嵌入式技术及应用毕业论文

嵌入式开放型数控系统研究摘 要 在构建的开放式数控系统中,把μC/OS-Ⅱ实时操作系统移植到MCS-51上,在其内核上创建自己的任务,开发出实时运动控制系统。该数控系统具有通信和网络功能。将该系统用在模拟加工平台上,验证了系统的可行性。关键词 开放式数控 μC/OS-Ⅱ 实时操作系统1 开放式数控开放式数控是数控技术的发展趋势。前几年国内外对于PC-based开放式数控讨论较多,并取得了一定成果。最近一段时间,由于嵌入式技术的发展,采用嵌入式实时操作系统的开放式数控逐渐引起业界的关注。其主要原因是基于PC技术的数控系统在实时性方面有其先天不足之处。而这一方面嵌入式技术刚好发挥了它的优势,逐渐显示出其强大的生命力。目前采用嵌入式技术的开放型数控研究主要是指包含实时操作系统的控制器。本文研究的是关于采用μC/OS-Ⅱ实时内核的数控系统的软、硬件结构以及实验系统开发。和PC技术无关。2 基本体系结构和工作原理硬件结构以Windows 78E58(51系列)为核心,扩展了RAM,显示、键盘接口8279,MAX232串口,8255并口以及RTL 8019 AS网络芯片。去步进电机输出直接由78E58进行。如图1所示。W inbond 78E58内核32kB的FlashROM,包含μC/OS-Ⅱ实时内核在内的系统软件(即实时操作系统)约25kB左右。覆盖了该实验系统的全部数控功能,包括输入、译码、插补、伺服输出、显示、通讯等功能。图1中8279主要用于管理自行设计的小键盘和LED显示器。零件加工程序可以从小键盘输入。也可以从MAX232串行口输入。并口8255主要用于机床I/O信号的输入、输出以及调试时使用。8019AS是网络接口芯片,使得本嵌入式系统能和采用TCP/IP协议的以太网连接,实现上网功能。78E58中包含一个精简的TCP/IP协议栈。实时时钟是嵌入式系统的一个显著特征,μC/OS-Ⅱ要求时钟周期为10~100ms,刚好符合数控系统工作周期的需要。本实验系统采用10ms的工作周期,复杂系统可以适当增大。μC/OS-Ⅱ是一个源代码公开的实时占先式内核,它可以管理64个任务,有8个留给系统,用户可以使用56个任务,每个任务的优先级必须是不同的(对于数控系统而言这56个任务已绰绰有余)。GB/T 18759·1-2002开放式数控系统国家标准中,开放程度分为三个层次。其中第二层次为“控制装置在明确固定的拓扑结构下允许替换、增加NC核心中的特定模块以满足用户的特殊要求”。只要在μC/OS-Ⅱ开放式内核下“挂”上不同功能的任务,比如译码、插补、输出等模块就可以基本达到第二层次的要求,实现开放式数控的目标。3 开放式数控的软件实现3·1 软件接口整个软件系统以μC/OS-Ⅱ作为平台,并在创建的各个任务中调用相应的应用软件模块,结合实时中断服务程序,共同完成系统功能。为了实现开放式数控系统的模块化,提高应用软件模块的互换性和可移植性,给各应用软件模块定义了相应的程序接口。只要软件接口一致的应用软件模块则可以替代和互换。下面是插补程序的部分接口定义(C语言),其中包括插补数据的数据结构和一些相关的函数接口。3·2 任务实现整个软件除了μC/OS-Ⅱ以外,建立了9个任务外加一个系统初始化例程。9个任务分别是。9个任务被分配在一个前后台结构中,前台程序是实时性较强的任务,包括插补任务,监控任务,机床信号输入/输出任务。其余为后台任务,零件加工程序输入任务主要是从键盘输入加工程序,放在存储器中。串行通信是从外部输入零件加工程序。网络任务是和局域网交换信息。显示放在空闲任务之中。系统初始化在启动时只运行一次,以启动多任务OSStart()结束,见图2为实现各个任务之间的通信以及数据共享,μC/OS-Ⅱ提供了三种方法:信号量、邮箱和消息队列。下面以信号量为例说明任务间通信的方法。用户任务形式如下:这样,任务就是一个无限循环的C语言函数。函数中任务通过OSSemPend()函数等待相应信号量的到来,触发任务的执行;并利用系统延时函数OSTimeDly()延时。如图2所示,系统初始化完成的工作为μC/OS-Ⅱ初始化,创建信号量,创建任务,接口初始化等。在启动多任务OSStart();后,就处于μC/OS-Ⅱ的调度下运行。首先,在键盘命令没有下达之前,系统处于等待状态,各用户任务都在等待信号量的到来。在此期间,系统执行的是优先级最低的任务OSTask Idle,进行一些显示等工作。实时中断定时发生,只是没有键盘命令,只进行一些例外监控等,不会出现插补等加工状态。一等加工的键盘命令按下,经过键盘解析任务KeyAnalyse Task对任务的解析,向译码任务Trans-late Task发出信号量,进入译码过程,译码任务从存储器中取出零件加工程序进行编译处理,同时给插补程序发出信号量,等到实时中断发生后,插补任务接收到信号量后,即开始插补加工。本次实验系统采用步进电机伺服系统,一边插补,一边就向外输出。译码任务在没有遇见M02、M30之前,则不断进行编译,一直到零件加工程序结束。零件加工程序输入任务InputTask是在非加工状态下运行的,下达键盘命令后经KeyAnalyse Task任务解析,向输入任务InputTask发出信号量。InputTask在获得信号量后,即开始从键盘输入零件加工程序至存储器。串行通信和网络通信亦设计成非加工状态下执行。在以太网网络通信的硬件设计上,采用了RTL8019AS,它是一款10Mbps的以太网网卡控制芯片,大量应用于PC机的ISA接口以太网网卡中。虽然如今计算机网卡市场中的主流产品已经是PCI接口的10M/100M自适应的以太网网卡了,但是,RTL8019AS的生产线仍然没有停止。因为RTL8019AS支持8位数据总线,在跳线工作方式下可以非常方便地连接单片机,所以在嵌入式系统领域中仍然有很大的应用价值。图3为硬件连接图。除了硬件连接外,在软件上要编写相应的驱动程序。内容有芯片初始化、发送以太帧数据包和接收以太帧数据包三种。4 开放式数控的实现和验证按照前面提出的系统体系结构,我们搭建了一个小型的开放式数控实验台。在图1的基础上,通过P1口接一个X-Y实验工作台。通过键盘输入一段零件加工程序,在按下起按钮后,进行译码、插补、伺服输出。工作台的X、Y轴由二台步进电机驱动,插补算法采用最常用的逐点比较法,演示的结果达到了预期的效果。证明了开放式数控系统控制思想的正确性。5 结束语基于μC/OS-Ⅱ的开放式数控系统工作台稳定可靠,且开放性强,虽然就目前只是初步实现了数控系统的基本功能,但可以随时根据需要,利用嵌入式系统的软硬件资源进行功能扩展,方便二次开发,以满足不同的功能要求。是实现开放式数控和“个性化”CNC的一个有效途径。参 考 文 献[ 1 ]谭峰,等.基于μC/OS-Ⅱ的开放式数控系统研究.机械与电子,2004, 12.[ 2 ]李诚人,等.嵌入式系统及单片机应用.北京:清华大学出版社,2005.[ 3 ]谭峰,等.基于以太网的嵌入式数控系统的研究开发.西北工业大学硕士论文, 2005, 3.[ 4 ]李诚人,等.现代机电控制系统.西安:西北工业大学出版社, 1999.[ 5 ] GB/T 18759. 1-2002,开放式数控系统标准第一部分:总则.

还好了 不算太难