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数控系统中的嵌入式硬件平台的设计

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数控系统中的嵌入式硬件平台的设计 (毕业设计57页、18184字)

摘  要:本文介绍了一种嵌入式硬件平台的设计,以用于现在日益发展的数控系统。论文首先介绍数控系统以及ARM处理器的历史和当今发展状况,讨论了多种嵌入式芯片的性能,功能和价格的优越关系,据此分析之后重点介绍了ARM处理器的功能模块,编程特点以及电机驱动的相关知识。由ARM7处理器担任主控制单元,控制伺服电机转动,使用LCD12864作为系统终端显示,使用PID算法作为电机速度控制算法,搭建H型互补对称电路作为电机驱动电路。为了提高测量准确度,给出了基于环境变量的补偿算法。经过硬软件调试,模块能够正常工作,达到了设计要求。

关键词:数控系统;ARM微处理器;PID算法;H桥驱动

 

 
Design of Embedded Hardware Platform for the Numerical Control System

Abstract: In this dissertation, the design of one type of embedded hardware platform used in the numerical control system is introduced, Firstly, this paper introduce the history and the current development of the Numerical control system and the ARM processor discusses the capability, function and price superiority of several different kinds of embedded chips. The function module of the ARM processor, the programming characteristic and something about motor-driven principle are studied further. The ARM7 processor is used for the control unit of the server motor, and display on the LCD monitor screen. The system builds H-type complementary and symmetric circuit as the motor-driven circuit, and use the PID algorithm to control the motor speed. In order to improve the measurement precision, a compensation algorithm based on the environmental variables is given. After the hardware and software debugging, this module is proved to work properly and meet the design requirement.

Key words:Numerical Control System,ARM Processor,PID Algorithm,
H Bridge-driven
 
目  录
第1章 绪  论 1
1.1  课题背景 1
1.2 数控技术的发展状况和新趋势 1
1.2.1 国内外数控系统发展概况 1
1.2.2 数控技术发展趋势 2
1.3 嵌入式系统技术基础 3
1.3.1 嵌入式系统简介 3
1.3.2  ARM产品简介 3
1.4 课题内容和本人的主要工作 4
第2章 方案论证 5
2.1 引言 5
2.2 系统设计框图 5
2.3  嵌入式控制模块 5
2.4 运动模块 6
2.4.1  运动模块动力学基础 6
2.4.2  运动模块调速系统 7
2.5 驱动控制模块 10
2.5.1  控制算法的选择 10
2.5.2  控制方式的选择 11
2.5.3  驱动模块的选择 11
2.6 位置检测模块 12
2.7 显示模块 12
2.8 通信接口模块 13
2.9 输入模块 13
第3章 控制系统的硬件设计 14
3.1 引言 14
3.2 系统框图 14
3.3 电机及其驱动系统 14
3.3.1  电机测速系统设计 14
3.3.2  PWM调速原理 15
3.3.3  伺服电机的驱动 16
3.4  ARM7处理器模块 17
3.4.1  LPC2131的最小系统 17
3.4.2  ARM微处理器生成PWM波 18
3.5  电源电路设计 18
3.6  LCD显示模块 19
3.7  按键输入模块 21
3.8  串口通信接口单元 21
第4章 系统软件设计 23
4.1  引言 23
4.2  控制系统的软件设计 23
4.2.1  系统程序流程图与框图 23
4.2.2控制系统的软件结构 25
4.3  PID调节功能 26
4.4 通讯模块及驱动程序 27
4.5  键盘扫描算法及驱动程序 28
第5章 系统调试分析 29
5.1  引言 29
5.2  硬件安装与调试 29
5.2.1  电源部分 29
5.2.2  人机交互单元 29
5.2.3  串行通信单元 30
5.2.4  伺服电机单元调试 30
5.3  软件调试 31
5.3.1  小系统调试与人机交互 31
5.3.2  电机驱动单元 31
5.3.3  串行通信数据 32
结  论 33
致  谢 34
参考文献 35
附录1: PID控制程序 36
附录2: 串口通信程序 38
附录3: 键盘扫描程序 41
附录4: LCD显示程序 42
附录5: 系统电路原理图 49
附录6: 系统电路PCB图 50
附录7: 系统实物图 51

 


 
第1章  绪  论
1.1  课题背景
现代科学技术的发展,极大的推动了不同学科的相互交叉和渗透,几乎导致了所有工程领域的技术革命与改造,纵向分化、横向综合已成为当今科学技术发展的重点。在工程机械领域,由于微电子技术日新月异及向机械工业渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品结构、生产方式及管理体系均发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入“以机电一体化”为特征的发展阶段。在工程机械领域内,电子控制技术是工程机械技术创新主流,是工程机械发展的必然趋势,也使工程机械智能成为可能[1]。
数控系统是数字控制系统简称,英文名称为Numerical Control System,早期是由硬件电路构成的称为硬件数控(Hard NC),70年代以后,硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。计算机数控(Computerized numerical control,简称CNC)系统是用计算机控制加工功能,实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给(伺服)驱动装置(包括检测装置)等组成。CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机,系统具有了软件功能,又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置,使系统更小巧,其灵活性、通用性、可靠性更好,易于实现复杂的数控功能,使用、维护也方便,并具有与上位机连接及进行远程通信的功能[2]。
1.2 数控技术的发展状况和新趋势
1.2.1 国内外数控系统发展概况
随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上,CAD/CAM与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节,整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量,因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构,限制了CNC向多变量智能化控制发展,已不适应日益复杂的制造过程,因此,对数控技术实行变革势在必行[3]。
1.2.2 数控技术发展趋势   
(1)高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化 包含两方面:数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。
(3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴,西门子880系统控制轴数可达24轴[4]。
随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理;在网络化基础上,CAD/CAM与数控系统集成为一体,机床联网,实现了中央集中控制的群控加工[5]。
1.3 嵌入式系统技术基础
1.3.1 嵌入式系统简介
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,目前据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行体系结构有30几个系列,其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个,共350多种衍生产品,仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到16MB,处理速度从0.1 MIPS到2000 MIPS,常用封装从8个引脚到144个引脚。根据其现状,嵌入式计算机可以分成下面几类。嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)。和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点,但是在电路板上必须包括ROM、RAM总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上,称为单板计算机。
英国ARM 公司是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案的供应商,向全球各大领先电子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。ARM还为开发完整系统提供综合技术支持。ARM的微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域,已成为RISC 标准。[5]
1.3.2  ARM产品简介
    ARM微处理器目前包括下面几个系列,ARM7,ARM9 系列,ARM9E系列,ARM10E系列,SecurCore系列,Inter 的Xscale Inter的Strong ARM其它厂商基于ARM架构的处理器,除了具有ARM 架构的共同以外,每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点。
其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。其中SecurCore系列是专门为安全要求较高的应用而设计的。接下来我们来简单了解ARM7处理器的特点及应用领域。
ARM7微处理器系列:
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类产品中,ARM7微处理器系列具有如下特点:
具有嵌入式ICE-RT逻辑,调试开发比较方便。
极低的功耗,适合对功耗要求较高的产品,如便携式产品。
能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。
程序代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。
对操作系统的支持广泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
指令系统与ARM9 系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户的产品升级换代[6]。
1.4 课题内容和本人的主要工作
本课题要求设计并制作一个嵌入式系统用于数控系统中。要求选用一控制处理芯片作为系统控制芯片;设计必要的人机交互界面,向系统提供参数设置,同时显示系统信息;设计一个电机驱动控制电路,控制伺服电机系统工作;设计RS232通讯接口电路,方便数据传输;为了系统能够稳定工作还要设计一可靠电源。软件方面需要设计伺服电机控制的PID算法,串口通信程序,键盘扫描,以及LCD的显示程序。下面将在第2章中介绍嵌入式芯片,运动模块、驱动控制、显示模块以及通信接口等的初步知识,在第3章中具体介绍电机工作及其控制系统,电源部分,LCD显示部分,通信接口电路的设计。第4章中着重介绍系统软件设计,诸如PID控制程序,LCD显示程序等。
通过查找资料,了解嵌入式系统的应用背景、现状及可行度,然后根据要求提出可行性方案,设计出具体的电路并调试,按要求完成相应的软件设计。

 

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