第8章 ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)實例

1、第8章 ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)實例 8.1基于ARM+C/OS-的嵌入式磨削數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計8.2 基于ARM + Linux的現(xiàn)代化超市電子購物系統(tǒng)的設(shè)計 8.3 基于ARM+ Linux的嵌入式數(shù)控磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計 8.1 基于ARM+C/OS-的嵌入式磨削數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計8.1.1 前言嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計算機系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)具有微內(nèi)核、系統(tǒng)精簡、強實時性、專用性強等特點，因此特別適合具有實時性能要求的機電控制系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的基于單片機的簡易數(shù)控系統(tǒng)，雖然造價低，但功能不足，而基于工業(yè)PC的

2、嵌入型數(shù)控系統(tǒng)、基于高端PLC的專用數(shù)控系統(tǒng)等性能較好，但造價太高?；诟咝阅芮度胧轿⑻幚砥骱蛯崟r操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，將克服上述兩類數(shù)控系統(tǒng)的不足，具有性能好、成本低、體積小、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點，具有高的性價比，是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。本節(jié)以基于M250磨床的數(shù)控系統(tǒng)改造為研究背景，探討基于S3C44B0X實現(xiàn)的、具有一定通用性的嵌入式磨削數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)問題。 8.1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計1. S3C44B0X微處理器簡介 S3C44B0X是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價比、高性能的16/32位RISC型嵌入式微處理器。它集成了ARM7TDMI核，采用0.25m CMOS工藝

3、制造，并在ARM7TDMI核基本功能的基礎(chǔ)上集成了8KB Cache(數(shù)據(jù)或指令)、內(nèi)部SRAM、外部存儲器控制器、LCD控制器、4個DMA通道、帶自動握手的2通道UART、1個多主I2C總線控制器、1個I2S總線控制器、5通道PWM定時器、1個看門狗定時器、71個通用I/O口、8個外部中斷源、具有日歷功能的實時RTC、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、1個SIO接口以及PLL(鎖相環(huán))時鐘發(fā)生器等豐富的外圍功能模塊，非常適合于成本和功耗要求較高的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。 圖8.1 嵌入式磨削數(shù)控系統(tǒng)硬件組成框圖 2存儲器的擴展為了滿足需要，本系統(tǒng)擴展了Flash程序存儲器和SDRAM數(shù)據(jù)存儲器。Flash程

4、序存儲器在系統(tǒng)中用于存放程序代碼。本系統(tǒng)采用一片SST39VF160構(gòu)建16位的Flash存儲器系統(tǒng)，其存儲容量為2MB，并將其配置到存儲器的Bank0，即將S3C44B0X的nGCS0接至SST39VF160的片選信號nCE端，S3C44B0X的A20A1接至SST39VF160的A19A0端，其地址范圍是0 x000000000 x001FFFFF。SDRAM數(shù)據(jù)存儲器在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。本系統(tǒng)使用HY57V651620B構(gòu)建16位SDRAM存儲器系統(tǒng)，并通過nCS6將其配置到存儲器的BANK6，其存儲容量為4組16M位(8MB)，其地址范圍是0 x0C00000

5、00 x0C7FFFFF。 3通信和調(diào)試接口為了滿足系統(tǒng)各種可能的通信和調(diào)試需要，系統(tǒng)配備了RS-232C接口、USB接口以及JTAG接口。其中RS-232C接口用于直接從PC機接收有關(guān)加工信息數(shù)據(jù)，USB接口用于接收U盤等USB移動設(shè)備存儲的有關(guān)加工信息數(shù)據(jù)，JTAG接口則供系統(tǒng)交叉調(diào)試使用。由于S3C44B0X只有UART0/1并沒有集成RS-232C接口，這里選用MAX3232作為UART到RS-232C的電平轉(zhuǎn)換芯片，以便其與PC機等其他設(shè)備進行串行通信。因S3C44B0X內(nèi)部沒有USB接口，這里選用USB1.1版本的USBN9603作為S3C44B0X擴展USB控制器的接口芯片。二者

6、采用并行總線方式進行連接，S3C44B0X通過總線操作(nGCS4作為片選信號)對USBN9603進行控制，完成USB的讀寫操作。由于S3C44B0X中集成了JTAG信號，因此只需引出這些信號線在板上擴出JTAG口，即可與JTAG調(diào)試器進行通信。有關(guān)接口電路的具體連接此處略。4電機驅(qū)動控制模塊系統(tǒng)選用兩個交流伺服電機，交流伺服電機的控制采用位置控制。系統(tǒng)中采用S3C44B0X所具有的脈沖寬度調(diào)制PWM方式的輸出進行控制。 5人機交互模塊系統(tǒng)需要顯示的基本信息包括X軸和Y軸坐標(biāo)值(含X軸和Y軸運行方向指示)、參數(shù)值(磨削粗、精、光，速度，進給，粗磨，精磨；修整補償量、補償間隔，進給量、工件統(tǒng)計)

7、、磨削余量(光柱)、工作狀態(tài)指示(快進、粗磨、精磨、光磨、快退、等待、修整)和控制方式指示(自動、半自動、調(diào)校)等。同時為了操作和控制的方便，我們還可顯示其他有關(guān)的操作信息和控制界面。因此本系統(tǒng)選用LCD液晶顯示器進行顯示。由于S3C44B0X處理器本身自帶LCD控制系統(tǒng)，而且可以驅(qū)動所選用的液晶顯示屏，所以只要選用合適的LCD顯示器并把相應(yīng)的控制信號進行連接即可。系統(tǒng)用于參數(shù)設(shè)置和加工控制的鍵盤采用矩陣式鍵盤，并選用中斷掃描工作方式。 8.1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 1C/OS-操作系統(tǒng)的移植所謂C/OS-的移植，實際上就是對C/OS-中與處理器有關(guān)的代碼進行重寫或修改。其移植應(yīng)滿足以下要求：AR

8、M處理器的C編譯器可以產(chǎn)生可重入代碼；可以使用C 調(diào)用進入和退出臨界區(qū)代碼；處理器必須支持硬件中斷，并且需要一個定時中斷源；處理器需要能夠容納一定數(shù)據(jù)的硬件堆棧；處理器需要有能夠在CPU寄存器與內(nèi)核和堆棧間交換數(shù)據(jù)的指令，移植C/OS-內(nèi)核主要步驟如下：用#define設(shè)置一個常量的值；用#define分別聲明3個宏和10個與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型(在OS_CPU.H中)；用C語言編寫6個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)(在OS_CPU_C.C中)；用匯編語言編寫4個與處理器相關(guān)的函數(shù)(在OS_CPU_A.ASM中)。 2硬件驅(qū)動層擴展在硬件之上，必須有驅(qū)動程序來實現(xiàn)對硬件的基本操作。事實上，C/OS-并沒

9、有給驅(qū)動程序提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，任何在系統(tǒng)中實現(xiàn)硬件管理的程序都可以稱之為驅(qū)動程序。底層驅(qū)動程序通常采用匯編或C語言編寫，主要實現(xiàn)初始化硬件和釋放硬件，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)，檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤和故障。同時，還必須將對某個硬件進行的某項操作的代碼封裝成函數(shù)，供上層的程序調(diào)用。在本系統(tǒng)中，主要完成通信接口、電機驅(qū)動控制、LCD顯示等外設(shè)驅(qū)動函數(shù)的編寫。限于篇幅，下面僅介紹系統(tǒng)中一個重要的驅(qū)動程序USB驅(qū)動程序的編寫。USB驅(qū)動程序的主要任務(wù)是初始化USB接口、控制USB的讀寫操作、進行USB中斷操作及處理USB中斷服務(wù)程序。USB主機的軟件流程如圖8.2所示。 圖8.2 US

10、B主機的軟件流程圖 3應(yīng)用程序代碼的編寫1) main主函數(shù)的編寫多任務(wù)的啟動是通過在主函數(shù)main中調(diào)用OSStart()來實現(xiàn)的。調(diào)用OSStart()后，從任務(wù)就緒表中找到優(yōu)先級最高的任務(wù)控制塊，啟動高優(yōu)先級任務(wù)啟動函數(shù)OSStartHighRdy()然后再啟動多任務(wù)內(nèi)核。在主程序main()中需要做的是調(diào)用OSInit()對有關(guān)變量初始化，創(chuàng)建任務(wù)，調(diào)用OSStart()進入實時多任務(wù)環(huán)境，同時啟動時間節(jié)拍定時器，調(diào)度任務(wù)就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)轉(zhuǎn)入運行，獲得CPU，運行開始。 2) 中斷函數(shù)的編寫中斷函數(shù)的編寫和沒有嵌入式操作系統(tǒng)時基本相同，只是在原來的基礎(chǔ)上在固定的兩個位置增加兩個

11、函數(shù)OSIntEnter()和OSIntExit()，并在系統(tǒng)初始化時掛接在中斷向量表中。在中斷服務(wù)程序編寫的過程中要注意關(guān)中斷的時間。在C/OS-中，應(yīng)把數(shù)據(jù)處理任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)得高一些，并在中斷服務(wù)程序中使它進入就緒狀態(tài)，這樣可保證系統(tǒng)在調(diào)用OSIntExit()時判斷是否進行任務(wù)切換；并在中斷結(jié)束后立即調(diào)度并執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，以使中斷響應(yīng)的時間限制在一定范圍之內(nèi)。 3) 用戶任務(wù)的編寫基于C/OS-操作系統(tǒng)內(nèi)核的應(yīng)用代碼編程，主要就是對各個任務(wù)的編程。本系統(tǒng)中OSTaskCreate()創(chuàng)建了10個用戶任務(wù)：作業(yè)控制、U盤讀寫、鍵盤輸入、代碼翻譯、插補運算、電機控制、液晶顯示、檢測報

12、警、電源管理、時鐘任務(wù)，同時還包括空閑任務(wù)和統(tǒng)計任務(wù)等兩個系統(tǒng)任務(wù)。其中時鐘任務(wù)優(yōu)先級最高，它是一個超級任務(wù)，用來對其他任務(wù)進行超時監(jiān)控，以避免程序“跑飛”或陷入死循環(huán)。若數(shù)控系統(tǒng)功能需要增減，則只要在相應(yīng)的任務(wù)中進行模塊的添加和刪除。為了使系統(tǒng)更加快速、靈活、準(zhǔn)確，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級把用戶任務(wù)劃分為四層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、控制執(zhí)行層和輔助管理層，并從優(yōu)先級5開始定義。優(yōu)先級最高的是數(shù)據(jù)采集層，包括U盤讀寫、鍵盤輸入等任務(wù)，主要是準(zhǔn)確無誤地讀取加工信息并傳遞給數(shù)據(jù)處理層； 數(shù)據(jù)處理層是核心層，包括代碼翻譯、插補運算等任務(wù)，它根據(jù)數(shù)據(jù)采集層提供的加工信息，選擇相應(yīng)的控制策略，進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理

13、，發(fā)出相應(yīng)的控制指令；控制執(zhí)行層包括電機控制、液晶顯示等任務(wù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理層的期望值作為控制量，驅(qū)動相應(yīng)的電機工作控制磨削加工，顯示有關(guān)加工信息；輔助管理層包括電源管理、檢測報警等任務(wù)，優(yōu)先級最低，主要完成一些電源管理和系統(tǒng)診斷等輔助功能。各層內(nèi)的任務(wù)優(yōu)先級不是特別重要，可以根據(jù)具體應(yīng)用進行合理的設(shè)定。任務(wù)間的通信可以通過郵箱、消息隊列等IPC機制來實現(xiàn)。限于篇幅，下面僅介紹電機控制任務(wù)的程序設(shè)計。磨削機系統(tǒng)中主軸電機只需要實現(xiàn)簡單的通斷控制即可，而要求兩臺交流伺服電機能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動，既可以實現(xiàn)同方向同時旋轉(zhuǎn)，又可以實現(xiàn)反方向同時旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)通過S3C44B0X的PWM輸出通道產(chǎn)生連續(xù)的脈沖，為

14、實現(xiàn)交流伺服電機較精確的位置控制和實時響應(yīng)，采用軟件定時中斷的方式實現(xiàn)電機控制脈沖的發(fā)送。PWM控制流程如圖8.3所示，其中系統(tǒng)中所采用的插補算法為直接函數(shù)計算插補法，可達到較高的進給速度。 圖8.3 PWM控制流程圖 8.1.4 結(jié)論本嵌入式磨削數(shù)控系統(tǒng)以S3C44B0X為控制器，以C/OS-為操作系統(tǒng)，以U盤進行加工信息的離線傳輸，以PWM方式進行電機控制，以LCD顯示器進行顯示，并配有輸入鍵盤、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及多種數(shù)據(jù)通信接口。它具有控制精度高、成本低、體積小、易于擴展和升級等特點，是傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造和經(jīng)濟型數(shù)控機床升級開發(fā)的發(fā)展趨勢。本設(shè)計的創(chuàng)新之處就是設(shè)計了一個基于S3

15、C44B0X的嵌入式磨削數(shù)控系統(tǒng)，為傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造和經(jīng)濟型數(shù)控機床升級開發(fā)提供了一種可行而實用的設(shè)計思路。8.2 基于ARM+Linux的現(xiàn)代化超市電子購物系統(tǒng)的設(shè)計8.2.1 前言隨著社會的進步和發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活對嵌入式系統(tǒng)的功能和性能的要求不斷提高，原有的以單片機或嵌入式微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)已難以滿足某些高科技場合的需求。近幾年基于32位ARM結(jié)構(gòu)的微處理器+嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)便應(yīng)運而生，并成為嵌入式系統(tǒng)的研究熱點。本節(jié)以現(xiàn)代化超市為背景，旨在解決目前超市中存在的查詢商品不便、排長隊結(jié)賬、超市內(nèi)定位困難、服務(wù)和信息滯后等問題，采用嵌入式系統(tǒng)、射頻識別(RFID

16、)、無線局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、多媒體等技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)代化超市電子購物系統(tǒng)。8.2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)采用具有全球唯一UID的“電子標(biāo)簽”作為商品、會員和位置的信息載體。移動購物終端獲得由RFID讀卡模塊讀取的UID，通過無線局域網(wǎng)查詢數(shù)據(jù)庫信息后進行相應(yīng)的處理。將電子標(biāo)簽放在每個商品和會員卡中，移動購物終端就能自動識別并處理商品信息和顧客信息；將電子標(biāo)簽放在超市的地面下，移動購物終端就能自動在超市內(nèi)定位。 系統(tǒng)由移動購物終端和服務(wù)器端兩大部分構(gòu)成，均采用Linux操作系統(tǒng)，通過802.11b無限局域網(wǎng)連接。移動購物終端以Sitsang板為核心，外接CF無線局域網(wǎng)卡、相應(yīng)的讀卡模塊和讀卡控制電路，并

17、安裝在超市的購物小車上。服務(wù)器端由PC機、無限AP、打印機隊列組成，通過設(shè)計服務(wù)程序為終端提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)、NFS服務(wù)、語音服務(wù)、自動結(jié)賬服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.4所示，信息處理流程圖如圖8.5所示。 圖8.4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖 圖8.5 信息處理流程圖 8.2.3 移動購物終端硬件設(shè)計移動購物終端采用兩個RFID讀卡模塊，一個是識別商品電子標(biāo)簽的商品電子讀卡模塊，另一個是識別定位電子標(biāo)簽的定位標(biāo)簽讀卡模塊，兩個模塊均選用了Promatic公司的PRR8032 RFID讀卡模塊，電子標(biāo)簽采用TI公司的Tag-it HF-I Inlay(ISO15693)無源標(biāo)簽。

18、UID是每個電子標(biāo)簽中的全球唯一的64位標(biāo)識碼，根據(jù)ISO15693-3協(xié)議，它具有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)格式，在生產(chǎn)過程中已經(jīng)被固化在每一個電子標(biāo)簽的微電子芯片中，生產(chǎn)出以后不能再修改。移動購物終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖8.6所示。圖8.7是商品/會員標(biāo)簽和定位標(biāo)簽讀卡控制電路框圖。圖8.6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖8.7 商品/會員標(biāo)簽和定位標(biāo)簽讀卡控制電路框圖 8.2.4 移動購物終端軟件設(shè)計移動購物終端的軟件是基于Sitsang平臺和Linux操作系統(tǒng)，采用多進程技術(shù)開發(fā)，通過模塊化的設(shè)計，完成對商品信息、會員信息、超市服務(wù)信息的識別、查詢、管理、操作與顯示。圖8.8是軟件總體結(jié)構(gòu)流程圖。移動購物終端軟件設(shè)計

19、包括圖形界面設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計。其中圖形界面設(shè)計使用Linux平臺的QT/Embedded Evaluation Version2.3.2開發(fā)，采用QT特有的信號和槽(Signals and Slot)機制設(shè)計全新的圖形界面和應(yīng)用程序。圖8.9圖8.16為系統(tǒng)部分擬設(shè)計的典型圖形界面。應(yīng)用程序設(shè)計主要包括讀卡模塊設(shè)計、表格顯示模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)庫客戶端模塊設(shè)計等。 圖8.8 軟件總體結(jié)構(gòu)流程圖 圖8.9 會員身份識別與登錄界面 圖8.10 顧客與商品定位界面 圖8.11 商品分類查詢界面 圖8.12 購物清單界面 圖8.13 商品識別與顯示界面 圖8.14 商品詳細內(nèi)容顯示界面 圖8.15 自動結(jié)

20、賬界面 圖8.16 超市3D布局瀏覽界面 8.2.5 移動購物服務(wù)器端設(shè)計服務(wù)器使用Redhat Linux 9.0操作系統(tǒng)，并安裝較新版本的MySQL數(shù)據(jù)庫。通過配置打印機隊列進行購物小票的打印。通過多個AP覆蓋整個超市的范圍，服務(wù)器就可以同時為多個移動購物終端提供各種服務(wù)。服務(wù)器端編寫了自動結(jié)賬、語音服務(wù)等服務(wù)程序，并制作了相應(yīng)操作界面，管理各種信息。服務(wù)器端的設(shè)計主要包括三個方面：數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、定位子系統(tǒng)的設(shè)計、自動結(jié)賬子系統(tǒng)的設(shè)計。限于篇幅，有關(guān)具體設(shè)計略。 8.2.6 系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)調(diào)試結(jié)果1應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的建立通過修改內(nèi)核源程序printk.c中的printk函數(shù)，杜絕系統(tǒng)的內(nèi)核輸

21、出信息破壞圖形界面顯示：通過修改USB主口驅(qū)動源程序usbserio.c中的get_free_serial函數(shù)和結(jié)構(gòu)體變量，并在編譯內(nèi)核時選擇模塊USB FTDI Single Port Serial Driver，編譯模塊后將usbserial.o和ftdi_sio.o加載入內(nèi)核，驅(qū)動FT232BM芯片將USB主口轉(zhuǎn)換為UART；在定制文件系統(tǒng)時刪去與qpe桌面相關(guān)的部分，將移動購物終端軟件的程序及文件拷貝到/usr/qpe/bin目錄下取代原qpe桌面程序，修改qpe.sh腳本，即可實現(xiàn)在開機后自動運行終端程序并進入圖形界面。 2網(wǎng)絡(luò)調(diào)試環(huán)境建立為解決在一臺PC機上同時運行兩個Linux操

22、作系統(tǒng)的問題，本設(shè)計采用在WindowsXP系統(tǒng)中安裝虛擬機的方法。在虛擬機里安裝兩個Linux操作系統(tǒng)，一個作為宿主機，一個作為目標(biāo)機，這樣就可利用切換鍵在這三個系統(tǒng)之間相互切換，并建立三個系統(tǒng)的通信，既能充分利用熟悉的Windows操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源，又能共享三個系統(tǒng)的資源。 3圖形界面的調(diào)試在VMware中搭建調(diào)試環(huán)境，建立development機和target機，在VMware里使用kgdb進行調(diào)試環(huán)境的搭建。在development機上配合使用一些其他的調(diào)試工具，本設(shè)計使用的是圖形界面的DDD調(diào)試器，方便了內(nèi)核的調(diào)試工作。圖8.17圖8.20為系統(tǒng)部分典型圖形界面的調(diào)試結(jié)果。 圖8.

23、17 超市登錄界面的調(diào)試結(jié)果 圖8.18 商品分類查詢界面的調(diào)試結(jié)果 圖8.19 購物清單界面的調(diào)試結(jié)果 圖8.20 自動結(jié)賬界面的調(diào)試結(jié)果 4內(nèi)核在PXA255上的移植(1) 內(nèi)核的修改配置。找到經(jīng)過裁剪編譯的內(nèi)核，修改配置文件，匹配交叉編譯器；在193行找到ARCH，并進行對應(yīng)的修改；配置編譯的內(nèi)核，修改動態(tài)參數(shù)。(2) 編譯內(nèi)核。創(chuàng)建一個指向裁剪后的內(nèi)核源代碼符號；進入此目錄；運行清理包命令: make mrproper；使用現(xiàn)有的配置文件作為新內(nèi)核配置文件的基礎(chǔ)，復(fù)制已經(jīng)存在的配置文件到相應(yīng)的目錄中；運行sudo make menuconfig或sudo make xconfig進行編

24、譯。(3) 下載移植。下載zImage到開發(fā)板，完成移植。 8.2.7 結(jié)論系統(tǒng)由移動購物終端和服務(wù)器端組成，其中移動購物終端以Sitsang開發(fā)板和RIFD感應(yīng)器為基礎(chǔ)設(shè)計制作，借助于RFID卡和埋設(shè)在貨架通道上的定位卡，可以通過用戶購物車系統(tǒng)方便地獲得商品信息和超市導(dǎo)購信息。整個系統(tǒng)具有友好的中文圖形界面，能夠?qū)崿F(xiàn)商品的自動識別與詳細信息顯示、購物清單管理、商品分類查詢、顧客定位與商品定位、自動結(jié)賬、會員身份識別與管理、超市3D布局顯示、語音呼叫與留言等功能。本設(shè)計主要應(yīng)用于現(xiàn)代化超市中，還可以應(yīng)用到圖書館、倉儲、檔案室、物流等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用價值。 8.3 基于ARM+Linux的嵌

25、入式數(shù)控磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計8.3.1 前言當(dāng)今，數(shù)控機床以節(jié)約勞動力、生產(chǎn)效率高、精度可靠性高、柔性高等優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)機床。嵌入式系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)和PC平臺，既有單片機系統(tǒng)成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、體積小、功耗低的特點，又具有PC平臺的開發(fā)環(huán)境好、資源豐富、具備操作系統(tǒng)、用戶界面友好的特點，恰恰彌補了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的不足。它不僅具有可靠性高、穩(wěn)定性好、功能強的優(yōu)點，而且具有良好的可移植性和可裁減性，可根據(jù)實際需求進行系統(tǒng)功能的擴展和裁減，因而在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域就有良好的發(fā)展前景。本節(jié)以基于傳統(tǒng)數(shù)控磨床的數(shù)控系統(tǒng)改造為研究背景，探討基于S3C2440A實現(xiàn)的、具有一定通用性的嵌入式數(shù)控

26、磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)問題。 8.3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)基于原始PC數(shù)控磨床的基礎(chǔ)上進行改造設(shè)計，以三星公司的S3C2440A微處理器為核心。為通過擴展用戶板塊構(gòu)成硬件平臺，采用Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，編寫設(shè)備驅(qū)動程序、數(shù)控算法、人機交換界面等，以實現(xiàn)向伺服電機和步進電機驅(qū)動器提供控制信號，控制數(shù)控磨床各個刀片的旋轉(zhuǎn)和走位的嵌入式數(shù)控磨床的控制系統(tǒng)。它可以從USB和SD卡中讀取要加工的文件，也可以通過網(wǎng)絡(luò)或串口、USB下載存入Flash的具體地址，同時網(wǎng)絡(luò)功能也為遠程監(jiān)控做好了準(zhǔn)備。系統(tǒng)選用兩個交流伺服電機，交流伺服電機的控制采用位置控制，系統(tǒng)中采用S3C2440A所具有的脈沖寬度調(diào)

27、制PWM方式的輸出進行控制、加工。同時系統(tǒng)主板上有多種接口，為以后擴展其他功能做好準(zhǔn)備，如擴展網(wǎng)絡(luò)攝像機，以更方便、更直觀地進行遠程監(jiān)控。8.3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件以三星公司的S3C2440A ARM9芯片為核心(處理器為ARM920T)，擴展用戶板塊組成，硬件系統(tǒng)如圖8.21所示。 圖8.21 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 1. S3C2440A微處理器選擇由于本系統(tǒng)對處理速度要求高，所以選用ARM9內(nèi)核芯片；并且所要實現(xiàn)的功能比較強大，集成了很多的模塊，如觸摸屏、USB、攝像頭等，所以選用目前比較流行且集成度相當(dāng)高的S3C2440A芯片。S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，集成的片上功能有：

28、1.2V內(nèi)核，1.8V/2.5V/3.3V儲存器，3.3V擴展I/O，16KB指令Cache(I-Cache)/16 KB數(shù)據(jù)Cache(D-Cache)；外部儲存控制器(SDRAM控制盒片選邏輯)；集成LCD專用DMA的LCD控制器(支持最大4K色STN和256K色TFT)；4路擁有外部請求引腳的DMA控制器； 3路URAT(IrDA1.0，64 B Tx FIFO，64B Rx FIFO)；2路SPI；I2C總線接口(多主支持)；I2S音頻編解碼器接口；AC97編解碼器接口；1.0版SD主接口，兼容2.11版MMC接口；2路USB主機控制/1路USB期間控制(ver1.1)；4路PWM定時

29、器/1路內(nèi)部定時器/看門狗定時器；8路10位ADC和觸摸屏接口；具有日歷功能的RTC；攝像頭接口(支持最大40964096的輸入，20482048縮放輸入)；130個通用I/O，24個外部中斷源；電源控制(正常、慢速、空閑、睡眠模式)；帶PLL的片上時鐘發(fā)生器等。其接口豐富，非常適合外圍擴展模塊較多且低成本的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。 2. 存儲器的擴展本系統(tǒng)的存儲模塊采用NAND Flash與SDRAM組合成程序、數(shù)據(jù)存儲器，可以獲得非常高的性價比。本系統(tǒng)中使用的Flash芯片是Intel公司的K9F1216U0A Flash，存儲空間由128KB的擦除塊組成。擦除塊是相互獨立的，每一塊的擦除操作可以

30、在1秒內(nèi)完成。每一塊可以獨立地被擦除100 000次以上。 目前常用的SDRAM為8位/16位數(shù)據(jù)寬度，可根據(jù)系統(tǒng)需求構(gòu)建16位或32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)。TQS3C2440使用了兩片外接的32 MB總共64MB的SDRAM 芯片(型號為HY57V561620FTP)，一般稱之為內(nèi)存，它們并接在一起形成32位的總線數(shù)據(jù)寬度，這樣可以增加訪問的速度。因為是并接，故它們都使用了nGCS6作為片選端，物理起始地址為0 x30000000。 3. 各種外圍接口系統(tǒng)為了能更方便用戶的使用，擴展了許多接口，如圖8.21所示。USB和SD卡接口，用于接收U盤、SD卡等移動存儲設(shè)備的有關(guān)加工信息數(shù)據(jù)文件，

31、通過這兩個接口可以把加工文件輸入數(shù)控系統(tǒng)中，同時也可把文件拷貝到U盤或SD卡中。系統(tǒng)采用的人機交換界面是觸摸屏。系統(tǒng)需要顯示的基本信息包括X軸和Y軸坐標(biāo)值(含X軸和Y軸運行方向指示)、參數(shù)值(磨削粗、精、光，速度進給、粗磨、精磨，修整，補償量、補償間隔，進給量、工件統(tǒng)計)、磨削余量(光柱)、工作狀態(tài)指示(快進、粗磨、精磨、光磨、快退、等待、修整)和控制方式指示(自動、半自動、調(diào)校)等。同時為了操作和控制的方便，還可顯示其他有關(guān)的操作信息和控制界面，也可通過USB接備用鼠標(biāo)和鍵盤。 JTAG接口用來進行系統(tǒng)的調(diào)試與仿真，同時還可以用來進行文件的燒寫。以太網(wǎng)接口，系統(tǒng)用的是DM9000以太網(wǎng)芯片，

32、有100M，用來與外界聯(lián)系，也可以通過以太網(wǎng)進行文件的傳輸和遠程監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)攝像頭配合以太網(wǎng)進行遠程監(jiān)控。 4. 差分模塊驅(qū)動器所需指令脈沖和指令信號是一對相位相差180的信號，故在這里設(shè)置了差分電路，并使用四線高速差分驅(qū)動電路DS26LS31進行處理。微處理器輸出的單路信號經(jīng)過DS26LS31處理，可以得到一對相位相差180的信號以及所需要的指令脈沖和指令信號。5. 電機傳動模塊1) 伺服電機在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，考慮到電機帶動主軸高速旋轉(zhuǎn)進行金屬切削，屬于大負載、高速度的應(yīng)用，用伺服電機比較好，故在主軸上采用交流伺服電機驅(qū)動。考慮到由主機直接實現(xiàn)電機控制算法會占用處理器資源、影響多任務(wù)操作的快

33、速性，且不敢保證自己設(shè)計的外圍電路的驅(qū)動能力能滿足要求，故采用電機驅(qū)動器或變頻器驅(qū)動電機。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，選用交流伺服驅(qū)動器，通過S3C2440的PWM輸出通道產(chǎn)生連續(xù)的脈沖，并且為實現(xiàn)交流伺服電機比較的位置控制和實時響應(yīng)，采用軟件定時中斷的方式實現(xiàn)電機控制脈沖的發(fā)生。PWM的控制流程圖如圖8.22所示。 圖8.22 PWM的控制流程圖 編碼器反饋電纜直接接到伺服電機驅(qū)動器而非數(shù)控系統(tǒng)，傳感器將交流伺服電機轉(zhuǎn)子的位置、速度、轉(zhuǎn)矩信息編碼傳回給驅(qū)動器，驅(qū)動器再根據(jù)此信號調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。故無需考慮電機控制算法，只需向驅(qū)動器發(fā)送指令，即可對電機進行控制。 2) 步進電機系統(tǒng)使用的是混合式步進電機(H

34、ybrid，簡稱HB)?；旌鲜讲竭M電機綜合了反應(yīng)式電機和永磁式機兩者的優(yōu)點。混合式機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁鐵材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)工程中比較平穩(wěn)，噪聲低，低頻振動小。步進電機驅(qū)動器至少要連接一兩根信號線(脈沖和方向信號)。在三維空間的三個坐標(biāo)軸上，每個坐標(biāo)軸承上都需要接一組電機和驅(qū)動器，則至少需要6根信號線(為將來能擴展為5軸，需要10根信號線)，S3C2440A芯片提供了130個通用I/O口，所以我們在這使用

35、I/O口進行連接。 為了保護器件不受外來意外高壓/電流的損害，減少外界干擾，需要在芯片和外界電路之間加裝光耦芯片。另外，在本系統(tǒng)中，為了將刀具位置反饋給用戶查看，每個步進電機上需再安裝一個編碼器。編碼器與上位機連接的方式是通過RS-232/442/485等標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)線連接，檢測數(shù)據(jù)由編碼器處理并打包成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議格式發(fā)給上位機，而不需要進行其他算法的控制，提高了系統(tǒng)的實時性，精簡了外圍電路，降低了成本。 6光電隔離模塊為了防止控制信號受到干擾，在以前的步進電機驅(qū)動器電路設(shè)計時，通常采用脈沖變壓器作為電壓隔離接口部件，但是它在耐壓值、可靠性及體積方面都無法與光電耦合器相比，所以本系統(tǒng)采用了光電耦合

36、器作為隔離接口器件。光電耦合器是實現(xiàn)電隔離的核心器件，在本系統(tǒng)采用的是TLP521-4光電耦合器。利用TLP521-4的體積小、壽命長、抗干擾性強以及無觸點輸出(在電氣上完全隔離)等優(yōu)點來隔離電路、數(shù)模電路、邏輯電路、過流保護等。TLP521-4是4路光電耦合器，8個TLP521-4則組成32路光電耦合，其能把編碼器傳遞回的信號與電路板連接起來。8.3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計1. 操作系統(tǒng)平臺的搭建由于數(shù)控磨床系統(tǒng)需要同時運行多個設(shè)備，所以必須選用多線程操作系統(tǒng)，并且要求實時性非常高、運行穩(wěn)定、成本要低等。Linux以其開放源代碼和免費使用的特性以及架構(gòu)清晰、平臺支持廣泛、網(wǎng)絡(luò)支持強勁、內(nèi)核小、穩(wěn)定

37、性強、效率高、可裁剪，軟件豐富等優(yōu)點及支持多線程、運行速度快、便于移植的特點而受到廣大用戶的青睞。因此本系統(tǒng)選用Linux作為操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)的移植主要分為三部分：U-Boot的修改移植(Boot Loader)、Linux內(nèi)核的配置與移植、文件系統(tǒng)的制作與移植。本系統(tǒng)使用的是Linux 2.6.30內(nèi)核和yaffs格式文件系統(tǒng)。 圖8.23 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 2. 伺服電機與步進電機驅(qū)動程序1) 伺服電機驅(qū)動驅(qū)動伺服電機實際上是使用PWM波形發(fā)生器向伺服驅(qū)動器發(fā)送PWM脈沖，這是通過定時器的中斷來控制一個GPIO引腳置高或置低的持續(xù)時間實現(xiàn)的。S3C2440自帶了5個定時器，其中t

38、imer3已被DMA占用。通過改變相應(yīng)特殊寄存器的值對計時器進行配置。該驅(qū)動程序中編寫了四個方法：open、close、write、ioctl。其中write方法從應(yīng)用程序讀入一個周期的高低電平的脈寬，根據(jù)這些脈寬調(diào)節(jié)高低電平的持續(xù)時間；ioctl方法則是使輸出PWM波形的GPIO引腳保持低電平。 2) 步進電機驅(qū)動三組步進電機的驅(qū)動信號是通過用戶擴展數(shù)據(jù)總線發(fā)出的，每個步進電機占用兩位，分別表示方向和進給動作，6位總線數(shù)據(jù)同時發(fā)送，使得三個步進電機可以同時動作，實現(xiàn)三軸聯(lián)動。該驅(qū)動程序中除了open、close方法外，還編寫了write、read、ioctl方法。其中write方法完成連續(xù)控

39、制電機轉(zhuǎn)動功能，它將一系列連續(xù)的16位脈沖組合信號寫入虛擬地址中，使用一個計時器控制脈沖發(fā)送頻率；read方法完成從編碼器讀入位置信號的功能；ioctl方法不是連續(xù)發(fā)送脈沖信號，它讀取從應(yīng)用程序檢測到的鍵盤按鍵值，每收到一個鍵值，該方法就根據(jù)這個鍵值發(fā)送一個脈沖到相應(yīng)的電機，完成相應(yīng)的動作。 3) 插補程序及算法對于控制零件的輪廓來說，最重要的便是插補功能。由于插補運算是在機床運動過程中實時進行的，因此在有限的時間內(nèi)，必須對各坐標(biāo)軸實時地分配相應(yīng)的位置控制信息和速度控制信息。軟插補器時延較大，現(xiàn)在一般采用軟、硬結(jié)合的方式?，F(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)普遍提出了高速高精度的加工要求，而對于高速高精度的運動控制

40、，必須縮短采樣周期，提高插補精度。同樣，由于受機床的加速度及加速度變化率的限制，要保證機床運行的平穩(wěn)性及動態(tài)的精度，足夠數(shù)量程序段的前瞻處理優(yōu)化也是必不可少的。同時，在密集數(shù)據(jù)處理中不能有數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，預(yù)處理時間要短，從而保證機床連續(xù)高速運行。有了這些基礎(chǔ)，通過伺服前饋控制才能減小跟蹤誤差，在保證高精度的前提下實現(xiàn)高速加工。 系統(tǒng)采用的是逐點比較圓弧插補法，在編寫加工程序時，一般只考慮刀具中心沿零件輪廓切削，而忽略刀具半徑對加工的影響，在實際加工時需要在刀具中心與刀具切削點之間進行位置偏置，補償上述影響，這種變換過程即為刀具補償。系統(tǒng)采用的是帶有過渡連接的C刀具補償算法，該算法比較復(fù)雜，與許多因素有關(guān)，為此定義了一個刀補函數(shù)參數(shù)，該函數(shù)具有更改插補始末位置、增加過渡曲線實現(xiàn)刀補功能。 4) 仿真程序的編寫仿真是通過對已編譯的加工文件