14课题研究现状 4
15文容结构 5
第2章 动送料运动控制系统总体设计 6
21 系统设计原 6
22 数控床系统组成 6
23 床数控动送料系统总体设计 7
床数控系统硬件结构设计 7
床数控系统软件结构设计 8
233 ARM9芯核简介 9
第3章 数控技术中插补运动控制原理 12
31数控技术中常插补算法 12
32 粗插补 12
33 精插补 13
331 数字积分法基原理 13
332 DDA直线插补器 13
34速度控制方法 14
第4章 动送料运动控制系统硬件设计 15
41 S3C2440A微处理器简介 15
42存储器接口电路 15
43通讯模块 16
串口通讯模块 16
432 USB通讯 17
433 JTAG接口 18
44 LCD触摸屏模块 19
45硬件抗干扰设计 19
第5章 动送料运动控制系统软件设计 21
51软件系统总体设计 21
52 ARM软件开发流程开发工具介绍 21
53加减速控制模块设计 22
54通讯模块设计 23
第6章 结进步研究建议 25
61结 25
62进步研究建议 25
参考文献 26
致 谢 27
第1章 前言
11嵌入式系统概述
20世纪70年代末微处理器出现着计算机技术半导体技术发展迅速发展起微处理器核心微型计算机具体积成低功耗低性高计算力强等特点需求微型机嵌入象体系中实现象体系智化控制种嵌入象体系中实现象体系智化控制计算机系统称作嵌入式计算机系统
数网站书籍资料中嵌入式系统定义样：嵌入式系统应中心计算机技术基础软硬件裁剪够适应实际应中功性成体积功耗等严格求专计算机系统嵌入式系统般嵌入式微处理器外围硬件设备嵌入式操作系统户应程序四部分组成实现设备控制监视理等功嵌入式系统三基素：嵌入性专性计算机系统1
嵌入式系统通计算机系统通计算机系统相具特点：
(l)嵌入式系统通常面特定应嵌入式CPU工定户群设计系统中够PC中许板卡完成务集中芯片部通常具低功耗体积集成度高等特点
(2)嵌入式系统定义某种技术程核心处理环节满足技术程时限求然具实时处理特性嵌入式系统硬件软件必须高效率设计系统精简
(3)嵌入式产品员非计算机专业士环条件恶劣健壮性性该类产品必备条件提高执行速度系统性嵌入式系统软件般固化存储器芯片中存储磁盘等载体中2
嵌入式系统硬件软件综合体嵌入式系统分硬件软件两部分
(1)嵌入式系统硬件
嵌入式硬件包括处理器存储器外设IO端口等嵌入式处理器系统硬件核心年着量先进微处理器制造技术发展越越嵌入式系统嵌入式处理器建造通目处理器嵌入式处理器完成特殊应设计特殊目处理器目前较嵌入式处理器：
嵌入式微处理器(EMPU)
嵌入式微处理器基础通计算机中CPU嵌入式处理器目前PowerPC68000MIPSARM系列
嵌入式微控制器(MCU)
嵌入式微控制器称单片机般某种微处理器核核心芯片部集成ROMEPROMRAM等种必功外设微控制器目前嵌入式系统工业流目前品种数量较代表性包括8051等
嵌入式DSP处理器(EDSP)
DSP处理器系统结构指令进行特殊设计适合执行DSP算法编译效率较高指令执行速度较高嵌入式DSP处理器较代表性产品TexashistrumentsTMS320系列MotorolaDSP56000系列
嵌入式片系统(SOC)
SOC着EDI推广VLSI设计普化半导体工艺迅速发展硅片实现更复杂系统种通处理器核作SOC设计公司标准库成VLSI设计中种标准器件标准VHDL等语言描述存储器件库中户需定义出整应系统仿真通制作样品目前代表性产品TricoreMcoreNeuron芯片等等3
(2)嵌入式系统软件
嵌入式系统软件部分包括嵌入式操作系统应软件嵌入式操作系统核心嵌入式应基础台连接硬件应程序系统程序操作系统发展现广泛：道批处理操作系统分时操作系统实时操作系统嵌入式系统特点出嵌入式操作系统实时操作系统实时操作系统事件驱动外界作信号限定时间范围做出响应强调实时性性灵活性实时应软件相结合成机整体起着核心作理协调项工作 应软件提供良软件运行环境开发环境
12压生产动送料装置概况发展趋势
压成形作门古老年轻制造技术渗透国民济部门着国工业发展压制件类型工艺复杂化性化生产求手工送料压加工生产存着效率速度精度安全等方面系列问题压生产手工送料已逐步动送料机构取代进步满足压生产动化幅度提高生产节拍生产质量等求4
着电子计算机动控制精密机械测试技术断提高发展数压设备动送料装置着数控机床发展迅速发展演变概括起表现方面：
(1)高精度化
代工业产品精度求越越高精密零件误差范围求微米相适应计算机技术发展推动种加工精度补偿技术应发展作数控动化辅助装置动送料装置精度会直接影响产品精度追动送料装置高精度化永恒题表现定位进量
(2)高速度化
提高生产效率表现提高机床轴转速送料进量方面日DIMAC公司生产NC伺服辊轮送料机实现连续高速送料高速度达100mmin机床加工效率幅提高
(3)高柔性化
市场竞争日益激烈利少设备生产压制件间接降生产成成厂家竟相追求目标时代产品样化性化机床提出更高柔性加工求台压设备中完成模具加工等
(4)高动化
动化指全部加工程中减少介入动完成规定务特现代数控机床动送料装置结合真正高度动化成
(5)高性
规模集成电路计算机应数控机床越越场环境复杂性会受干扰追求高性研究项重课题着国压行业发展压设备性世界接轨压生产动化程度步提高压生产送料技术提出越越高求满足压设备配套
(6)交流伺服系统动送料机构
20年电力电子技术发展计算机控制技术现代控制理应交流伺服驱动技术飞速发展交流伺服动送料动力交流伺服电机具柔性化化特点工作性工艺适应性强国较先进动送料装置深圳力豪公司NCHF系列三合伺服系统送料机适合种五金电子电器玩具伺服送料汽车零件连续压加工送料矫正送料时意设送料长度操作容易安全稳定性高5
13选题背景意义
数控床送料系统床实现配套孔程中程序设定控制板料移动床孔实现孔高度动化该系统许行业着广泛应例灯箱制作饭金瓶盖低压灯饰果没采数控床送料系统板料裁减成条条然工送料存着危险效率低工序材料利率低等问题
年计算机控制技术检测技术电力电子技术发展进步交流伺服技术越越应压生产领域压生产动化智化柔性化水提高作数控床辅助装置——动送料机构直没应重视动送料机构作压加工生产实现动化基求动化程度高低直接影响着压生产效率生产节拍压生产整体动化水动化程度压设备相匹配甚高压设备够实现压生产完全动化发展压成形设备时予送料机构足够重视研究着实际意义
14课题研究现状
国1958年开始研制数控机床20世纪60年代中期进入实阶段80年代开始引进日美国德国等国外著名数控系统伺服系统制造商技术国数控系统性性等方面迅速发展六五七五八五九五科技攻关国已掌握现代数控技术核心容目前国已数控系统(含轴进驱动单元)生产企业五十家数控机床生产企业百余家6
着电子计算机动控制精密机械测试技术断提高发展数控压设备动送料装置着数控机床发展迅速发展演变压生产动化手工送料逐步动送料机构取代进步满足压生产动化幅度提高生产节拍生产质量势趋结合国实际国情生产设备现状传统压设备相长段时间里进行服役完全实现动化长段路走7
数控床送料系统床两坐标工作台数控系统组成数控系统根户输入程序孔工艺求控制工作台承载着板料作相应移动走该孔方便控制床孔8根现控制系统结构形式致分成类：
(l)专数控系统
国外法克西门子等数控系统国产武汉华中广州数控等专数控系统具控制精度高编程力强系统性高开发功等优点床说属点位控制控制相简单果选造价昂贵专系统疑资源种浪费
(2)单片机控制
单片机具结构简单方便价格便宜等优点更善长数计算数处理般更广泛应数采集中央控制室控制完全单片机控制特运动控制台单片机直接发送脉控制种方式单片机负荷特重者单片机专门针工业现场动化控制设计应现场时必须烦琐接口电路进行设计输入输出接口电路中祸合电路隔离电路驱动电路外工业现场电磁等干扰信号会单片机产生强烈干扰采单片机直接进入现场控制进行抗干扰处理考虑问题
(3)PLC控制
种设计方案简单硬件选范围广软件编程容易 直接通梯形图编程完成相应功调试般会出现太问题种方案系统造价较高成求严格场合难考虑灵活性较差容易造成系统资源浪费种方案般较型流水线生产设备数控床动送料系统特中型生产线中少采种方案9
通综合分析种控制形式特点出现动送料系统满足数控床控制求实际生产需根数控床控制特点选新型控制器设计出数控床动送料系统实际工业生产制造具重意义
15文容结构
课题采位机形式设计动送料装置工作位机电机控制系统设计采32位ARM微处理器S3C2440A作控制器移植实时操作系统Linux构成嵌入式系统操作台QtEmbeded设计视化图形户界面通ARMPWM输出脉控制XY轴电机运动
文章节容安排：
第章绪介绍课题背景意义数控床动送料系统发展现状趋势文章节容安排
第二章数控床动送料系统运动控制器软硬件总体设计
第三章运动控制原理介绍系统采粗插补精插补算法速度控制策略
第四章基ARM9嵌入式动送料运动控制器进伺服系统硬件设计设计运动控制器接口电路
第五章动送料系统运动控制器软件设计
第六章总结
第2章 动送料运动控制系统总体设计
21 系统设计原
基PC结构数控床动送料系统功强成高结构复杂性低适中型数控系统进行数控床动送料系统运动控制研究设计时吸取国外高档数控系功低档化应成功验适运中高档数控系统设计思想系统采犯位ARM芯片作CPU进行控制研制适传统数控床通型动送料运动控制系统目标原传统数控机床进行改造节约技术改造成
设计合理系统优化获佳设计效果必须遵循定设计原：
(l)模块化：软硬件设计时系统进行模块划分出模块框架样系统层次更加清晰设计工作更针性设计时模块框架系统进行设计调试纠错
(2)先进性：硬件设计时根功需求选择适系统功强新芯片样芯片仅保证系统技术新市场生命周期长满足高精度高性求简化电路设计保障系统性稳定性
(3)扩展性：设计电路时留余便修改扩展需硬件电路软件样通修改添加某算法升级需彻底换重新设计更新换代选择芯片时满足实际需求基础选取较容量型号留定存储空间便添加数：设计电路时考虑系统发展趋势预留接口便进行功扩展
(4)软件功代硬件功：软件旦调试寿命稳定性扩展性硬件实时性允许条件够软件完成功硬件样仅节省成提高系统性
(5)性抗干扰设计硬件系统设计缺少部分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方面功夫限度降低干扰10
22 数控床系统组成
数控床系统数控装置伺服系统床体组成结构图21示：
图21 32位ARM9芯片数控床组成框图
工作程通键盘加工程序输入数控装置数处理控制信息送伺服系统然完成头工作台间相互协调循环运动
23 床数控动送料系统总体设计
数控系统数控机床核心动完成户加工程序输入存储处理功字符图形显示诊断数运算插补计算位置控制等功11中数控机床实时性求较高功数运算插补计算位置控制动送料系统通伺服进系统进行运动控制完成动送料加工程12文硬件设计重点伺服进系统核心运动控制卡伺服电机接口电路设计
231床数控系统硬件结构设计
考虑数控床动送料系统功分配合理性工作协调性系统硬件采32位ARM9芯片结构模式实现伺服电动机控制CPU系统犯位ARM9芯片液晶显示器键盘输入装置数存储器等构成负责处理键盘显示网络通讯等非实时性工作：输入输出接口数存储器等构成负责实时性运动控制工作文重点完成犯位ARM9芯片设计运动控制器设计控制系统硬件结构图22示
图22 位机床数控系统硬件结构图
位计算机通讯通位机编制加工数RAM进行指令接受数交换工作位机结构模式提高机界面友性通编程加工文件实现复杂图形加工
232床数控系统软件结构设计
根数控床动送料系统设计系统采ARM9核心单片机控制形式采位机加工数编程位机控制形式系统软件设计分设计
ARM9核心单片机控制软件包括实现机话系统监控指挥整数控系统软件协调工作等包括CPU系统初始化床运动状态参数监控户加工程序编辑修改等功模块键盘输入输出口状态定时扫描插补计算工作台XY位控输出电机速度控制数处理等功模块系统通C语言ARM汇编相结合实现功模块控制ARM9核心单片机控制软件床数控系统结构图23示：
图23 ARM9单片机床数控系统软件结构图
采位机控制软件模块分图2425示
图24 位机软件程序模块
图25 位机床控制软件模块
文重点完成ARM9核心单片机运动控制系统软件设计
233 ARM9芯核简介
ARMAdvanced RISC Machines缩写微处理器行业家知名企业全球领先1632位RISC(Reduced Instruction Set Computer)微处理器知识产权设计供应商1985年Acorn公司负责技术组开发世界第商单片RISC微处理器1990年11月ARM公司英国成立全称Advanced RISC Machines Ltd苹果电脑Acorn Computer GroupVLSI Technology联合建立ARM市场快低价位定位竞争手区分开公司定位高性微处理器架构高端工作站方面应Intel等生产厂商ARM公司产品芯片IP(Intel1ectualProPerty)整套设计成果包括处理器体系结构规范具体电路图布线图分层掩膜图等供芯片生产厂商生产面特定应微处理器微控制器芯片13ARM公司1990年正式成立32位RISC CPU开发领域断取突破结构V3发展V6ARM公司设计芯核具低功耗低成等显著优点获众半导体厂家整机厂商力支持32位嵌入式应领域已占70产品市场低功耗低成嵌入式应领域确立市场领导位14现设计生产ARM芯片国际公司已超50家国中兴通讯华通讯等公司已购买ARM公司芯核通讯芯片设计
目前非常流行ARM核ARM7TDM7ARM9ARM9EARM10Secure CoreARM芯片获许实时操作系统RTOS(Real Time Operating System)供应商支持较名：Windows CELinuxpSOSVxWorksNueleusuCOS等
ARM9系列处理器英国ARM公司设计流嵌入式处理器包括ARM9TDMIARM9ES等系列新代ARM9处理器通全新设计采更晶体够达两倍ARM7处理器处理力种处理力提高通增加时钟频率减少指令执行周期实现
()时钟频率提高
ARM7处理器采3级流水线ARM9采5级流水线增加流水线设计提高时钟频率行处理力5级流水线够指令处理分配5时钟周期时钟周期时5指令执行样加工工艺ARM9TDMI处理器时钟频率ARM7TDMI1822倍
(二)指令周期改进
指令周期改进处理器性提高帮助性提高幅度赖代码执行时指令重叠实际程序身问题采高级语言般说性提高30左右
1．Loads指令Stores指令
指令周期数改进明显loads指令stores指令ARM7ARM9两条指令执行时间减少30指令周期减少ARM7ARM9两种处理器两基微处理结构造成
(1)ARM9独立指令数存储器接口允许处理器时进行取指读写数作改进型哈佛结构ARM7数存储器接口时取指令数访问
(2)5级流水线引入独立存储器写回流水线分访问存储器结果写回寄存器两点实现周期完成loads指令stores指令
2．互锁(interlocks)技术
指令需数前指令没执行完没准备会产生道互锁道互锁发生时硬件会停止指令执行直数准备止然种技术会增加代码执行时间初期设计者提供巨方便编译器汇编程序员通重新设计代码序者方法减少道互锁数量
3．分枝指令
ARM9ARM7分枝指令周期相ARM9TDMIARM9ES没分枝指令进行预测处理
ARM9ES例介绍ARM9处理器结构特点ARM9ES特点：
(1)32bit定点RISC处理器改进型ARMThumb代码交织增强性法器设计支持实时(realtime)调试
(2)片指令数SRAM指令数存储器容量调
(3)片指令数高速缓器(cache)容量4K字节1M字节
(4)设置保护单元(protcction unit)非常适合嵌入式应中存储器进行分段保护
(5)采AMBA AHB总线接口外设提供统址数总线
(6)支持外部协处理器指令数总线简单握手信令支持
(7)支持标准基逻辑单元扫描测试方法学支持BIST(builtinselftest)
(8)支持嵌入式踪宏单元支持实时踪指令数
第3章 数控技术中插补运动控制原理
31数控技术中常插补算法
运动控制系统够实现控运动象精确定位外必须实现控制控运动象定速度着指定路径运动轮廓控制控象运动轨迹部分直线圆弧种简单基曲线构成实际轮廓二次曲线高次曲线组成采段直线圆弧拟合满足精度求然需抛物线高次拟合情况种拟合方法插补数控装置编程时限数定方法产生直线圆弧等基线形基础完成需轮廓轨迹拟合工作
轮廓控制系统说重功插补插补务根进速度求轮廓起点终点间计算出干中间点坐标值中间点计算需时间直接影响系统控制速度插补中间点坐标值计算精度影响数控系统控制精度插补算法整数控系统控制核心
目前种常插补算法致分脉增量插补数字采样插补两类前者应步进电机驱动控制系统者交直流伺服电机驱动系统闭环半闭环控制系统步进电机伺服驱动开环控制系统目前中高端CNC系统中数采数字采样插补方法15
1．基准脉插补
基准脉插补称脉增量插补特点次插补结束运动坐标输出基准脉序列脉代表位移脉序列频率代表移动速度脉数量代表位移量基准脉插补实现方法较简单容易硬件实现种方法包括逐点较法数字积分法(DDA)等
2．数采样插补
数采样插补称数字增量插补特点产生单脉标准二进制字插补运算分两步完成第步粗插补定起点终点曲线间插入干点干条微直线段逼进定曲线粗插补插补运算周期中计算次微直线段长度速度插补周期关第二步精插补粗插补算出微直线段基础做数点密化工作步相直线脉增量插补种方法常时间分割法
32 粗插补
时间分割法CNC系统中较广泛采种粗插补计算方法加工段直线圆弧整段时间细分许相等时间间隔称插补周期(单位时间间隔)单位时间间隔进行次插补计算算出间隔坐标轴进量边计算边加工直加工终点
采时间分割法时加工某直线圆弧加工指令中必须出加工进速度V先通速度计算进速度分割成单位时间间隔插补进量f(称轮廓步长)称次插补进量例设机床进速度F(mmmin)插补周期T(ms)插补周期进量FT(um)FTF×T60式计算次插补进量f根刀具运动轨迹坐标轴关系求出轴插补周期插补进量时间间隔增量形式轴送出插补增量通驱动部分机床完成预定轨迹加工
时间分割法称数采样插补述分析知类算法核心问题计算坐标轴增长数前插补周期末动点位置值次插补周期坐标增长段容易计算出插补周期末动点命令位置坐标值直线插补讲插补形成轮廓步长子线段定直线重合会造成轨迹误差圆弧插补中切线弦线逼圆弧避免会带轮廓误差中切线似具较轮廓误差采常弦线逼法
33 精插补
精插补务粗插补轴直线进量变换成进脉序列控制电机运动数字积分法称DDA法(Digital Differential Analyzer)易硬件逻辑电路实现积分运算FPGA模块中实现占CPU资源脉分配均匀易实现坐标直线插补联动描绘面种函数曲线精度满足求
331 数字积分法基原理
根积分基原理函数XF(t)区间T0~T1范围积分该函数曲线横坐标TT0~T1围成面积似成曲线干矩形面积：
S∫F(t)dtΔt （31）
取单位1时：
S （32）
332 DDA直线插补器
XY两轴直线插补例设计DDA直线插补器工作程：发插补迭代脉积增量坐标寄存器中坐标值余数寄存器中余数累加次累加结果累加器容量时便相应坐标轴方发出溢出进脉余数存入余数寄存器中n次累加X轴Y轴分时达直线终点四轴联动讨两轴联动精插补运算原理相时设计四积分器实现
34速度控制方法
现代数控系统中加减速控制般采软件实现样系统带较灵活性速度控制时序加减速控制分两种：
(l)前加减速控制
前加减速控制指加减速控制放插补前原理：首先调加减速控制模块该模块根加减速控制曲线NC程序指令定进速度加工轨迹进行加减控制前插补周期合成进速度然调插补模块根合成速度进行相关理前插补周期合成进量合成进量分配轴
前加减速控制优点：仅合成进速度进行控制会影响实插补输出位置精度前加减速控制缺点：需预测减速点减速点根实际刀具位置前加工加工轨迹终点间距离确定完成预测减速工作量较
(2)加减速控制
加减速控制指加减速控制放插补原理：首先调插补模块模块利NC程序指令定进速度加工轨迹进行相关处理前插补期合成进量然合成进量分配轴轴独立调加减速控制模块现加减速控制
前加减速控制加减速控制插补零时轴通延长定时间渐前加工加工轨迹终点需预测减速点计算量较减速缺点：运动坐标轴分进行控制加减速控制实际坐标轴合成位置准确种影响仅存加减速程中系统进入匀速状态时种影响存
数控系统加减速控制采加减速曲线模型直线前加减速控制原方面：方面处理器计算力完全满足前加减速控制计算方面高精度数控系统发展重趋势加减速控制加减速控制程中影响加工精度样数控机床连续加工干长度较加工段时果直没进入匀速状态会导致加工段精度较低
第4章 动送料运动控制系统硬件设计
41 S3C2440A微处理器简介
目前ARM提供1632位嵌入式RISC核系列：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreIntelStrongARMXscale等中类根包含功模块分成种构成系列产品设计量遵循高性低功耗原满足户日益复杂应需求
S3C2440微处理器款Samsung半导体公司推出高性低功耗高集成度具工业级温度范围性微处理器该产品采013微米制成CMOS处理器53C2440基ARM公司ARM920T处理器核款高度集成芯片核速度533MHz核电压13V采1632位ARM920TRJSC核心该处理器面嵌入式设备具性价高功耗低特点嵌入式Linux操作系统移植性具较强控制力丰富片资源16
S3C2440芯片提供套较完整通系统外围设备系统消耗片集成功包括方面17：
12V核供电18V25V33V存储器供电33V外部FO供电具备16KBICache16KBDCacheMMU微处理器
外部存储控制器(SDRAM控制片选逻辑) LCD控制器(支持4K色STN256K色TFT)提供1通道LCD专DMA4通道DMA外部请求引脚3通道UA卫T(UDAI064字节TxFIFO64字节RxFIFO)2通道SPI1通I2CBUS接口(支持)1通I2CBUS音频编解码器接口AC97解码器接口兼容SD接口协议10版MMC卡协议211兼容版2端口USB机八端口USB设备(11版)4通道PWM定时器1通道部定时器门狗定时器8通道10特ADC触摸屏接口具日历功RTC相机接口(4096*40素投入支持2048*2048素投入支持缩放)130通IO口24通道外部中断源具普通慢速空闲掉电模式具PLL片时钟发生
42存储器接口电路
Flash存储器称闪存种系统(InSystem)进行电擦写掉电信息丢失存储器具低功耗容量擦写速度快整片分扇区系统编程(烧写)擦等特点部嵌入算法完成芯片操作种嵌入式系统中广泛应作种非易失性存储器Flash系统中存放程序代码常量表系统掉电需保存户数等NANDFlash储存器连接图图41示：
图41 NANDFlash储存器连接图
Flash存储器相较SDRAM存储器具掉电保持数特性存取速度远远Flash存储器具机读写特点SDRAM系统中作程序运行空间数堆栈区系统启动时CPU首先复位址0x00000000处读取启动代码完成系统初始化程序代码般应调入SDRAM中运行提高系统运行速度时系统应程序户堆栈运行数放SDRAM中18SDRAM储存器连接图图42示：
图42 SDRAM储存器连接图
S3C2440寻址单位字节AM29LV160DB选1M×16bit存储形式存储单位2字节S3C2440ADDR1ADDR20AM29LV160DB址总线A019相连ADDR1NOR Flash芯片相连BYTENOR Flash芯片读写方式选择高电应16bit模式低电应8bit模式文16bit模式直接接33V电源NOR Flash读写方式基存样直接址范围进行读写样启动程序拷贝NORFlash里面电便直接运行19图43NORFlash储存器连接图：
图43 NORFlash储存器连接图
43通讯模块
通讯模块实现位机通讯程序调试文设计三种通讯模块串口通讯USB通讯JTAG接口串口通讯电路图41示：
431串口通讯模块
微控制器PC提供串行接口电子工业协会(EIA)推荐RS232C标准种常串行数传输总线标准串行通讯方式具线路少成低特点特远程传输时避免条线路特性致广泛采进行串行通讯时求通讯双方采标准接口设备方便连接起进行通讯RS232接口目前常种串行通讯接口1970年美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统调制解调器厂家计算机终端厂家制定串行通讯标准串口通讯电路图44示：
图44 串口通讯连接图
RS232C标准采9芯25芯接口9芯接口常见完成基串行通信功实际需RXDTXDGNDRS232C标准定义高低电信号嵌入式系统接口LVTTL电路定义高低电LVTTL逻辑1应2~33V逻辑0应0V~04VRS232C标准采负逻辑方式逻辑1应5V~15V逻辑0应巧+5V~+l5V
432 USB通讯
USB1994年底英特尔康柏IBMMicrosoft等家公司联合提出USB4针插头作标准插头采菊花链形式外设连接起连接127外部设备会损失带宽USB具传输速度快(USB1Lshi 12MbpsUSB20480MbpsUSB305Gbps)方便支持热插拔连接灵活独立供电等优点
文中通USB接口位机加工代码传送位机中采USBHost接口S3C2440A带2端口USB机八端口USB设备(11版)
433 JTAG接口
JTAG(Joini Test Action Group)种国际标准测试协议芯片部测试系统进行仿真调试JTAG技术种嵌入式调试技术芯片部封装测试电路通专JTAG测试工具部节点进行测试目前数较复杂器件支持JTAG协议ARMDSPFPGA等标准JTAG接口4线TMSTCKTDITDO分模式选择时钟数输入数输出JTAG测试允许器件通JTAG接口串连起形成JTAG链实现器件分测试JTAG接口常ISP(InSystelnProgrammble线编程)功Flash器件进行编程等通JTAG接口芯片部器件进行访问开发调试嵌入式系统种简洁高效手段目前JTAG接口连接两种标准14针接口20针接口接口电路图图46示：
图46 JTAG接口电路
44 LCD触摸屏模块
操作方便触摸屏代鼠标键盘工作时首先手指物体触摸触摸屏然系统根手指触摸图标菜单位置定位选择信息输入触摸屏触摸检测部件触摸屏控制器组成触摸检测部件安装显示器屏幕前面检测户触摸位置接受送触摸屏控制器触摸屏控制器作触摸点检测装置接收触摸信息转换成触点坐标送CPU时接收CPU发命令加执行
触摸屏工作原理传输信息介质触摸屏般分四种电阻式电容感应式红外线式表面声波式电阻式非常配合电阻薄膜屏种层复合薄膜层玻璃硬塑触摸屏利压力感应进行控制四线电阻式触摸屏特点：高解析度高速传输反应表面硬度处理减少擦伤刮伤防化学处理具光面雾面处理次校正稳定性高永漂移20
45硬件抗干扰设计
工业环境中干扰般脉形式进入微机系统渠道三条(1)空间干扰(场干扰)电磁信号通空间辐射进入系统(2)程通道干扰干扰通系统相连前通道通道系统相互通道进入(3)供电系统干扰电磁信号通供电线路进入系统
输入输出通道采光电隔离器进行信息传输处微机系统种传感器开关执行机构电气隔离开部分干扰阻挡输入输出通道应采压保护电路防引入高电压伤害微机系统压保护电路限流电阻稳压组成限流电阻选择适宜太会引起信号衰减太起保护稳压作稳压选择适宜稳压值略高高传送信号电压宜太低效信号起限幅效果信号失真步进电机驱动电路采压保护电路
微机系统供电线路干扰源电源采隔离变压器接入电网防止电网干扰侵入微机系统隔离变压器普通变压器处初级次级间加层屏蔽层铁芯起接
系统模拟电路数字电路数字模拟分开点相连果两者分会互相干扰
第5章 动送料运动控制系统软件设计
采位机设计时位机采工控机VISUALBNET作开发工具开发控制系统位机软件文重点进行位机软件设计
控制系统中位机运行台实验室研发基ARM9运动控制器采C语言汇编混合编程方法助模块化设计方法完成位机系统功设计中路径规划功插补加减速控制模块评判运动控制器性控制算法坏直接影响运动控制器性坏系统研究重点
51软件系统总体设计
采位机设计时位机采工控机VISUALBNET作开发工具开发控制系统位机软件文重点进行位机软件设计
控制系统中位机运行台实验室研发基ARM9运动控制器采C语言汇编混合编程方法助模块化设计方法完成位机系统功设计中路径规划功插补加减速控制模块评判运动控制器性控制算法坏直接影响运动控制器性坏系统研究重点
52 ARM软件开发流程开发工具介绍
运动控制器软件开发务编程实现ARM9运动控制算法通讯等功模块运动控制器应程序部分容C语言开发少量采汇编语言开发实时性求较高需ARM9底层资源进行操作场合C语言编写相应代码会导致系统控制准确甚某操作功C语言根法实现(OVMCNF等位操作)时需C语言中嵌入汇编语言采C语言汇编语言混编程方式21
ARM软件开发流程图51示：
图51 ARM软件开发流程图
软件开发包括源程序编辑汇编链接仿真编程写入等步骤26源程序采C语言(必须C编译器)ARM9汇编语言编写软件项目开发程中工程链接命令文件(CMD)必少源文件目ARM9程序分配存储空间编写源文件汇编器汇编成目标文件(OBJ)链接器目标文件工程命令文件链接执行文件(OUT)通仿真器ARM9目标系统进行仿真模拟者通仿真器者专编程器程序写入FLASH者片外存储器中
运动控制器选ARM9核微处理器频高指令执行速度快输出较高脉频率采加减速控制方法控制伺服电机稳高速运行非常适合济型数控机床中代原基PC机数控机床降低成
53加减速控制模块设计
运动控制控制象启动停止阶段会分出现加速减速渡程伺服电机速度指令时域响应产生然现象保证进运动稳势设计保证伺服系统运动稳性避免击振荡做启动时失步停止时超程必须渡程进行专门效加减速控制加减速程采控制算法进行
加减速控制算法目标建立加减速程中速度相时间函数关系式f(t)应满足约束条件：
(l)加速程加速度应伺服电机驱动力矩限定启动加速度前提量保证启动时失步较快响应速度
(2)减速程速度变化率应位前缓减零保证停止时超程
(3)加减速程结束时应实际位置指令位置致保证位置精度直线加减速启动加减速结束时存加速度突变容易产生击适合高档数控系统系统曲线插补加减速控制中采插补前加减速控制方法通启动阶段高速阶段加速度衰减保证电机性充分发挥减启动击实现S形加减速控制算法22
S曲线加减速方法指加减速时加速度导数J常数加减速程通控制加速度导数避免加速度突变减加工程中加速度突变引起机械系统振动S曲线加减速分5段：加加速段减加速段匀速段加减速段减减速段S曲线加减速中加速度相加速度导数变化规律相直线加减速中速度相加速度变化规律理解S曲线加减速中嵌套两直线加减速
54通讯模块设计
系统线通讯采SRWF106型线数传输模块完成线通讯模块接收数控床控部分发出命令命令传伺服控制系统流程图53示：
图52 通讯模块流程图
第6章 结进步研究建议
61结
文尝试开发ARM9微控制器控制核心数控床嵌入式动送料运动控制系统通进伺服系统控制完成预定位置送料务完成方面工作：
1．通犯位ARM9芯核开发动送料控制系统普通床数控改造济型数控床高档数控转化提供理技术支持
2．采三次样条插补加减速控制算法够控制伺服电机稳高速运行提高床加工精度加工效率
3．通改变输入参数意改变板料尺寸加工件形状意选择加工速度易控制整机带安全监控系统运行安全
62进步研究建议
文设计嵌入式送料系统种实性强性高操作简单应广泛机电体化产品具良性价市场应前景广阔搭建整送料系统涉知识面广作者水限时间仓促存问题：
(l)硬件方面文动送料系统运动控制硬件进行设计方面功设计没进行软件方面重点实现插补运动算法速度控制程序实现软件功改进代码需更进步优化系统需进行次实验改进总结验
(2)电机控制方法选择选择更先进智控制方法更进步提高系统控制精度
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致 谢
文耿振野导师悉心指导完成文进行期间耿老师悉心指教帮助支持解决遇种困难谨导师致衷心感谢感谢月关怀教诲身知识水制约文存着足请位老师学批评指正谢谢
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