基于ARM和FPGA的数控系统人机接口设计

发布时间：2017-05-10 21:13

  本文关键词：基于ARM和FPGA的数控系统人机接口设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业，发展装备制造业，数控机床是基础。数控机床是装备制造业的工作母机，代表了一个国家装备制造业的水平，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一个国家国民经济的重要基础。数控系统是数控机床的核心，其控制水平直接决定数控机床和加工中心的加工精度和功能。 与传统数控系统相比，嵌入式数控系统具有低成本、稳定性、可靠性高、灵活性、扩展性好等优势，是数控系统的发展趋势。本文针对采用PC机和专用运动控制卡的传统数控系统的不足，提出以ARM9系列S3C2440处理器作为主控制板CPU和以数字信号处理芯片DSP（TMSC6713）作为运动控制板CPU的主从式结构。主机采用嵌入式μC/OS-II实时操作系统，采用μCGUI开发工具开发人机界面，利用现场可编程门阵列FPGA搭建异步串行通讯电路，实现主从控制板间高速数据通信。 本文在分析数控系统研究现状和嵌入式技术的发展与应用的基础上，根据数控系统的功能需求，选择了系统的总体结构方案；以模块化的设计方式设计了主控制板的硬件电路，包括：ARM核心板、ARM底板电路以及键盘板电路，并详细介绍了FPGA各个模块的设计；搭建了系统软件平台，分别介绍了μC/OS-II操作系统和图形用户支持软件μCGUI的移植以及驱动程序的开发；设计了ARM与FPGA通信协议、键盘板程序和人机界面。最后，本文对数控系统的调试实验，分别对硬件各个模块进行调试，与DSP运动控制板进行通信测试，，并对数控系统进行了整体调试，获得预期的效果。结果表明基于ARM和FPGA的数控系统人机接口途径的可行性，并为下一步对系统功能的丰富、优化和完善奠定了基础。
【关键词】：数控系统 ARM μC/OS-II μCGUI FPGA
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP334.7;TG659
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 数控系统概况12-14
• 1.1.1 数控技术及数控机床的基本概念12-13
• 1.1.2 数控系统的发展历史和发展趋势13-14
• 1.2 嵌入式数控系统14-16
• 1.2.1 传统数控系统14-15
• 1.2.2 基于 PC 的开放式数控系统15-16
• 1.2.3 嵌入式数控系统16
• 1.3 人机接口16-17
• 1.4 课题研究意义17
• 1.5 本文研究内容与章节安排17-19
• 1.5.1 本文研究内容17-18
• 1.5.2 本文章节安排18-19
• 第二章 数控系统人机接口方案设计19-24
• 2.1 数控系统人机接口需求分析19-20
• 2.2 人机接口硬件方案20-22
• 2.3 人机接口操作系统选择22
• 2.4 本章小结22-24
• 第三章 系统硬件模块设计24-40
• 3.1 系统硬件模块概述24-25
• 3.2 核心板模块电路25-28
• 3.2.1 S3C2440 芯片简介25-26
• 3.2.2 核心板电源电路设计26
• 3.2.3 存储电路设计26-28
• 3.2.4 晶振电路28
• 3.3 底板模块电路28-36
• 3.3.1 电源模块28-29
• 3.3.2 显示模块29-30
• 3.3.3 仿真烧写模块30-31
• 3.3.4 SD 卡模块31-32
• 3.3.5 以太网模块32-33
• 3.3.6 通信模块33-34
• 3.3.7 FPGA 通信接口模块34-36
• 3.3.8 底板实物图36
• 3.4 键盘板模块电路36-39
• 3.4.1 ATMEGA64 芯片简介36-37
• 3.4.2 锁存电路设计37-38
• 3.4.3 矩阵键盘电路设计38
• 3.4.4 通信电路设计38-39
• 3.4.5 键盘板实物图39
• 3.5 本章总结39-40
• 第四章 FPGA 内部模块设计40-49
• 4.1 FPGA 简介40
• 4.2 芯片选型及设计流程40-42
• 4.2.1 芯片选型40-41
• 4.2.2 FPGA 设计流程41-42
• 4.3 FPGA 内部各模块设计42-47
• 4.3.1 FPGA 与 ARM 接口电路设计42
• 4.3.2 FPGA 设计任务42-43
• 4.3.3 地址译码模块43-44
• 4.3.4 波特率发生器44-45
• 4.3.5 发送模块45-46
• 4.3.6 接收模块46-47
• 4.4 FPGA 仿真测试47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 系统软件平台搭建49-58
• 5.1 μC/OS-II 在 S3C2440 的移植49-51
• 5.1.1 μC/OS-II 操作系统概述49-50
• 5.1.2 μC/OS-II 移植50-51
• 5.2 μCGUI 的移植51-53
• 5.2.1 μCGUI 简介51-52
• 5.2.2 μCGUI 移植52-53
• 5.3 驱动程序开发53-57
• 5.3.1 LCD 驱动53-56
• 5.3.2 FPGA 驱动56-57
• 5.4 本章总结57-58
• 第六章 应用软件设计58-67
• 6.1 系统应用软件架构概述58
• 6.2 系统通讯设计58-62
• 6.2.1 与键盘板、I/O 板通信59-60
• 6.2.2 与 DSP 通信60-62
• 6.3 键盘程序的设计62
• 6.4 操作界面的设计62-66
• 6.4.1 CNC 界面的总体架构62-63
• 6.4.2 CNC 界面的设计63-66
• 6.5 本章总结66-67
• 第7章 调试与试验67-72
• 7.1 硬件调试67-68
• 7.2 实验调试与分析68-71
• 7.2.1 系统通讯测试68-69
• 7.2.2 电机测试69-71
• 7.3 本章小结71-72
• 总结与展望72-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78
• 致谢78-79
• 附件79

【参考文献】

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本文编号：355493