【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等構(gòu)成，負(fù)責(zé)處理鍵盤(pán)、顯示、網(wǎng)絡(luò)通訊等非實(shí)時(shí)性工作：輸入輸出接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等構(gòu)成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性運(yùn)動(dòng)控制工作。本文重點(diǎn)完成了犯位ARM9芯片設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖22所示。圖22 上下位機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖可以與上位計(jì)算機(jī)通訊，通過(guò)上位機(jī)編制加工數(shù)據(jù)，與RAM進(jìn)行指令的接受以及數(shù)據(jù)的交換工作。上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)模式可大大提高人機(jī)界面的友好性，可通過(guò)編程加工文件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形的加工。根據(jù)數(shù)控沖床自動(dòng)送料系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可采用以ARM9為核心的單片機(jī)控制形式，也可采用以上位機(jī)為加工數(shù)據(jù)編程的上下位機(jī)的控制形式。因此，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分別設(shè)計(jì)。以ARM9為核心的單片機(jī)控制軟件包括實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、系統(tǒng)監(jiān)控、指揮整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作等，包括CPU系統(tǒng)的初始化、沖床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)控、用戶加工程序的編輯修改等功能模塊，鍵盤(pán)輸入輸出口狀態(tài)的定時(shí)掃描、插補(bǔ)計(jì)算、工作臺(tái)X向和Y向的位控輸出、電機(jī)速度控制、數(shù)據(jù)處理等功能模塊。系統(tǒng)主要通過(guò)C語(yǔ)言和ARM匯編相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能模塊的控制。以ARM9為核心的單片機(jī)控制軟件沖床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖23所示：圖23 ARM9單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖采用上、下位機(jī)控制軟件模塊分別如圖225所示。圖24 上位機(jī)軟件主程序模塊圖25 下位機(jī)沖床控制軟件模塊本文重點(diǎn)完成了以ARM9為核心的單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 ARM9芯核簡(jiǎn)介ARM是Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)，是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，是全球領(lǐng)先的16/32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)供應(yīng)商。1985年，Acorn公司負(fù)責(zé)技術(shù)的小組開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)商用單片RISC微處理器。1990年11月ARM公司在英國(guó)成立，全稱(chēng)是“Advanced RISC Machines Ltd.”由蘋(píng)果電腦、Acorn Computer Group和VLSI Technology聯(lián)合建立。ARM在市場(chǎng)上很快就因他們的“低價(jià)位”的定位和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開(kāi)來(lái)，而其他公司的定位于“高性能”的微處理器架構(gòu)則主要是高端工作站方面的應(yīng)用。和Intel等生產(chǎn)廠商不同，ARM公司的產(chǎn)品并不是芯片，而主要是IP(Intel1ectualProPerty)，即一整套的設(shè)計(jì)成果，包括處理器體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、具體的電路圖、布線圖、分層掩膜圖等，可供芯片生產(chǎn)廠商來(lái)生產(chǎn)面向特定應(yīng)用的微處理器/微控制器芯片【13】，ARM公司自1990年正式成立以來(lái)，在32位RISC CPU開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)己從V3發(fā)展到V6。ARM公司設(shè)計(jì)一的芯核具有低功耗，低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，獲得眾多半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)占有70%以上的產(chǎn)品市場(chǎng)，在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位【14】?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國(guó)際大公司已超過(guò)50多家，國(guó)內(nèi)中興通訊和華為通訊等公司也已購(gòu)買(mǎi)ARM公司的芯核用于通訊芯片設(shè)計(jì)。目前非常流行的ARM核有ARM7TDM7，ARM9，ARM9E，ARM10和Secure Core。ARM芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較有名的有：Windows CE，Linux，pSOS，VxWorks，Nueleus，uC/OS等。ARM9系列處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9ES等系列。新一代的ARM9處理器，通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實(shí)現(xiàn)的。(一)時(shí)鐘頻率的提高ARM7處理器采用3級(jí)流水線，而ARM9采用5級(jí)流水線。增加的流水線設(shè)計(jì)提高了時(shí)鐘頻率和并行處理能力。5級(jí)流水線能夠?qū)⒚恳粋€(gè)指令處理分配到5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)有5個(gè)指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下。(二)指令周期的改進(jìn)指令周期的改進(jìn)對(duì)于處理器性能的提高有很人的幫助。性能提高的幅度依賴(lài)于代碼執(zhí)行時(shí)指令的重疊，這實(shí)際上是程序本身的問(wèn)題。對(duì)于采用最高級(jí)的語(yǔ)言，一般來(lái)說(shuō)，性能的提高在30%左右。1．Loads指令和Stores指令指令周期數(shù)的改進(jìn)最明顯的是loads指令和stores指令。從ARM7到ARM9這兩條指令的執(zhí)行時(shí)間減少了30%。指令周期的減少是由于ARM7和ARM9兩種處理器內(nèi)的兩個(gè)基本的微處理結(jié)構(gòu)不同所造成的。(1)ARM9有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，允許處理器同時(shí)進(jìn)行取指和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。這叫作改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。而ARM7只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，它同時(shí)用來(lái)取指令和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。(2)5級(jí)流水線引入了獨(dú)立的存儲(chǔ)器和寫(xiě)回流水線，分別用來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器和將結(jié)果寫(xiě)回寄存器。以上兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期完成loads指令和stores指令。2．互鎖(interlocks)技術(shù)當(dāng)指令需要的數(shù)據(jù)因?yàn)橐郧暗闹噶顩](méi)有執(zhí)行完而沒(méi)有準(zhǔn)備好就會(huì)產(chǎn)生管道互鎖。當(dāng)管道互鎖發(fā)生時(shí)，硬件會(huì)停止這個(gè)指令的執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。雖然這種技術(shù)會(huì)增加代碼執(zhí)行時(shí)間，但是為初期的設(shè)計(jì)者提供了巨大的方便。編譯器以及匯編程序員可以通過(guò)重新設(shè)計(jì)代碼的順序或者其他方法來(lái)減少管道互鎖的數(shù)量。3．分枝指令A(yù)RM9和ARM7的分枝指令周期是相同的。而且ARM9TDMI和ARM9ES并沒(méi)有對(duì)分枝指令進(jìn)行預(yù)測(cè)處理。以ARM9ES為例介紹ARM9處理器的主要結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。ARM9ES的主要特點(diǎn)如下：(1)32bit定點(diǎn)RISC處理器，改進(jìn)型ARM/Thumb代碼交織，增強(qiáng)性乘法器設(shè)計(jì)。支持實(shí)時(shí)(realtime)調(diào)試；(2)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)SRAM，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器容量可調(diào)；(3)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(cache)容量從4K字節(jié)到1M字節(jié)；(4)設(shè)置保護(hù)單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應(yīng)用中對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行分段和保護(hù)；(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設(shè)提供統(tǒng)一的地址和數(shù)據(jù)總線；(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數(shù)據(jù)總線有簡(jiǎn)單的握手信令支持；(7)支持標(biāo)準(zhǔn)基本邏輯單元掃描測(cè)試方法學(xué)，而且支持BIST(builtinselftest)；(8)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實(shí)時(shí)跟蹤指令和數(shù)據(jù)。第3章 數(shù)控技術(shù)中的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制原理對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)被控運(yùn)動(dòng)對(duì)一象的精確定位之外，還必須實(shí)現(xiàn)控制被控運(yùn)動(dòng)對(duì)象以給定的速度沿著指定的路徑運(yùn)動(dòng)，這就是輪廓控制。被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡大部分由直線和圓弧這種簡(jiǎn)單、基本的曲線構(gòu)成。若實(shí)際輪廓由其它二次曲線和高次曲線組成，也可以采用一小段直線或圓弧來(lái)擬合，就可滿足精度要求，當(dāng)然也有需要拋物線和高次擬合的情況，這種擬合的方法就是“插補(bǔ)”。它是數(shù)控裝置依據(jù)編程時(shí)的有限數(shù)據(jù)，按照一定方法產(chǎn)生直線、圓弧等基本線形，并以此為基礎(chǔ)完成所需要輪廓軌跡的擬合工作。因此，對(duì)于輪廓控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的功能是插補(bǔ)。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值。由于每個(gè)中間點(diǎn)計(jì)算所需的時(shí)間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算精度又影響到數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，所以插補(bǔ)算法是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制的核心。目前，各種常用的插補(bǔ)算法大致分為脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字采樣插補(bǔ)兩類(lèi)。前者主要應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)；后者主要用于交!直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可用于以步進(jìn)電機(jī)為伺服驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。目前所使用的中高端CNC系統(tǒng)中，大多數(shù)采用數(shù)字采樣插補(bǔ)方法【15】。1．基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)又稱(chēng)為脈沖增量插補(bǔ)，其特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束向每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)輸出基準(zhǔn)脈沖序列，每個(gè)脈沖代表了最小位移，脈沖序列的頻率代表了移動(dòng)的速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法較簡(jiǎn)單，容易用硬件實(shí)現(xiàn)。此種方法包括逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法(DDA)等。2．?dāng)?shù)據(jù)采樣插補(bǔ)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱(chēng)為數(shù)字增量插補(bǔ)。其特點(diǎn)是產(chǎn)生的不是單個(gè)脈沖，而是標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制字。插補(bǔ)運(yùn)算分兩步完成，第一步為粗插補(bǔ)，是在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線之間插入若干個(gè)點(diǎn)，即用若干條微小直線段來(lái)逼進(jìn)給定曲線。粗插補(bǔ)在每個(gè)插補(bǔ)運(yùn)算周期中計(jì)算一次，因此，每一微小直線段的長(zhǎng)度和速度和插補(bǔ)周期有關(guān)。第二步是精插補(bǔ)，它是在粗插補(bǔ)算出的每一微小直線段的基礎(chǔ)上再做“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”工作。這一步相當(dāng)于對(duì)直線的脈沖增量插補(bǔ)，此種方法常用的有時(shí)間分割法。 粗插補(bǔ)時(shí)間分割法是CNC系統(tǒng)中較為廣泛采用的一種粗插補(bǔ)計(jì)算方法。它是把加工一段直線或圓弧的整段時(shí)間細(xì)分為許多相等的時(shí)間間隔，稱(chēng)為插補(bǔ)周期(單位時(shí)間間隔)。每經(jīng)過(guò)一個(gè)單位時(shí)間間隔就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，算出在這一間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的進(jìn)給量，邊計(jì)算邊加工，直到加工終點(diǎn)。采用時(shí)間分割法時(shí)，在加工某一直線或圓弧的加工指令中必須給出加工進(jìn)給速度V，先通過(guò)速度計(jì)算，將進(jìn)給速度分割成單位時(shí)間間隔的插補(bǔ)進(jìn)給量f(或稱(chēng)為輪廓步長(zhǎng))，又稱(chēng)為一次插補(bǔ)進(jìn)給量。例如，設(shè)機(jī)床的進(jìn)給速度F(mm/min)，插補(bǔ)周期T(ms)，每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量為FT(um)，則FT=FT/60，按上式計(jì)算除一次插補(bǔ)進(jìn)給量f后根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡與各坐標(biāo)軸的幾何關(guān)系，就可以求出各軸在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的插補(bǔ)進(jìn)給量，按時(shí)間間隔以增量形式給各軸送出一個(gè)插補(bǔ)增量，通過(guò)驅(qū)動(dòng)部分使機(jī)床完成預(yù)定軌跡的加工。時(shí)間分割法又稱(chēng)為數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，由上述分析可知，此類(lèi)算法的核心問(wèn)題是如何計(jì)算各坐標(biāo)軸的增長(zhǎng)數(shù)，有了前一插補(bǔ)周期末的動(dòng)點(diǎn)位置值和本次插補(bǔ)周期內(nèi)的坐標(biāo)增長(zhǎng)段，就很容易計(jì)算出本插補(bǔ)周期末的動(dòng)點(diǎn)命令位置坐標(biāo)值。對(duì)于直線插補(bǔ)來(lái)講，插補(bǔ)所形成的輪廓步長(zhǎng)子線段與給定的直線重合，不會(huì)造成軌跡誤差。而在圓弧插補(bǔ)中，因要用切線或弦線來(lái)逼近圓弧，因而不可避免地會(huì)帶來(lái)輪廓誤差。其