嵌入式数控系统软件设计及其关键算法研究

论文摘要

随着计算机和微电子技术的飞速发展,嵌入式系统作为计算机应用的一个重要领域,已深入到社会的方方面面。近年来,嵌入式技术在数控系统中的应用也越来越广泛。32位的ARM处理器为核心的嵌入式系统以接近16位单片机系统的价格提供了接近PC平台的性能,是未来数控系统发展的一个方向。本文以嵌入式六轴数控磨削系统为应用背景。数控系统的任务可分为控制任务和管理任务两大类,本文的线索是先进行软件总体设计,然后就这两大任务的关键技术展开,最后作出系统的优化。本文综述了嵌入式数控的发展现状,研究了主流的设计方案,并进一步探讨了数控系统软硬任务划分、软件设计要求及其思想。分析了数控系统的关键算法的研究动态,尤其是一些曲线插补的发展现状。在研究了嵌入式数控系统的开发方式、软件任务特征的基础上,作出数控系统的软件需求分析,设计出数控软件的总体架构、程序的总流程等。对控制任务中的曲线插补和加减速控制进行了深入的研究。推导了广义Bézier插补算法的递推公式,利用Bézier曲线描述曲线时,可直接将一系列的离散型值点转化为Bézier控制点,该插补方法形成速度快,计算量小。S型曲线的加减速控制算法,并进行了仿真测试和对比实验;完成了管理任务中的人机界面的关键点——miniGUI的输入引擎、多级界面的实现、数控代码编译器等的研究与设计。以Linux的时钟粒度的细化为切入点,对软件系统进行了优化,并对软件模块进行了测试,验证了系统方案的正确性、可行性。文章的最后部分对所作的工作作了总结,同时根据开发过程中碰到的实际问题,进一步提出需要改进和完善的工作内容,并对嵌入式数控的发展前景作了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 嵌入式数控系统研究现状
• 1.2.1 数控技术概述
• 1.2.2 国外研究发展现状
• 1.2.3 我国的嵌入式数控研究发展现状
• 1.2.4 插补算法研究现状
• 1.3 数控软件系统概述
• 1.3.1 嵌入式数控系统的软硬件功能划分
• 1.3.2 数控系统的软件设计思想
• 1.3.3 嵌入式数控系统对系统软件的要求
• 1.4 论文的组织形式
• 第二章 数控系统软件总体设计
• 2.1 数控加工系统硬件架构
• 2.2 嵌入式软件开发方式
• 2.3 软件总体设计
• 2.3.1 数控系统软件任务研究
• 2.3.2 需求分析
• 2.3.3 模块划分
• 2.3.4 软件初始化及总程序流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 运动控制关键算法研究
• 3.1 插补算法研究
• 3.1.1 插补的地位
• 3.1.2 基本的插补技术
• 3.2 曲线拟合插补算法
• 3.2.1 普通的Bézier曲线理论
• +曲线拟合插补算法'>3.2.2 Bézier⁺曲线拟合插补算法
• 3.2.3 算法仿真实验
• 3.3 数控加减速控制研究
• 3.4 复杂曲线加减速控制
• 3.4.1 S曲线加减速控制
• 3.4.2 对比实验
• 3.5 底层硬件驱动
• 3.6 本章小结
• 第四章 人机管理界面设计与实现
• 4.1 人机界面概述
• 4.1.1 数控系统人机界面设计原则
• 4.1.2 数控系统GUI的选型
• 4.1.3 MiniGUI配置模式
• 4.2 输入引擎
• 4.2.1 输入引擎（IAL）研究
• 4.2.3 输入引擎的实现
• 4.3 MiniGUI界面程序设计
• 4.4 MiniGUI向HHARM-EDU平台的移植
• 4.5 G代码编译器设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于ARM9的软件优化与软件调试
• 5.1 Linux2.6任务调度算法研究
• 5.1.1 O（1）调度器
• 5.1.2 Linux2.6的内核抢占机制
• 5.2 Linux2.6时钟粒度的优化及其测试
• 5.3 集成开发工具与JTAG仿真器
• 5.4 应用程序的GDB远程调试
• 5.5 图形模块的调试
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 IAL程序关键部分
• 附录2 MiniGUI主控程序关键部分
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果