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ARM＋DSP平台的小型切割机嵌入式系统设计

作　者: 吴磊
导　师: 唐厚君
学　校: 上海交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 数控切割机 ARM 嵌入式系统多任务消息管理 DSP
分类号: TP368.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 245次
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内容摘要

数控切割机是大型船厂、机械制造和钢结构企业的主要加工生产设备。目前在数控切割领域,产品研发长期以来一直偏向于大型数控切割系统的研发,在小型、经济型应用场合缺少低成本的自动化生产设备。因此,开发应用于中小型钢板切割机的数字控制器是当前数控领域一个新的热点和具有理论、实践意义的研究方向。本文基于ARM与DSP,设计了小型数控切割机的嵌入式控制器。实现了对以步进电机为执行器的切割机床的加工运动控制,覆盖了基于工控机与运动控制卡的大型数控切割系统的主要功能,很好地解决了小型切割机的数字化控制问题。本课题做了以下几个方面的研究和开发工作:一、针对小型数控切割机体积小、成本低的要求,开发了基于ARM与DSP的控制器硬件,成本仅为大型数控系统的1/5至1/10,功能达到设计目标。二、设计了具备图形液晶、PS/2键盘和USB等友好接口的完善用户接口体系,能够通过U盘读入加工代码、通过通用键盘输入指令并在液晶上跟踪显示加工图形。汉字提示和图形界面直观易学,有效降低了小型数控切割机的操作复杂程度。三、由于加工工艺复杂,在ARM上移植并应用了嵌入式操作系统,创建多任务并使用消息响应机制管理各个界面的切换和操作。同时移植并应用了嵌入式GUI,将字符、汉字、图形纳入统一的API体系中,软件结构清晰、效率较高。四、采用一种高效的运动插补算法。将数字增量算法改进引入到以步进电机作为执行器的开环控制系统中,保证在插补过程中移动部件的运动路径与插补轮廓之间的误差始终保持在一个脉冲当量之内。为了实现人机接口和控制指令的传输,设计并实现了DSP与上位机ARM之间的数据通讯。本文开发的小型数控切割机控制器已经做出了实物原型,目前正在切割机生产厂进行性能测试。已完成的测试结果表明,系统控制精度高,界面和功能完善,运行稳定可靠,能够满足切割机的自动控制要求。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-19
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 国内外研究现状和发展趋势  13-14
    1.2.1 国内外研究现状  13
    1.2.2 数控发展趋势  13-14
  1.3 研究和控制对象-小型切割机介绍  14-17
    1.3.1 切割方式的主要分类  14-15
    1.3.2 小型数控切割机的组成  15-16
    1.3.3 数控切割系统的特点  16
    1.3.4 切割机工作过程  16-17
  1.4 主要研究内容  17-19
    1.4.1 基于ARM+DSP 的数控切割机控制器开发  17-18
    1.4.2 用于开环步进电机的插补算法设计  18-19
第二章系统设计  19-26
  2.1 系统功能要求  19-20
  2.2 系统技术指标  20
  2.3 数字控制器的方案设计  20-23
    2.3.1 控制器总体方案设计  20-21
    2.3.2 用户交互单元  21-22
    2.3.3 运动控制与IO 单元  22-23
  2.4 步进电机选型  23-26
    2.4.1 步进电机的类型选择  23-24
    2.4.2 步进电机的最大静态扭矩选择  24
    2.4.3 步进电机的控制  24-26
第三章硬件设计  26-42
  3.1 用户交互单元设计  26-35
    3.1.1 单元的外部总线设计  26-28
    3.1.2 LCD 控制电路设计  28-30
    3.1.3 PS/2 键盘设计  30-33
    3.1.4 USB 接口设计  33-34
    3.1.5 SD 卡接口设计  34-35
  3.2 运动控制处理器的选型与设计  35-39
    3.2.1 运动控制处理器的选择标准  35-37
    3.2.2 控制单元的比较  37-38
    3.2.3 DSP 的选型  38-39
  3.3 运动控制器接口设计  39-42
    3.3.1 电机控制输出接口  40-41
    3.3.2 IO 输入输出接口  41-42
第四章软件设计  42-80
  4.1 系统软件功能  42-43
  4.2 ARM 处理器及BOOTLOADER  43-46
    4.2.1 ARM 体系结构  43-44
    4.2.2 ARM 的异常中断向量表  44-45
    4.2.3 BOOTLOADER 分析  45-46
  4.3 嵌入式操作系统和GUI 的移植和应用  46-53
    4.3.1 uCOS-II 概述  46-47
    4.3.2 uCOS-II 在ARM 上的移植  47-49
    4.3.3 多任务和消息管理  49-50
    4.3.4 uC/GUI 概述  50-51
    4.3.5 uC/GUI 在ARM 上的移植  51-53
  4.4 文件系统在SD 卡和USB 上的实现  53-58
    4.4.1 SD 卡底层驱动  53-54
    4.4.2 FAT16 文件系统在SD 卡上实现  54-57
    4.4.3 USB 接口实现  57-58
  4.5 特殊功能的软件实现  58-66
    4.5.1 图形放大和动态跟踪  58-62
    4.5.2 图形库快速建模  62-63
    4.5.3 断点保存与恢复  63-64
    4.5.4 参数保护  64-65
    4.5.5 软件升级  65-66
  4.6 DSP 插补软件设计  66-73
    4.6.1 直线插补  66-68
    4.6.2 圆弧插补  68-71
    4.6.3 单段曲线的速度插补  71-72
    4.6.4 脉冲产生  72-73
  4.7 ARM 与DSP 通讯设计  73-80
    4.7.1 G 代码的解析  73-76
    4.7.2 模块间通讯协议的制定  76-80
第五章系统测试设计  80-86
  5.1 切割机功能测试  80-81
    5.1.1 基本功能测试  80-81
    5.1.2 断点恢复测试  81
  5.2 切割机精度测试  81-86
    5.2.1 重复精度测试  81-82
    5.2.2 速度与加减速测试  82-83
    5.2.3 标准加工测试曲线测试  83-86
第六章总结与展望  86-89
  6.1 总结  86-87
  6.2 展望  87-89
参考文献  89-91
附录  91-96
致谢  96-97
攻读学位期间发表的学术论文  97

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