基于ARM9的机床数控系统主控制器的研究

论文摘要

数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一,也是数控机床和数控加工中心的主要的关键功能部件。数控机床和加工中心作为工作母机,决定了一个国家的机械制造水平。数控系统是数控机床和加工中心的大脑,其控制水平直接决定数控机床和加工中心的加工精度和功能。因此,数控系统作为数控机床的核心部件,成为机械电子、自动化和计算机等各个学科领域研究的焦点。特别是以嵌入式微处理器为核心的开放式数控系统,成为数控系统的发展趋势。长久以来,数控系统的前沿技术与产品一直掌握在国外几个大的公司手中;由于国内数控技术起步晚基础弱,与国外相比,国产数控系统在系统可靠性和控制精度等方面仍存在着较大差距。本文在对基于PC和单片机的开放式数控系统进行述评的基础上,分析了开放式数控系统的功能需求,提出一种采用双CPU的主从式结构的嵌入式数控系统方案,以ARM9作为主控制器系统模块的控制核心,以DSP和FPGA组成的运动控制板作为运动控制系统模块,共同完成插补运算、运动控制和任务调度等数控系统的基本功能,本文重点研究以ARM9基础的主控制器设计和实验。本文在分析数控系统研究现状和嵌入式技术的发展与应用的基础上,根据数控系统的功能需求,选择了系统的总体结构方案;以S3C2440为核心设计了主控制器硬件设计;搭建了系统软件平台,分别介绍了引导加载程序的移植、Linux操作系统的移植、以及上层应用程序的开发过程。最后,本文建立了数控系统的调试环境,并对开发的数控系统软件进行了联机调试、系统软件测试和模拟加工。测试和模拟加工结果表明,基于ARM9的数控系统主控制器技术途径的可行性,并实现了预期的数控功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 机床数控系统研究现状及发展趋势
• 1.1.2 嵌入式技术的发展与应用
• 1.2 课题的研究意义与研究内容
• 1.2.1 课题的研究意义
• 1.2.2 课题的研究内容
• 第二章 总体方案设计
• 2.1 主控制器功能需求分析
• 2.2 主控制器总体系统结构设计
• 2.2.1 嵌入式芯片平台的方案论证
• 2.2.2 嵌入式操作系统的方案论证
• 2.2.3 系统通讯协议的方案论证
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 系统硬件模块划分
• 3.2 ARM 核心模块
• 3.2.1 S3C2440 微处理器简介
• 3.2.2 K9F1208 NAND FLASH 电路设计
• 3.2.3 HY57V561620 SDRAM 电路设计
• 3.3 RS-232 串口通讯模块电路设计
• 3.4 RS-422 接口电路设计
• 3.5 网络接口电路设计
• 3.6 电源模块电路设计
• 3.7 PCB 印制电路板
• 3.8 本章小结
• 第四章 系统软件平台搭建
• 4.1 Bootloader 引导加载程序的移植
• 4.1.1 Bootloader 的概念和功能
• 4.1.2 U-Boot 的分析与移植
• 4.2 嵌入式Linux 系统的分析与移植
• 4.3 Linux 设备驱动程序的开发与移植
• 4.3.1 Linux 设备驱动框架
• 4.3.2 串口驱动程序的移植
• 4.3.3 网卡驱动程序的移植
• 4.3.4 液晶触摸屏驱动程序的移植
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统应用软件设计
• 5.1 系统应用软件架构概述
• 5.2 系统通讯设计
• 5.2.1 RS-422 的串口通讯设计
• 5.2.2 通讯协议的设计
• 5.3 操作界面的设计
• 5.3.1 MiniGUI 的分析与移植
• 5.3.2 CNC 界面的总体架构
• 5.3.3 CNC 界面的设计
• 5.4 G 代码解释器的设计
• 5.4.1 词法分析模块的设计
• 5.4.2 语法分析模块的设计
• 5.4.3 虚拟代码生成器的设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 调试与试验分析
• 6.1 硬件调试与样机组装
• 6.1.1 硬件调试
• 6.1.2 样机组装
• 6.2 实验调试与分析
• 6.2.1 系统通讯测试
• 6.2.2 G 代码编译器测试
• 6.2.3 系统模拟加工测试
• 6.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件