嵌入式多轴运动控制器研究

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摘要

基于 ARM 的嵌入式数控系统是集成了计算机数字控制技术、ARM 技术、

FPGA 技术及嵌入式操作系统技术等为一体的技术含量很高的数控系统，是对低

成本、高性能的三轴数控系统研究的一个新的尝试。基于 ARM 的嵌入式数控系统

软、硬件部分的设计与实现及运动控制算法的研究是本论文研究的主要任务。

本论文的重点有三方面内容：1)嵌入式数控系统硬件的研究及实现；2)RTOS

实时操作系统移植及驱动开发；3)NURBS 插补算法的研究及实现。论文共分为七

章。

第一章是绪论部分。综述了数控技术的发展历程、缺点、趋势，并简单介绍了

嵌入式系统的概况，以及国内外嵌入式运动控制器研究现状，最后提出了本论文

的研究意义和工作内容。

第二章是嵌入式多轴运动控制器总体结构设计部分。这一章对所要研究的数

控系统进行了需求分析；根据需求分析确定了 ARM 处理器与 FPGA 可编程逻辑

芯片的选型，并具体做了介绍；最后，论文提出了嵌入式运动控制器的总体结构

模型。

第三章是嵌入式运动控制器硬件设计部分，是论文的重点之一。这一章介绍

了嵌入式运动控制系统硬件部分的总体设计，并详细介绍了各部分电路的设计及

原理图。

第四章是嵌入式实时操作系统 RTLinux 设计部分。本章介绍了 RTLinux 的硬

实时特性，以及系统的移植，最后介绍 USB 接口触摸屏驱动的开发。

第五章是嵌入式运动控制器软件设计部分。这一章介绍了 NURBS 曲线，然后

详细说明了 NURBS 实时插补器算法实现。

第六章是系统调试结果分析部分。这一章给出了系统调试结果及仿真波形。

最后作者对本文的研究内容做了总结，并对基于 ARM 的嵌入式数控系统的

发展作了展望。

关键词：运动控制　嵌入式系统　ARM 处理器　FPGA　RTLinux

ABSTRACT

The embedded numerical control system based on ARM integrates the techniques

of computer numerical control, ARM, FPGA and the embedded real-time operation

system, etc. It's a new attempt to research on a three axes numerical control system that

is low cost and high capability. The research on the hardware and software of the

embedded system and the method of movement control arithmetic are the key of this

thesis.

The whole thesis is made up by three main parts:1)The research and realization of

the hardware for the embedded numerical control system.2)transplanting the real-time

operation and designing the device driver.3)The research and realization of the NURBS

arithmetic. The whole thesis is divided into seven chapters:

In chapter1, there is an introduction. At first, it summarized the development and

trend of numerical control technique and the present general situation of our country.

Then, the general situation of the embedded system in brief is introduced. At last, the

primary signification of this thesis is proposed.

In chapter 2, there is the total structure design of the embedded system. In this

chapter, the system demand analysis is carried on and the ARM and FPGA chip are

introduced; finally, the total structure design is present.

In chapter 3, there is the design of the system's hardware. It is the key chapter of the

thesis. In this chapter, the total design of the hardware is proposed and the design of the

print circuit in details is illustrated.

In chapter 4, there is the design of the embedded real-time operation system

RTLinux. At first, it introduced RTLinux’s characteristic of hard real time, then

introduced the design of USB port touch screen’s driver.

In chapter 5, there is the design of whole system’s software. In this chapter,

NURBS curve is introduced and realized the NURBS real-time interpolation machine.

In chapter 6, there is the realizing and debugging the system. In this chapter, the

debug is presented and the results of debug are obtained.

Finally, the research contents of this dissertation have been summarized and the

prospect of embedded numerical control system has been opened up.

Key Words: Motion Control,Embedded ystem,ARM,FPGA,RTLinux

目  录
摘要
ABSTRACT
第一章　绪　论...............................................................................................................1
§1.1  运动控制的开发与研究现状.........................................................................1
§1.2  数控技术发展趋势.........................................................................................2
§1.3  嵌入式系统的知识背景及发展现状...............................................................4
§1.3.1 嵌入式系统特点.....................................................................................4
§1.3.2 嵌入式系统技术构成..............................................................................4
§1.4  国内外嵌入式运动控制器研究现状.............................................................5
§1.5  课题研究意义及论文主要内容.......................................................................7
§1.5.1 课题意义..................................................................................................7
§1.5.2 本课题的主要研究内容.........................................................................7
第二章　嵌入式多轴运动控制器的总体设计...............................................................9
§2.1  系统需求分析.................................................................................................9
§2.2  运动控制系统的结构...................................................................................10
§2.3  伺服系统.......................................................................................................12
§2.4  嵌入式运动控制器的总体结构模型设计...................................................13
§2.5  本章小结.......................................................................................................14
第三章　嵌入式多轴运动控制器硬件设计.................................................................15
§3.1  系统硬件总体结构设计...............................................................................15
§3.2  ARM 模块设计................................................................................................15
§3.2.1 LPC3180 简介........................................................................................15
§3.2.2 存储器模块............................................................................................17
§3.2.3 USB 模块设计.......................................................................................18
§3.3  FPGA 模块设计..............................................................................................19
§3.3.1 FPGA 电路设计流程.............................................................................20
§3.3.2 脉冲分配器的设计方案........................................................................20
§3.3.3 脉冲分配器的时序仿真结果................................................................23
§3.4  本章小结.........................................................................................................25
第四章　RTOS 移植及驱动设计.................................................................................26
§4.1  RTLinux 概述..................................................................................................26
§4.1.1 RTLinux 简介.........................................................................................26
§4.1.2 RTLinux 硬实时性分析.........................................................................26
§4.2  RTLinux 操作系统实现..................................................................................27
§4.3  USB 接口触摸屏驱动开发............................................................................28
§4.3.1 Linux 驱动程序设计概述......................................................................29
§4.3.2 USB 总线概述.......................................................................................30
§4.3.3 触摸屏驱动实现....................................................................................33
§4.4  本章小结.........................................................................................................38
第五章　嵌入式多轴运动控制器整体软件设计.........................................................39
§5.1  概述.................................................................................................................39

§5.1.1 脉冲增量插补........................................................................................39
§5.1.2 数据采样插补........................................................................................39
§5.2  NURBS 曲线的定义.......................................................................................40
§5.3  NURBS 实时插补器的算法及实现...............................................................42
§5.3.1 插补数据结构........................................................................................43
§5.3.2 对型值点数据的处理............................................................................44
§5.3.3 NURBS 插补预处理..............................................................................49
§5.3.4 NURBS 实时插补器的计算过程..........................................................51
§5.4  本章小结.........................................................................................................52
第六章　系统调试结果.................................................................................................54
§6.1  系统调试结果.................................................................................................54
§6.2  本章小结.........................................................................................................57
第七章　结论与展望.....................................................................................................58
§7.1  结论.................................................................................................................58
§7.2  展望.................................................................................................................58
参考文献.........................................................................................................................60

第一章绪论

第一章　绪　论

数控技术是机械制造自动化的基础，是先进制造技术的基础和核心，反映

了一个国家制造技术水平和工业水平。数控机床对国民经济发展和国家安全具

有极其重要的意义。数控机床使军、民用机械工业及整个制造业发生了革命性

的变化，使产品质量与性能、产品开发和更新换代的速度、交货期以及劳动生

产率、经济效益等达到一个崭新的水平。它既是高新技术产业不可缺少的基础

装备，又是传统产业实现产业升级的重要手段，对整个国民经济产生重大而深

刻的影响。运动控制技术作为数控机床和机器人的核心是各国竞相发展的高新

技术，其技术复杂、难度大，是我国的一个薄弱点。没有一个自己的产业化数

控系统产品是影响我国数控机床产业发展的根本原因。因此研究开发可与国外

名牌产品竞争的国产化数控系统并实现产业化是振兴我国数控机床产业的关键

所在。

§1.1 运动控制的开发与研究现状

运动控制(Motion Control)是在电驱动技术研究的基础上，随着科学技术

的发展而形成的一门综合性、多学科的交叉技术。运动控制器以中央逻辑控制

单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机/动力装置和执行单元为控制

对象的一种控制装置。它的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行

必要的逻辑/数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。一

个机械运动控制系统的结构一般由下列部件组成：(1)一些用来测量机械和电

信号的传感器；(2)用来使机构系统进行运动的执行机构；(3)用来对机械系统

实施控制策略的控制器。运动控制器的轴数一般指它所能控制运动的数目，在

大多数情况下等于所能控制电机运动轴的数目。我们把所能控制电机运动轴的

数目大于1的运动控制器，称为多轴运动控制[1]。本课题所研究的就是一种典

型的多轴实时运动控制器。

运动控制代表着用途最广而又最复杂的任务。其原因就在于生产过程的速

度在不断的提高，而且制造业对加工精度和实现敏捷制造提出了越来越高的要

求。随着微电子技术、电力电子技术以及微处理器控制技术的发展，随着现代

科学技术的进步，传统的运动控制系统由于本身的特性已不能满足现代工业和

社会发展的要求。归纳起来，缺陷主要表现在以下几个方面[2]：

(1)封闭式结构。提供给用户的只是在特定环境下，完成特定功能的目标

嵌入式多轴运动控制器研究

作业，控制系统的内部，包括控制算法和底层的接口等，对用户来讲是一个

“黑箱”。这种结构不便于对系统的功能进行扩展和改进，同时也不便于对

系统资源的共享和再利用，因而造价很高。

(2)控制软件的兼容性差。软件的结构依赖于处理器硬件，难于在不同的

硬件平台间移植，同时也不便于软件的升级或更新。

(3)容错性和可靠性差。由于采用多片单片机的并行结构，使得系统的通

讯和同步困难，数据相关性复杂，因而使控制器的容错性和可靠性差。

(4)缺少网络功能。这不便于构造大系统，实现多系统协调，以及远程和

漫游控制。

§1.2 数控技术发展趋势

为克服传统运动控制系统的以上缺陷，数控技术正朝着这样几个方向发

展[3]：

一、建立基于 PC 机、具有开放式体系结构的数控系统。

当前的数控系统大多采用专用体系结构，这种系统虽然具有结构简单，

技术成熟，产品批量大，生产成本较低的优点。但随着技术的进一步发展，已

经越来越暴露出它固有的缺点，如系统硬件的封闭性导致计算机技术的一些

最新成果不能方便、及时地应用于数控技术，妨碍了系统的升级；数控系统功

能的单一和不可扩展性不能很好地适应加工、多样化和设备个性化的要求，用

户很难增添自己的专用功能；系统的维护和培训费用过高等。这些缺点促使我

们研究一种具有开放式体系结构的数控系统——开放式数控系统。

近年来，美国、欧共体、日本等都投入大量的人力、物力，进行新一代数

控系统的研究。到目前为止，在新一代数控系统研究中，比较多的是关于开放

式体系结构的研究。开放式结构数控系统的概念起源于80 年代美国国防部发

起的名为下一代控制器 NGC(Next General Controller)的研究计划。90 年代，

美国的 OMAC 计划、欧洲的OSACA 计划和日本的 OS-EC 计划等都大大推动

了开放式结构数控系统的研究。

根据 IEEE 定义，开放系统应该能够使符合系统规范的各种应用系统运行

于不同销售商的不同平台之上，可以与其他应用系统实现相互操作并提供一

致风格的用户交互界面。一般认为，开放式体系结构应具备四个特点：相互操

作性、可移植性、可缩放性、可互换性。

1、相互操作性。系统提供标准化的接口、通讯和交互模型。不同的应用程

第一章绪论

序、模块可以通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上，相互之间保持

平等的相互操作能力，协调工作。

2、可移植性。不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的系

统平台之上。

3、可缩放性。可以通过装载和卸载特定功能模块单元来实现增添和减少系

统的功能。

4、可互换性。不同性能、可靠性和不同功能的单元可以相互替代。

二、高速化、高精度和高自动化。

为了适应机床高速和高精度加工的需要，世界各国的数控设备生产商都

致力于提高系统的控制精度和加工速度。要求数控系统能够高速插补、计算出

伺服电机的位移量，伺服电机可以在极短的时间内达到指定的运行速度，并

在高速运行中，保持较高的定位精度。对于任意复杂曲线、曲面加工，采用直

接插补控制技术，由几何信息直接生成曲面上的切削轨迹和刀具运行控制指

令，并据此实现对加工过程的控制，从而提高自由曲面加工的效率。

三、智能化。

数控技术的另一个发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的

数控系统可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加

工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工的表面质量等目的。

刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能地管理刀具，使得刀具保持最佳

工作状态。建立以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统来指导

加工。

四、网络化。

为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日

趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源

和信息共享，适应未来车间面向任务订单的生产发展模式，使得底层生产控

制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更

好地适应敏捷制造(AM)等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统

的网络功能进行远程诊断服务。

§1.3 嵌入式系统的知识背景及发展现状

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，能满

足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标严格要求的专用计算机系

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摘要：

摘要基于ARM的嵌入式数控系统是集成了计算机数字控制技术、ARM技术、FPGA技术及嵌入式操作系统技术等为一体的技术含量很高的数控系统，是对低成本、高性能的三轴数控系统研究的一个新的尝试。基于ARM的嵌入式数控系统软、硬件部分的设计与实现及运动控制算法的研究是本论文研究的主要任务。本论文的重点有三方面内容：1)嵌入式数控系统硬件的研究及实现；2)RTOS实时操作系统移植及驱动开发；3)NURBS插补算法的研究及实现。论文共分为七章。第一章是绪论部分。综述了数控技术的发展历程、缺点、趋势，并简单介绍了嵌入式系统的概况，以及国内外嵌入式运动控制器研究现状，最后提出了本论文的研究意义和工作内容。第二...

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