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通用型四轴运动控制器的设计与研究

作　者: 杨维发
导　师: 赵振华
学　校: 武汉工程大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: ARM PCL6045B Linux 运动控制器
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

运动控制技术是推动新产业革命的关键技术,也是一个国家工业现代化水平的标志。随着我国制造业的快速发展,传统设备的更新使得对运动控制器的需求越来越大。同时随着运动控制技术的不断进步和发展,对新一代运动控制器的高性能、多功能、开放式、低成本要求越来越高。通过对现有运动控制器设计方案的比较研究,本文提出基于一款基于嵌入式Linux操作系统的四轴运动控制器方案。系统以三星公司的ARM微处理器S3C2440和日本NPM公司的专用运动控制芯片PCL6045B为核心,设计了一款多功能的通用型运动控制器。本设计所包含的硬件模块主要有运动控制模块、通信模块、存储器模块和CPU外围模块。运动控制模块由PCL6045B的输入输出端口和光电隔离模块构成;通信模块包括串口通信,网口通信和USB通信;存储器模块包括NAND FLASH存储器、SDRAM存储器和USB移动存储设备接口;CPU外围模块包括复位电路、JTAG电路、时钟电路等。软件方面,我们移植了U-Boot和Linux2.6内核,并移植了NAND FLASH、串口、USB和网络控制器等驱动程序。在此基础之上,开发了PCL6045B的驱动程序,使得用户只需要在Linux平台上做相应的应用程序开发。最后,结合具体的控制对象给出了应用实例。我们将运动控制器用于三轴雕刻机的设计中,最终获得了比较理想的效果。在文章的结尾,对运动控制器的设计进行了总结并展望了后期需要完善的工作和可以扩展的功能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 运动控制器的发展历史  9-10
  1.2 运动控制器的研究现状  10-11
  1.3 运动控制器的发展趋势  11-13
  1.4 课题研究意义及内容  13
  1.5 本章小结  13-15
第2章运动控制器整体方案设计  15-23
  2.1 运动控制器技术性能  15-16
  2.2 运动控制器的总体结构设计  16-17
  2.3 嵌入式操作系统的选择  17-21
    2.3.1 嵌入式操作系统简介  17-18
    2.3.2 几种嵌入式操作系统的比较及选型  18-21
  2.4 本章小结  21-23
第3章运动控制器硬件电路设计  23-47
  3.1 S3C2440 微处理器硬件结构  23-25
  3.2 专用运动控制芯片PCL60458 简介  25-34
    3.2.1 PCL6045B功能及内部结构  26-32
    3.2.2 PCL6045B 与S3C2440 接口设计  32-34
  3.3 通信模块设计  34-38
    3.3.1 串口通信  34-35
    3.3.2 USB 通信  35-36
    3.3.3 以太网通信  36-38
  3.4 存储器模块设计  38-43
    3.4.1 NAND FLASH 存储器  38-39
    3.4.2 SDRAM 存储器  39-42
    3.4.3 USB 移动存储设备接口  42-43
  3.5 JTAG 接口设计  43
  3.6 实时时钟及复位电路  43-45
  3.7 本章小结  45-47
第4章运动控制器软件设计  47-75
  4.1 系统软件框架设计  47-48
  4.2 交叉开发环境的搭建  48-51
    4.2.1 嵌入式软件开发流程  48-49
    4.2.2 交叉编译环境的建立  49-51
  4.3 U-Boot 的修改及移植  51-60
    4.3.1 U-Boot 的移植  51-56
    4.3.2 NAND FLASH 驱动的实现  56-60
      4.3.2.1 从NAND FLASH 存储器启动  57-59
      4.3.2.2 U-Boot 中NAND FLASH 命令  59-60
  4.4 Linux 2.6 内核移植  60-68
    4.4.1 Linux2.6 内核新特性  60-63
    4.4.2 RTLinux 实时系统  63-65
      4.4.2.1 RT-Linux 简介  63-64
      4.4.2.2 RT-Linux 实现原理  64-65
    4.4.3 Linux 内核配置及编译  65-68
  4.5 Linux 根文件系统的构建  68-73
    4.5.1 BusyBox 的安装  68-71
    4.5.2 制作根文件系统  71-73
  4.6 本章小结  73-75
第5章 PCL6045B 的驱动程序设计  75-99
  5.1 PCL6045B 的控制方法  75-88
    5.1.1 控制寄存器  75-79
      5.1.1.1 指令寄存器COMW  76-77
      5.1.1.2 输出设置寄存器OTPW  77
      5.1.1.3 数据缓冲寄存器BUFW  77-78
      5.1.1.4 主状态寄存器MSTSW  78-79
      5.1.1.5 子状态寄存器SSTSW  79
    5.1.2 COM80 指令集  79-83
      5.1.2.1 操作指令  80
      5.1.2.2 控制器指令  80
      5.1.2.3 通用输出端口控制指令  80-81
      5.1.2.4 寄存器操作指令  81-83
    5.1.3 PCL6045B 的控制代码  83-86
      5.1.3.1 指令写入函数  83-84
      5.1.3.2 写寄存器函数  84-85
      5.1.3.3 读寄存器函数  85-86
    5.1.4 速度模式  86-88
  5.2 PCL6045B 地址的静态映射  88-89
  5.3 字符设备驱动模型  89-94
    5.3.1 加载与卸载函数  90-91
    5.3.2 file_operation 结构体  91-92
    5.3.3 设备号  92
    5.3.4 字符设备描述符  92-93
    5.3.5 字符设备驱动的组织结构  93-94
  5.4 PCL6045B 驱动程序设计  94-97
    5.4.1 pc16045b_init 和pc16045b_exit 函数  94-95
    5.4.2 pc16045b_open 函数  95-96
    5.4.3 pc16045b_read 函数  96-97
    5.4.4 pc16045b_write 函数  97
  5.5 本章小结  97-99
第6章运动控制器在三轴雕刻机中的应用  99-105
  6.1 三轴雕刻机的设计方案  99-100
  6.2 G 代码的读取及解析  100-101
  6.3 插补模块的实现  101-103
  6.4 本章小结  103-105
第7章总结与展望  105-107
  7.1 总结  105
  7.2 展望  105-107
参考文献  107-111
附录1 指令编码宏定义  111-113
附录2 G代码解析函数  113-117
攻读硕士学位期间发表的论文  117-119
致谢  119

通用型四轴运动控制器的设计与研究

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