基于ARM处理器的嵌入式数控系统关键技术研究

摘要

数控技术是当今先进制造技术的核心技术，是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术，为了提升我国制造业水平，国家加大了对数控技术自主开发的支持力度，数控机床与技术被列入“十一五”十六项重大专项之一。而嵌入式技术的迅速兴起，使得我国在嵌入式数控技术的研究与应用上，可以与世界各国处于同一起跑线。利用嵌入式处理器和嵌入式操作系统开发出功能专一、高可靠性、具有竞争力的嵌入式数控产品，对我国数控技术的发展，具有十分重要的战略意义。本论文在上海市科委重点科研项目支持下，对嵌入式数控系统总体方案进行设计规划，重点对部分关键技术进行深入研究，为实现自主知识产权的嵌入式数控产品提供了一定的理论与技术基础。在充分分析嵌入式数控系统各软件模块功能和作用的基础上，深入研究调度模块的功能要求，设计了可靠稳定的调度策略；利用模块化思想，制定了调度模块与其它功能模块的接口定义，并对其实现过程进行了详细阐述，为嵌入式数控系统各功能模块协调、高效工作奠定了良好的基础，为嵌入式数控系统标准化接口提供了参考。分析了运动控制卡硬件特性和驱动程序基本功能和作用，按照Linux操作系统下设备驱动程序开发的一般步骤和基本结构，采用模块化开发的基本思路，对基于ARM处理器嵌入式数控系统运动控制卡驱动程序进行优化开发，保证了嵌入式运动控制卡在Linux环境下的高可靠性工作。在广泛调研总线通讯方式的基础上，通过对各种协议进行深入地分析比较，选择CAN总线作为嵌入式数控系统总线通讯方式，针对嵌入式数控系统强实时、大数据量的数据通讯要求，进行了上层通讯协议的设计与定制，并从硬件选型和软件开发角度阐述了具体的实现过程。最后通过多种测试方法，从不同角度对CAN总线通讯的实时性和可靠性进行测试，并给出了具体的加工实例，测试结果和应用实例表明在国内首次将CAN总线通讯技术成功应用于嵌入式数控系统的数据通讯中。最后，对课题研究内容进行了总结与展望，希望可以对嵌入式数控系统深入研究与开发提供一定的借鉴作用。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 数控技术发展现状与趋势分析

1.1.1 数控技术的重要性

1.1.2 数控技术的发展

1.2 嵌入式数控系统

1.2.1 嵌入式数控系统

1.2.2 嵌入式系统发展趋势

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文结构

第二章 基于ARM 处理器嵌入式数控系统总体方案设计

2.1 嵌入式数控系统总体方案设计

2.2 嵌入式数控系统硬件结构设计

2.2.1 嵌入式数控系统硬件结构

2.2.2 嵌入式数控系统硬件分析与选择

2.3 嵌入式数控系统软件结构设计

2.3.1 嵌入式数控系统软件结构设计

2.3.2 嵌入式数控系统软件环境

2.4 本章小结

第三章 RT-Linux 下嵌入式数控系统实时任务调度

3.1 实时任务调度功能和作用

3.2 实时任务调度整体构建框架

3.3 实时任务调度实现

3.3.1 实时任务调度总体设计实现

3.3.2 调度模块与其它各模块接口实现

3.4 本章小结

第四章 Linux 下运动控制卡驱动模块的研究与开发

4.1 运动控制卡驱动程序功能分析

4.1.1 运动控制卡

4.1.2 Linux 下运动控制卡驱动程序

4.2 Linux 下驱动程序结构分析

4.3 Linux 下运动控制卡驱动程序实现

4.3.1 运动控制卡驱动程序实现

4.3.2 运动控制卡驱动程序编译

4.4 本章小结

第五章 CAN 总线通讯在嵌入式数控系统中的实现

5.1 CAN 总线通讯基本概念和原理

5.1.1 CAN 总线简介

5.1.2 CAN 总线工作原理

5.1.3 CAN 总线信息结构

5.2 CAN 现场总线通讯设计与实现

5.2.1 CAN 总线硬件设计

5.2.2 CAN 总线通讯协议设计

5.2.3 CAN 总线软件模块化设计

5.3 CAN 现场总线通讯测试

5.3.1 CAN 现场总线通讯速度测试

5.3.2 CAN 现场总线通讯可靠性测试

5.4 实验例证分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 论文主要贡献与创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文