基于触摸屏的运动控制器设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.01MB 56 页 15积分

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摘要

运动控制器在运动控制系统中处于核心的支配地位。随着运动控制技术的不

断进步和完善，开放式、高性能、低成本、通用嵌入式运动控制器的研究与应用

成为市场的必然需求。论文的主要目标是建立一种高性能、低成本、通用嵌入式

触摸屏运动控制器的基础软、硬件平台并对其应用进行研究。

随着嵌入式系统的不断发展，相关技术产业也正在迅速崛起，嵌入式触摸屏

人机界面就是其中的一种，它的问世为计算机技术向人性化方向发展提供了有利

条件。现在市场上工业级触摸屏产品非常多，给用户设计的项目中已经大量使用

了工业级触摸屏产品，它们功能强大，可靠性高。触摸屏的广泛使用使“触摸屏

＋运动控制器”的开放式系统实现变为可能，这样在工业控制中可以大大节省成

本。

本文阐述了一种经济型基于触摸屏的运动控制器的设计开发过程，采用三星

ARM7 芯片和 MCX314As 作为触摸屏运动控制器的主控制系统，外扩 SDRAM、

Flash 存储器和 A/D 转换器对触摸点信号进行转换，移植操作系统作为软件开发

平台。本文对其总体方案、硬件电路设计、系统软件的设计思想和实现过程进行

了详尽的阐述，并详细分析了各个器件的性能、时序与实际应用。

本文提出了一种低成本经济型触摸屏运动控制器的开发思路，并为国内类似

方面的研究开发提供了有价值的参考、借鉴。

关键词：运动控制器触摸屏 MCX314As 嵌入式系统 ARM7

ABSTRACT

A Motion Controller usually dominates in a motion control system.As the motion

control technologies progress continually and achieve maturation, the research and

appliaction of open architecture, high performance, low cost and general-purpose

embedded motion controllers become the inevitable demand of the market. The main

aim of this thesis is to establish a kind of software and hardware platform of high

performance, low cost and general purpose embedded motion controller, which suites

for numerical control and robot control.

Touch Human Machine Interface, also knows as Touch Panel, which is widely

applicated in Industrial fields for the simple operation and high reliability. Industrial Touch

Human Machine Interface systems,as the product of the industrial age and the development of

embedded computer technology are playing very important roles in the development of the

industrial production.So,the concept of Touch Panel+ Motion Controller is became possible

which is used to open control system.

The development of a kind of Touch Panel Motion Control system is described in

this paper.the hardware architecture of motion controller is planned out.The hardware

of motion controller based on MCX314As and ARM MCU is designed.And then the

method to operate MCX314As is researched. In this paper,we give the overall program

of the system, the design of the hardware and circuit, the design concepts of the system

software, and the achieving process a detailed statement, and the detailed analysis of

the performance of various devices.

This thiese presents a development idea of a type of low-cost, economical

industrial-grade Touch Panel Motion Controller, and provides a valuable reference for

the research and development of the domestic similar aspects.

Key word: Motion controller，

Touch Panel，

MCX314As，

Embedded

System,ARM7

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.................................................................................................................1

§1.1 课题产生的背景和意义.......................................................................................1

§1.2 运动控制器的发展与应用现状.......................................................................... 2

§1.2.1 运动控制技术的发展历史...........................................................................2

§1.2.2 运动控制器现状...........................................................................................2

§1.2.3 运动控制器的发展趋势...............................................................................3

§1.3 论文的主要内容.................................................................................................. 4

第二章触摸屏运动控制器的构建.................................................................................6

§2.1 主体方案的确立.................................................................................................. 6

§2.2 硬件平台的确立.................................................................................................. 6

§2.2.1 ARM 微处理器[13] ......................................................................................... 6

§2.2.2 专用运动控制器的功能...............................................................................7

§2.2.3 触摸屏模块...................................................................................................9

§2.3 软件平台的确立................................................................................................ 11

§2.3.1 操作系统的选择.........................................................................................11

§2.3.2 µC/OS－ІІ的简介 ........................................................................................11

第三章运动控制器硬件电路设计...............................................................................13

§3.1 运动控制器的硬件组成.................................................................................... 13

§3.2 MCX314AS与S3C44B0X 的接口设计 ............................................................13

§3.3 S3C44B0X 外围电路设计 ................................................................................. 14

§3.3.1 电源电路.....................................................................................................15

§3.3.2 时钟电路.....................................................................................................16

§3.3.3 复位电路......................................................................................................16

§3.3.4 JTAG 调试电路........................................................................................... 17

§3.3.5 串口通信电路.............................................................................................18

§3.3.6 存储器模块设计.........................................................................................19

§3.4 运动控制器的外围接口电路设计.................................................................... 20

§3.5 印刷电路板设计................................................................................................ 23

§3.5.1 印刷电路板的布局.....................................................................................23

§3.5.2 印刷电路板的布线.....................................................................................23

§3.5.3 PCB 抗干扰设计采取的几项措施 ............................................................. 24

第四章触摸屏的设计...................................................................................................26

§4.1 工业触摸屏的简介和选择................................................................................ 26

§4.2 液晶显示器的原理............................................................................................ 27

§4.3 触摸屏的硬件电路设计.................................................................................... 28

§4.4 触摸屏软件驱动设计........................................................................................ 29

§4.4.1 LCD 驱动程序的设计 .................................................................................29

§4.4.2 串口驱动程序的设计..................................................................................31

第五章触摸屏运动控制器软件设计...........................................................................33

§5.1 操作系统的移植................................................................................................ 33

§5.1.1 µC/OS－ІІ操作系统的移植条件................................................................33

§5.1.2 移植工作的内容..........................................................................................33

§5.2 UC/GUI 的移植.................................................................................................... 36

§5.2.1 uC/GUI 的简介............................................................................................36

§5.2.2 uC/GUI 特点 ................................................................................................36

§5.2.3 uC/GUI 在基于 S3C44B0X 的uC/OS-II 上移植 ...................................... 36

§5.3 运动控制器的控制程序设计............................................................................ 37

§5.3.1 S3C44B0X 对MCX314AS 的操作 ............................................................37

§5.3.2 MCX314AS 的初始化 ................................................................................ 38

§5.3.3 API 函数设计 .............................................................................................. 39

§5.3.4 系统程序的设计..........................................................................................42

第六章总结与展望.......................................................................................................46

§6.1 全文总结............................................................................................................ 46

§6.2 前景展望与发展趋势........................................................................................ 46

参考文献.........................................................................................................................49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................53

致谢...............................................................................................................................54

第一章绪论

§1.1 课题产生的背景和意义

近十几年来，随着信息技术、现代管理技术在制造业中的广泛应用，它们与

传统制造技术相结合形成的先进制造技术日益引起世界各国的高度重视。许多国

家制定了旨在推进先进制造技术的计划，如美国的先进制造技术计划(AMT)、日

本的智能制造计划(IMS )、德国的制造 2000 计划和韩国的高级先进技术国家计划

等，以提高对动态多变市场的适应和竞争能力。在世界新一轮国际产业结构调整

中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。研究和应用先进制造技术是

实现“以信息化带动工业化，走新型工业化的道路” ，促进传统制造业结构调整

和优化升级的必然要求[1, 2]。

目前，由于以 DSP 为代表的高速高性能专用微处理器的出现和 PC 机的广泛

普及，开放式运动控制器的发展趋势是以 DSP 芯片作运动控制处理器，以 PC 机

作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入 PC 机，即“PC+运动控制器”

的模式。这样将 PC 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹

控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制

准确、通用性好的特点。采用运动控制器的数控系统将成为新一代数控技术发展

潮流，运动控制器将成为未来数控系统的核心。

随着嵌入式系统的不断发展，相关技术产业也正在迅速崛起，嵌入式触摸屏

人机界面就是其中的一种，它的问世为计算机技术向人性化方向发展提供了有利

条件。现在市场上工业级触摸屏产品非常多，给用户设计的项目中已经大量使用

了工业级触摸屏产品，它们功能强大，可靠性高。触摸屏的广泛使用使“触摸屏

＋运动控制器”的开放式系统实现变为可能，这样在工业控制中可以大大节省成

本。

现有的触摸屏人机界面的硬件资源丰富，实现人机界面功能后，丰富的资源

远远没有得到充分发挥，这样就为在人机界面中加入运动控制功能提供了很好的

硬件条件。另外，现在的工业触摸屏正向着带操作系统的方向发展，这样就大大

提高了工业触摸屏的功能，可以实现多任务操作。用户可以通过触摸屏对运动控

制器进行实时监控，实现对外设的控制。

本文的研究目的正是要基于当前最新的微计算机技术(嵌入式ARM微控器)、

电子技术发展成果(专用运动控制DSP)来设计一种低成本、高性能的4轴通用嵌入

式运动控制器，结合触摸屏技术，开发集成触摸屏的运动控制器。

基于触摸屏的运动控制器设计

§1.2 运动控制器的发展与应用现状

§1.2.1 运动控制技术的发展历史

运动控制起源于早期的伺服控制(Servomechanism)。简单地说，运动控制就是

对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹

和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控(CNC)技术、

机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际

上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可

以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制

器可以成为独立运行(Stand-alone)的运动控制器。

随着科学技术的发展，运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运

动控制器和以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总

线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向

传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用

要求而快速重组的先进运动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通

用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是

运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算能力，进行复杂的运动规划、高速

实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更

高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP和FPGA技术，使系统的结构更加开

放，根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为

市场应用的两大方向。

§1.2.2 运动控制器现状

运动控制技术的一个重要应用面是数控机床。“八五”期间我国数控系统的各

方面研究力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步

形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系

统为主的国有企业，以及北京一法那科、西门子数控(南京)有限公司等合资企业的

基本力量。“十五”和“十一五”期间，数控技术取得很大发展，基本掌握了五坐

标联动的关键技术，打破了国外的技术封锁，高速加工技术研究和应用取得重要

进展(与国外差距缩短为10年)，超精密加工(亚微米)技术和装备满足了不少军事装

备的迫切需求[1][3-4]。但从总体上来说，这些系统是数控系统，不是独立的开放式

运动控制器。

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摘要：

1摘要运动控制器在运动控制系统中处于核心的支配地位。随着运动控制技术的不断进步和完善，开放式、高性能、低成本、通用嵌入式运动控制器的研究与应用成为市场的必然需求。论文的主要目标是建立一种高性能、低成本、通用嵌入式触摸屏运动控制器的基础软、硬件平台并对其应用进行研究。随着嵌入式系统的不断发展，相关技术产业也正在迅速崛起，嵌入式触摸屏人机界面就是其中的一种，它的问世为计算机技术向人性化方向发展提供了有利条件。现在市场上工业级触摸屏产品非常多，给用户设计的项目中已经大量使用了工业级触摸屏产品，它们功能强大，可靠性高。触摸屏的广泛使用使“触摸屏＋运动控制器”的开放式系统实现变为可能，这样在工业控制中可...

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