基于实时Linux的嵌入式数控系统控制软件的研究

摘要

传统基于 PC的数控系统具有结构复杂,模块化程度低等缺点,而且通常使用商业系统软件,存在版权问题,降低了数控系统的开放性。针对以上问题,本课题将嵌入式技术与数控技术相结合,实现了开放式的嵌入式数控系统的软硬件平台,并对数控控制软件进行了深入研究。
　　针对数控系统实时多任务的特点,以嵌入式 ARM微处理器 S3C2440和运动控制专用 DSP处理器 MCX314As为硬件基础,结合必要的外围设备,设计了ARM+ARM+DSP三处理器嵌入式数控系统硬件平台。以开源的嵌入式 Linux为操作系统,通过 Xenomai双核实时化改造方案,成功搭建起了 Xenomai/Linux双核实时系统软件平台。
　　对嵌入式数控系统控制软件进行深入研究,给出了一种新的数控软件设计方法——加工信息双向链表。运用链表的结构特点并结合 G代码逻辑分组思想,设计了数控译码进程和刀具补偿进程;针对三处理器硬件平台,综合考虑 G代码信息流的特点,运用 Socket套接字接口和 TCP/UDP通信协议,实现了加工信息在 ARM处理器之间可靠的传输;为了充分发挥 MCX314As的数控功能及实现复杂的加工控制,设计了运动控制动态函数库;最后,通过轻量级的图形界面应用程序框架Qt4/Embedded,实现了具有多种功能的层次化人机交互界面。
　　在数控系统底层设备驱动方面,开发并移植了 MCX314As运动控制芯片、网络设备及触摸屏设备的驱动程序。最后将数控系统的软硬件集成,独立于 PC进行测试,设计有针对性的测试加工程序,进行软件仿真加工测试,测试结果表明了本课题所设计的控制软件的正确性,也表明了嵌入式数控系统的可行性。
　　本课题所开发的嵌入式数控系统软硬件平台及其控制软件全部采用开源工具及开源代码完成,具有自主知识产权。本课题的研究成果具有很强的实用价值,研究成果的转化有利于推动地方机械制造技术的发展,同时也为基于 Linux的全软件数控系统的研制打下了一定的基础。

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第一章 绪论

§1.1 数控系统发展概况

§1.2 嵌入式数控系统的国内外研究现状与发展趋势

§1.3 课题研究的背景及意义

§1.4 论文主要内容

§1.5 课题研究特色

§1.6 本章小结

第二章 嵌入式数控系统的总体结构设计

§2.1 嵌入式数控系统的硬件结构设计

§2.2 嵌入式数控系统的软件平台设计

§2.3 嵌入式数控系统控制软件结构及功能模块

§2.4 本章小结

第三章 Xenomai/Linux 实时系统平台的搭建及测试

§3.1 软件开发环境的建立

§3.2 BootLoader 的设计与实现

§3.3 Xenomai/Linux 实时内核的设计

§3.4 嵌入式根文件系统的制作

§3.5 Xenomai/Linux 系统软件平台的实时性测试

§3.6 本章小结

第四章 嵌入式数控系统控制软件的设计

§4.1 控制软件总体结构设计

§4.2 G 代码译码模块的设计

§4.3 刀具补偿模块的设计

§4.4 加工信息传输模块的设计

§4.5 MCX314As 运动控制函数库的设计

§4.6 实时加工控制的实现

§4.7 数控系统人机交互界面的设计与实现

§4.8 本章小结

第五章 嵌入式数控系统设备驱动的开发

§5.1 驱动程序的功能及结构分析

§5.2 MCX314As 运动控制芯片驱动的开发

§5.3 网络设备驱动的开发

§5.4 触摸屏设备驱动的开发

§5.5 本章小结

第六章 嵌入式数控系统的集成与测试

§6.1 DSP 运动控制电路板的设计与制作

§6.2 软硬件集成与测试

§6.3 本章小节

第七章 全文总结与展望

§7.1 全文总结

§7.2 展望

致谢

作者在攻读研究生期间主要研究成果

参考文献

附录