【正文】 鍵盤電路 液晶顯示模塊接口電路設(shè)計液晶顯示是數(shù)控系統(tǒng)中重要的組成部分，在機(jī)床運(yùn)行過程中，數(shù)控系統(tǒng)要隨時監(jiān)視數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)，通過顯示部件及時向操作者提供系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障情況。復(fù)位引腳與復(fù)位信號nRST相連，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位或手動復(fù)位會同時復(fù)位ZLG7290[24]。 人機(jī)界面電路設(shè)計 鍵盤輸入電路設(shè)計鍵盤是數(shù)控機(jī)床最常用的輸入設(shè)備，其工作原理是用逐行加低電平掃描的方法判斷有無按鍵按下。在本系統(tǒng)中CPLD主要用于精插補(bǔ)、碼盤輸入、I/O控制等功能。它是一種高性能低價格低功耗的CMOS EEPROM 器件；邏輯密度為2000 個可用編程門電路，128 個宏單元； ，計數(shù)器工作頻率可達(dá)到178MHz；有集電極開路選擇，可編程宏單元觸發(fā)器；具有專有的清除、時鐘、輸出使能控制。數(shù)據(jù)線使用了D0~D15。最終代碼固化時，Bank0為FLASH，Bank1為SRAM。因?yàn)楫?dāng)LPC2220上電或復(fù)位時，Bank0可以引導(dǎo)程序。由于嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的編程代碼量較大，并且數(shù)控加工的NC代碼文件也需要保存在系統(tǒng)FLASH內(nèi)，所以本系統(tǒng)外擴(kuò)了兩個512K的SRAM，2M的NorFlash,16M的NANDFLASH，提供比較豐富的存儲資源。 SP708S的復(fù)位電路 LPC2220的外部存儲器設(shè)計由于LPC2220本身只有64KB的靜態(tài)RAM，沒有程序存儲器ROM，所以基于LPC2220的嵌入式系統(tǒng)都必須外擴(kuò)存儲器系統(tǒng)，才能滿足系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)復(fù)位電路使用了專用芯片SP708S，在電源上電、掉電以及監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓的變化時，產(chǎn)生可靠的電源復(fù)位信號，提高了系統(tǒng)的可靠性[22]。一些微控制器自己上電時會產(chǎn)生復(fù)位信號，但是多數(shù)控制器需要外部輸入這個信號，因此它的穩(wěn)定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響。 30M有源晶振時鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計微控制器在上電時狀態(tài)不確定，這會造成微控制器不能正確的工作。其中30M的有源晶振信號作為EPM1270芯片主時鐘。 時鐘電路設(shè)計目前所有的微控制器均含有時鐘電路，需要時鐘信號才能正常工作。這個型號的芯片具有很低的靜態(tài)電流，當(dāng)輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率[21]。LM1086是 National Semiconductor公司生產(chǎn)的線性穩(wěn)壓電源芯片。如果不使用AD功能，模擬電源 和數(shù)字電源可以不分開，本系統(tǒng)不使用LPC2220的AD功能，所以只提供兩組電源：。 電源、時鐘及復(fù)位電路設(shè)計 電源電路設(shè)計電源為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對整個系統(tǒng)來說具有極其重要的地位。帶外部晶體的片內(nèi)振蕩器頻率范圍：1～30 MHz，外部振蕩器的頻率高達(dá)50MHz。8 路10 位A/D 轉(zhuǎn)換器?？蛇x擇帶有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和可變長度傳輸?shù)耐酱锌冢⊿SP）來代替一個SPI。可使用9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。 LPC2220功能框圖LPC2220特性：(1)16/32 位ARM7TDMIS 微控制器，擁有64KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，通過外部存儲器控制器可擴(kuò)展4 組，每組的容量高達(dá)16Mb，數(shù)據(jù)寬度為8/16/32 位。通過配置總線，LPC2220 最多可提供76 個GPIO。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。ARM芯片還獲得了許多實(shí)時操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較有名的有：Windows CE，Linux， VxWorks，μC/OS等。其中包括國際著名的Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、PHILIPS、SAMSUNG公司等[18]。ARM公司設(shè)計的芯核具有低功耗，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，在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位。ARM是全球領(lǐng)先的16/32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)微處理器知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計供應(yīng)商。本數(shù)控系統(tǒng)以飛利浦公司的LPC2220和Altera公司的EPM1270為核心構(gòu)成硬件控制平臺，具有低價格、低功耗、高性能的特點(diǎn)。 本章小結(jié)本章通過對嵌入式數(shù)控車床控制系統(tǒng)的功能需求分析，基于ARM和μC/OSⅡ，提出了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件的架構(gòu)，并對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件部分各模塊、軟件部分各模塊的功能和實(shí)現(xiàn)方法分別作了簡要的說明和介紹。伺服控制又可稱為位置控制，主要用于數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括了機(jī)床位置檢測、控制規(guī)則的制定等，涉及到大量的串行的數(shù)學(xué)運(yùn)算。 伺服處理數(shù)控機(jī)床進(jìn)給電機(jī)逐步由原來的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向采用交流伺服電機(jī)，以提高加工速度和精度。經(jīng)過譯碼后的數(shù)據(jù)段主要分為三部分，分別供速度控制任務(wù)（F指令）、插補(bǔ)任務(wù)（G指令）、邏輯控制（T、S、M指令）使用，常常需要將刀具補(bǔ)償?shù)雀鞣N參數(shù)考慮進(jìn)軌跡計算的過程中。 數(shù)據(jù)處理控制數(shù)據(jù)處理主要完成NC代碼的譯碼和刀具補(bǔ)償。根據(jù)速度控制任務(wù)得到的進(jìn)給速度計算出每個插補(bǔ)周期內(nèi)的總進(jìn)給量，放入插補(bǔ)緩沖區(qū)內(nèi)。并且各種復(fù)雜輪廓的精度也是由插補(bǔ)任務(wù)保證的。位移的控制主要由插補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)。保證加在電機(jī)上的脈沖頻率或電壓逐漸減小。即在機(jī)床加速啟動時，保證加在電機(jī)上的脈沖頻率或電壓逐漸增加。速度控制主要指的是CNC系統(tǒng)的加減速控制。由于μC/OSⅡ是個實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)，邏輯處理的優(yōu)先級很高，一般在幾個ms,所以能夠滿足數(shù)控車床的需求。3）對NC程序進(jìn)行加工過程中的刀尖軌跡仿真、在LCD上顯示刀具軌跡路徑，用戶可以檢驗(yàn)刀具所走過的軌跡判斷NC程序是否正確。主要功能有以下幾點(diǎn)：1）獲得車床系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，比如處于手動、自動、運(yùn)行還是其它狀態(tài)，獲得各種機(jī)床信息，比如當(dāng)前機(jī)床X、Z軸坐標(biāo)、進(jìn)給速率等，并且通過LCD顯示給用戶。數(shù)控系統(tǒng)按功能可劃分為以下六個部分[17]：（1）人機(jī)界面管理（2）邏輯處理（3）運(yùn)動控制（4）輔助控制（5）數(shù)據(jù)處理（6）伺服控制。μC/OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)支持多任務(wù)管理，采用基于占先式的實(shí)時內(nèi)核，可以把任務(wù)的調(diào)度時間控制在毫秒級內(nèi)，滿足系統(tǒng)實(shí)時性的要求。采用專用的鍵盤芯片可以采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)對鍵碼的讀取，免去對鍵盤的循環(huán)掃描，節(jié)約了CPU 的運(yùn)算資源，同時節(jié)省了很多任務(wù)切換和內(nèi)部信號量處理時間。 鍵盤模塊鍵盤與ARM 處理器的接口設(shè)計主要采用專用的鍵盤接口芯片ZLG7290。能夠快速響應(yīng)數(shù)控車床系統(tǒng)圖形仿真和實(shí)時監(jiān)控的需求。 液晶模塊液晶（LCD）模塊包括液晶顯示屏液晶顯示控制器。能夠很方便實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)控的精插補(bǔ)、碼盤輸入、I/O控制等功能，同時對產(chǎn)品可以加密保護(hù)。 CPLD子系統(tǒng)CPLD子系統(tǒng)采用Altera公司的MAX7000A(AE)系列的EPM1270。1MB的外部RAM、2MB Nor Flash、16MB NandFlash、專用復(fù)位電路、JTAG 凋試接口、實(shí)時時鐘等。大規(guī)模可編程邏輯控制器件CPLD主要用作精插補(bǔ)、碼盤反饋和實(shí)現(xiàn)I/O控制[1316]。嵌入式微處理器選用ARM7系列的LPC2220，它是32位的高性能、低成本的嵌入式RISC微處理器，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，可支持操作系統(tǒng)，低功耗和低成本的特點(diǎn)。軟件層主要是數(shù)控系統(tǒng)匹配軟件，包括設(shè)備驅(qū)動程序、相關(guān)的API函數(shù)、數(shù)控各任務(wù)模塊等。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)層采用了源代碼公開的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OSⅡ，μC/OSⅡ是一款可根據(jù)功能需要裁減，采用可剝奪性實(shí)時內(nèi)核的多任務(wù)操作系統(tǒng)。，由硬件層、操作系統(tǒng)層及軟件層三個層次構(gòu)成。 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計嵌入式車床數(shù)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由硬件和軟件兩大部分組成。第二章 嵌入式數(shù)控車床系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本文所要研究的嵌入式車床數(shù)控系統(tǒng)的主要功能包括：能夠給用戶提供一個良好的人機(jī)界面，支持鍵盤的輸入并實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工代碼的編程，能實(shí)現(xiàn)車削加工的高速運(yùn)動控制，可以實(shí)現(xiàn)常用的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和螺紋加工插補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對異常情況的實(shí)時處理。編寫數(shù)控系統(tǒng)的串口通訊、液晶顯示、鍵盤輸入等低層驅(qū)動程序。本文主要研究內(nèi)容包括：1．以32位ARM7內(nèi)核微處理器作為核心，基于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSⅡ，構(gòu)建整個數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)。數(shù)控車床作為使用最多、功能相對簡單的機(jī)床種類，非常適合采用嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的不斷普及應(yīng)用，可為數(shù)控技術(shù)提供一種靈活方便、能在工業(yè)環(huán)境長期穩(wěn)定可靠工作的微小型廉價的控制系統(tǒng)。我國現(xiàn)在面臨著制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級，也面臨幾百萬臺舊式機(jī)床的改造，其中部分機(jī)床可改造成具有較高性價比的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；同時設(shè)計和生產(chǎn)一些適合本國制造業(yè)需求的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，則可以顯著的提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，減少資源的浪費(fèi)。然而，在我國蓬勃發(fā)展的基于PC的數(shù)控系統(tǒng)也有著不足之處，如基于PC的數(shù)控系統(tǒng)難以裝入體積嚴(yán)格要求的微小型系統(tǒng)內(nèi)。我國是一個制造業(yè)大國，但數(shù)控技術(shù)的水平還不是很高，跟歐美、日本還有很大的差距，這嚴(yán)重制約著我國制造業(yè)水平的提高。2002年嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元[11]。嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合正推動著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，成為當(dāng)今世界最熱門的技術(shù)之一。(4)面向Internet階段21世紀(jì)是網(wǎng)絡(luò)時代，隨著Internet的進(jìn)一步發(fā)展，以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合是嵌入式系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。這一階段的操作系統(tǒng)實(shí)時性得到了很大改善，已經(jīng)能夠運(yùn)行在各種不同類型的微處理器上，具有高度的模塊化和擴(kuò)展性。這個實(shí)時內(nèi)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，包括任務(wù)管理，任務(wù)間通信，同步與互相排斥、中斷支持和內(nèi)存管理等功能。此時的嵌入式操作系統(tǒng)雖然還比較簡單，但已經(jīng)初步具有了一定的兼容性和擴(kuò)展性。(2)簡單操作系統(tǒng)階段20世紀(jì)80年代，隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中所需的微處理器、I/O接口、串行接口及RAM、ROM等部件集成到一片VLSI中，制造出面向I/O設(shè)計的微控制器。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口。(1)無操作系統(tǒng)階段是以8位單芯片為核心的可編程控制器形式，執(zhí)行一些單線程程序，具有與監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。任何一個普通人都可以使用嵌入式電子產(chǎn)品，小到MPPDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到網(wǎng)絡(luò)家電、智能家電、車載電子設(shè)備等。隨著社會的日益信息化，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到日常生活的每個角落。如立臥轉(zhuǎn)換加工中心、車銑萬能加工中心及四軸聯(lián)動（X、Y、Z、C）的車削中心等。如引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)、人機(jī)對話自動編程、自動診斷并排除故障等智能化功能。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，除了能與編程機(jī)、繪圖機(jī)、打印機(jī)等外設(shè)通信外，還應(yīng)能與其他CNC系統(tǒng)、上級計算機(jī)系統(tǒng)通信，以實(shí)現(xiàn)FMS的連接要求。數(shù)控系統(tǒng)還具有自動返回功能（即斷點(diǎn)保護(hù)功能）。數(shù)控控制軟件的功能更加豐富，具有自診斷及保護(hù)功能。(2)高可靠性高可靠性是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上，新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路，采用專門芯片及混合式集成電路，使線路的集成度提高，元器件數(shù)量減少，功耗降低，提高了可靠性?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速在12000r/min以上較為普及，高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min；快速進(jìn)給速度一般機(jī)床都在50m/min以上，有的機(jī)床高達(dá)120m/min。精密化是為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了提高普通機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。為了滿足市場和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求，當(dāng)前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(l)高速度、高精度 機(jī)床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。為了促進(jìn)我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，國家已經(jīng)在“十一五”繼續(xù)把數(shù)控技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)之一，使我國的數(shù)控技術(shù)在較短的時間里加快趕上世界先進(jìn)水平。尤其是最近10年來，我國己研制了具有自主版權(quán)的數(shù)控技術(shù)平臺和數(shù)控系統(tǒng)，比如2008年國產(chǎn)機(jī)床展上的大連機(jī)床集團(tuán)的VDW500五軸聯(lián)動立式加工中心、華中數(shù)控的LVC600五軸聯(lián)動立式加工中心其機(jī)床各項(xiàng)性能指標(biāo)都接近國際先進(jìn)水平[8]。20世紀(jì)80年代以來，在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國數(shù)控技術(shù)有了新的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床才真正進(jìn)入小批量生產(chǎn)的商品化時代。但由于歷史的原因，一直沒有取得實(shí)質(zhì)性的成果。1958年，由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等單位研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床[7]。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。從另一角度來看，目前流行的ERP即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門或設(shè)計、開發(fā)等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備一數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸。技術(shù)發(fā)展特征表現(xiàn)為技術(shù)的融合化；產(chǎn)品的發(fā)展特征表現(xiàn)為高附加值化、智能化和系統(tǒng)化；系統(tǒng)管理的發(fā)展特征表現(xiàn)為集成化（包括系統(tǒng)集成、軟件集成、技術(shù)集成和接口集成）和網(wǎng)絡(luò)化。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢己從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主[7]。人們常稱這種PCNC結(jié)構(gòu)為第八代數(shù)控系統(tǒng)。1994年，這種基于PC的CNC控制器在美國首先亮相市場，并在此后獲得了高速發(fā)展。(4)基于PC的開放式CNC的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)入九十年代，個人計算機(jī)(Personal Computer, PC)的性能已發(fā)展到很高的階段，從8位、16位發(fā)展到32位，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量很大，價格便宜，可靠性高。32位CPU以其很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力在CNC中得到了應(yīng)用，使CNC系統(tǒng)進(jìn)入了面向高速、高精度的第七代。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。它雖然仍以微處理器為基礎(chǔ)，但控制功能更為完備，達(dá)到了多功能的技