碩士學(xué)位論文-基于DSP的數(shù)控銑床刀補(bǔ)控制研究.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于DSP的數(shù)控銑床刀補(bǔ)控制研究姓名：鄧忠申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專(zhuān)業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師：信思金20090501武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，數(shù)控機(jī)床的使用越來(lái)越普遍，發(fā)展數(shù)控技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)更新的必由之路。嵌入式系統(tǒng)是一種軟、硬件可裁減的系統(tǒng)，它可按照不同的加工需要而定制不同的系統(tǒng)。采用高性能、低價(jià)格的數(shù)字信號(hào)處理，作為控制內(nèi)核，它為數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)提供了更好性能和更低價(jià)格的方案。用這一類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片開(kāi)發(fā)的數(shù)字控制系統(tǒng)在控制算法的更新和控制結(jié)構(gòu)的改變方面具有很大的靈活性，往往只需要對(duì)控制軟件做調(diào)整即可。因DSP的計(jì)算速度的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)大幅度提高，利用高速DSP實(shí)時(shí)運(yùn)算復(fù)雜控制算法，實(shí)現(xiàn)高精度多軸伺服控制已成為21世紀(jì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的方向。本文分析了國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，討論了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，比較了采用基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)和采用基于計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的性能，分析了DSP數(shù)控系統(tǒng)的硬件環(huán)境和主要功模塊，對(duì)刀具補(bǔ)償算法進(jìn)行了詳細(xì)深入的整理和研究，并應(yīng)用刀具半徑補(bǔ)償算法在基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)中，加工出了實(shí)物。數(shù)控系統(tǒng)中刀具補(bǔ)償加工工藝模塊是數(shù)控系統(tǒng)軟件中一個(gè)重要的功能模塊。它負(fù)責(zé)加工過(guò)程中刀具軌跡的的規(guī)劃、刀具幾何參數(shù)的補(bǔ)償以及加工邏輯的設(shè)計(jì)。刀具補(bǔ)償處理是插補(bǔ)前必須完成的一項(xiàng)預(yù)備處理工作。通過(guò)刀具補(bǔ)償將被加工零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換為刀具中心軌跡。刀具補(bǔ)償又分為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、夾具偏置補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償，本文對(duì)刀具補(bǔ)償算法討論的重點(diǎn)是基于刀具半徑補(bǔ)償。刀具半徑補(bǔ)償又分為B算法和C算法，B算法雖然較易實(shí)現(xiàn)，但其轉(zhuǎn)接角的處理過(guò)于簡(jiǎn)單，會(huì)導(dǎo)致工件加工質(zhì)量偏低難以達(dá)到設(shè)計(jì)者的要求，C算法雖然實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜但在轉(zhuǎn)接角問(wèn)題上，處理豐富，加工出的工件更符合設(shè)計(jì)者的要求。本文研究了基于C刀補(bǔ)的二維和三維刀具半徑補(bǔ)償算法，并應(yīng)用于基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812的三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定圖形的加工。加工的實(shí)物基本滿(mǎn)足預(yù)期的目標(biāo)。關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床，刀具補(bǔ)償，DSP武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology，theuseofNCmachinetoolsaremoreandmorecommonthedevelopmentofNCtechnologyistheonlywaytomachinerymanufacturingindustryEmbeddedsystemisasoftwareandhardwaresystemthatCanbetrimmed，itCanbeprocessedinaccordance謝mthedifferentneedsofdifferentsystemsHighperance，low-costDSPaSthecontrolcore，itdesignforNCmachinetools、ithbetterperanceandlowerpriceUsingthistypeofDSPinthecontrolofdigitalcontrolsystemandalgorithmtoupdateandthechangesinthestructurehavealotofflexibilityoftenonlytomakeadjustmentsonsoftwarenecessaryAstheadvantagesofspeedofDSPimprovethequalityofNCsystemUsinghi曲一speedDSPrealtimecontrolalgorithmstoachievehigh-precisionmulti-axisservocontrolhasbecometrendofthe21stcenturyInthepapertheauthoranalyzestheNCsystemathomeandabroadofthestatusandtrendsofdevelopment，discussingtheflexibilityandstabilityofembeddedNCsystem，comparingtheuseoftheNCsystembasedonDSPandtheuseofCNCsysteminperance，analyzingthehardwareenvironmentoftheDSPNCsystemandthemainreactivemodule，studyingthecompensationalgorithmofthetoolindetailandapplyingthetoolradiuscompensationaigorithmintheNCsystembasedonDSPandworkingoutsamplesNCtoolcompensationprocessingCNCsoftwaremoduleisanimportantfunction，whichreferstothetoolpathplanning，toolgeometryandprocessingparametersofthecompensationlogicdesignToolcompensationisajobpreparationbeforeinterpolationCompensationthroughthecuttercompensationwillchangeoutlinetocuttercenterpathToolcompensationisdividedintotoollengthcompensation，fixtureoffsetcompensationandtoolradiuscompensation，toolcompensationalgorithminthisarticleismainlybasedonthetoolradiuscompensationToolradiuscompensationalgorithmisdividedintoBandCalgorithm，Balgorithmiseasiertoachieve，buttheswitchingangleishardtodeal謝m，leadingtolowqualityoftheworkpieceanditisdifficulttoachievethe武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文requirementsofdesigners，CalgorithmismorecomplicatedtoachievebutswitchingangleisrichtheworkpieceismoretomeettherequirementsofthedesignerThispaperiSmainlybasedontheCcuttercompensationofthetwodimensionalandthreedimensionaltoolradiuscompensationalgorithm，andappliedtoDSPbasedonTIsTMS320F2812chipthree-axisCNCmillingmachinesystemtoachievethetargetofprocessinggraphicsBasicallymeettheneedsofthephysicalprocessingofthetargetssetKeywords：MachineTool，CuRerCompensation，DSP獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。簽名：壘垂虛乏日期：塑2：竺：乙學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國(guó)家有關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫(kù)使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。(保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)研究生(簽名)：研移導(dǎo)師(簽名)：售龜日期紗7廠(chǎng)乞L武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論11課題研究背景及意義111課題的研究背景本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：50675166)：基于資源的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制新理論及關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)也發(fā)生了深刻的變化。傳統(tǒng)的普通加工設(shè)備已難以適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求，難以適應(yīng)市場(chǎng)的高效率、高質(zhì)量的要求。而以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成了高度信息化、高度柔性、高度自動(dòng)化的制造系統(tǒng)【11。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械制造、機(jī)器人、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)乃至計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(cMis)和無(wú)人自動(dòng)工廠(chǎng)ffA)等高新技術(shù)的基礎(chǔ)，是用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的橋梁。發(fā)展數(shù)控技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)更新的必由之路。目前，在世界著名企業(yè)中，數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)設(shè)備中的比例不斷提高，如美國(guó)波音公司中的數(shù)控機(jī)床達(dá)到約90，GE公司達(dá)到約80，日本在1990年的時(shí)候，機(jī)床的數(shù)控化率已經(jīng)為80。我國(guó)是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國(guó)，雖然目前研究和使用數(shù)控技術(shù)的研究院校和企業(yè)不少，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與世界上發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距仍然很大，數(shù)控技術(shù)的研究應(yīng)用水平還很低。這些都嚴(yán)重制約著我國(guó)制造水平的提高。高性能的數(shù)控設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口，不僅代價(jià)昂貴而且受到技術(shù)限制，有時(shí)因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)上的不足，還會(huì)受到很大的損失。所以發(fā)展民族數(shù)控事業(yè)，是迫在眉睫的大事。國(guó)家在近幾個(gè)“五年計(jì)劃”中，都把數(shù)控技術(shù)的研究列為重中之重。我國(guó)正處于工業(yè)化的初步階段，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，數(shù)控機(jī)床(NCM)使用越來(lái)越普遍。如果開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和研制高可靠性、高精度、高效率以及使用方便的新一代數(shù)控機(jī)床(NCM)，在條件各異的各種使用環(huán)境中，均能正?？煽窟\(yùn)行，對(duì)提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量、效率以及提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重大的意義；武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文而提高新一代NCM性能的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的控制系統(tǒng)。因此，智能化機(jī)床數(shù)字控制系統(tǒng)的研究，以提高傳統(tǒng)普通機(jī)床的加工精度、可靠性和使用效率，進(jìn)而提高機(jī)械加工水平，提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，就具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義，值得我們花時(shí)間和精力去研究。112課題的研究目的、意義數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)化制造業(yè)的核心技術(shù)，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，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(guó)制造業(yè)水平的提高。以PC機(jī)作為基礎(chǔ)的CNC，為我國(guó)的CNC開(kāi)發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇，使得我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商有了一個(gè)趕上世界數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流的機(jī)遇。然而，在我國(guó)蓬勃發(fā)展的基于PC的數(shù)控系統(tǒng)也有著不足之處。由于PC的體積限制，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)不能夠裝入體積嚴(yán)格要求的微型或小型系統(tǒng)內(nèi)。另外，基于PC的CNC往往功能強(qiáng)大，相對(duì)一些功能要求單一的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，就顯得有些大材小用，且成本過(guò)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低。因此，目前國(guó)內(nèi)中小型的數(shù)控系統(tǒng)多采用816位單片機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)部資源有限，一般需要擴(kuò)展資源且較多采用匯編編程，沒(méi)有操作系統(tǒng)在其上運(yùn)行，程序的修改、升級(jí)和維護(hù)比較困難，并且人機(jī)界面及網(wǎng)絡(luò)功能不是很完善。而嵌入式系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，正好解決了這些問(wèn)題。嵌入式系統(tǒng)為數(shù)控技術(shù)提供了一種靈活方便的，能夠嵌入在工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部，在工業(yè)極端環(huán)境里能夠連續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作的微小型廉價(jià)的控制系統(tǒng)。目前，嵌入式系統(tǒng)的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)新的潮流，也成為了中小型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。刀具在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)存在刀具磨損，使得其半徑和長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生改變。刀具補(bǔ)償功能的主要作用就在于簡(jiǎn)化用戶(hù)的編程負(fù)擔(dān)，即在編制程序時(shí)可以只按零件輪廓進(jìn)行編制。然而由于基于PC的數(shù)控系統(tǒng)存在的種種弊端使得整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用受到了很大的限制，在采用DSP處理器做控制芯片，可以利用其特殊的硬件結(jié)構(gòu)和特殊的DSP指令解決乘除運(yùn)算的速度問(wèn)題，能夠取得良好的效果。而解決了速度上的瓶頸問(wèn)題，對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展，有特殊的重要意義。本課題研究基于嵌入式處理器的數(shù)控系統(tǒng)，是低成本、高性能數(shù)控系統(tǒng)研究的一種新的嘗試。2武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文12相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀121國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前基手DSP技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器一類(lèi)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的還相當(dāng)少，大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。作為本課題所研究的DSP運(yùn)動(dòng)控制器的直接表現(xiàn)形式數(shù)控機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控部分國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀為：數(shù)控技術(shù)與裝備基本上是“洋貨”一統(tǒng)天下，盡管我國(guó)機(jī)床產(chǎn)量位居世界前5名之列，而檔次卻居二、三流地位，作為數(shù)控機(jī)床的核心部件數(shù)控系統(tǒng)不得不依靠進(jìn)口【21。特別是中高檔數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)基本上是被國(guó)外廠(chǎng)家所壟斷，國(guó)外五軸以上聯(lián)動(dòng)的高端數(shù)控系統(tǒng)則限制對(duì)中國(guó)出口。從數(shù)控機(jī)床的整體來(lái)看，無(wú)論是可靠性、精度、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，我國(guó)與世界工業(yè)化國(guó)家相比還存在不小的差距，但這種差距正在縮小。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、企業(yè)設(shè)備改造和技術(shù)更新的深入開(kāi)展，各行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的需求量將大幅度增加，這將有力促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。122國(guó)外研究現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)DSP運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國(guó)。目前發(fā)達(dá)國(guó)家所產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的精度要比我國(guó)高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，且早已采用了DSP數(shù)控技術(shù)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上中高檔數(shù)控機(jī)床所配數(shù)控系統(tǒng)幾乎被進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷。1995年，Matsui，N研究了基于DSP常規(guī)的速度、位置控制，還引入了自適應(yīng)控制、系統(tǒng)參數(shù)在線(xiàn)辯識(shí)技術(shù)【31；1995年，Kolek，k提出了一種基于總線(xiàn)技術(shù)的浮點(diǎn)DSP(TMS320C31)控制器【4】，該控制器增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算與處理的速度及控制的精度；1996年，Hager，GJ研究了應(yīng)用3264位浮點(diǎn)DSP及PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制器【51；1997年，Larsen，GCetinkunt為了補(bǔ)償對(duì)鉆石精整加工過(guò)程中由于機(jī)械軸摩擦力造成的影響，提出了一種基于小腦模型關(guān)節(jié)控制器(CMAC)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)伺服控制系統(tǒng)，并在DSP板上給以實(shí)現(xiàn)【6】；1997年，Han，SH提出一種用于機(jī)器人操縱器的實(shí)時(shí)補(bǔ)償、自適應(yīng)算法的DSP控制器【7】；1998年，Style，AWDiana，G開(kāi)發(fā)了一種基于MathworksSimulinkRealtimeworkshop(RTW)的PCDSP主從式系統(tǒng)，用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)時(shí)控制器【8】；1999年，Brandstatter，W介紹武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文了一種基于DSP的用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的方法，為避免電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)該系統(tǒng)包含了PI電流控制和控制策略補(bǔ)償?shù)取?1；1999年，Moynihan，JF介紹了以DSPADMC40l作為專(zhuān)門(mén)的處理單元，用于高精度計(jì)算來(lái)自位置、速度傳感器的信號(hào)以及行使必要的補(bǔ)償和插補(bǔ)運(yùn)算功能的典型應(yīng)用【l01。1999年，GukChanI-Ian介紹了一種基于預(yù)估插補(bǔ)技術(shù)的高速加工算法，用于加工由CADC伽系統(tǒng)獲得的3D曲面。最后通過(guò)韓國(guó)三星公司的數(shù)控系統(tǒng)加以驗(yàn)證了該算法的高效性。該CNCS由一個(gè)通用64位主處理器和一個(gè)32位浮點(diǎn)DSP從處理器(運(yùn)動(dòng)控制用CPU)構(gòu)成【111。13本文的主要工作本論文緊密?chē)@“基于DSP的數(shù)控銑床刀補(bǔ)控制研究”此中心任務(wù)開(kāi)展了全面和系統(tǒng)的工作。首先，論文的第二章分析了基于DSP數(shù)控銑床系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和主要功能模塊，對(duì)基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。然后，在第三、四章中對(duì)二維和三維刀具補(bǔ)償算法進(jìn)行了深入的整理和研究，并應(yīng)用于三軸數(shù)控銑床系統(tǒng)的加工中，加工出預(yù)先設(shè)計(jì)的圖形。最后，第五章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)和展望，就基于嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提出自己的觀點(diǎn)和想法。4武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章基于DSP數(shù)控銑床系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析21嵌入式與PC性能比較PC機(jī)系統(tǒng)冗余，體積龐大，穩(wěn)定性較差適合應(yīng)用在對(duì)穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。嵌入式系統(tǒng)軟、硬件可裁減，體積小，穩(wěn)定性好可以應(yīng)用在各種對(duì)性能要求較高的場(chǎng)合。PC機(jī)采用的是馮諾依曼結(jié)構(gòu)，程序空間和數(shù)據(jù)空間不獨(dú)立，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線(xiàn)傳輸屬于串行執(zhí)行，因而它們無(wú)法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)，這使得其實(shí)時(shí)性大打折扣。嵌入式系統(tǒng)特別是嵌入式DSP系統(tǒng)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼後得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作(通常是執(zhí)行)。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開(kāi)組織和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過(guò)將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化；而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過(guò)有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing)和數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor)的簡(jiǎn)稱(chēng)都是DSP，然而其內(nèi)涵卻不同。數(shù)字信號(hào)處理是指將模擬信號(hào)通過(guò)采集進(jìn)行數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行分析、處理，它側(cè)重于理論、算法及軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)處理有一些典型算法，如最常見(jiàn)的快速付立葉變換(FFT)算法。要實(shí)現(xiàn)這些算法，特別是要實(shí)時(shí)地完成某些算法就需要有特殊的硬件支持，這就是數(shù)字信號(hào)處理器。由于DSP的良好性能非常適用于大數(shù)據(jù)量的高速采集及實(shí)時(shí)信號(hào)處理和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，其應(yīng)用也從開(kāi)始的專(zhuān)門(mén)數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字濾波等發(fā)展到于通信、計(jì)算機(jī)、遙感、語(yǔ)音和圖像處理、電子測(cè)量、工業(yè)控制和儀武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文器儀表等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)是許多產(chǎn)品中不可或缺的基礎(chǔ)器件，并成為集成電路中繼微處理器(CPU)和微控N器(MCt0之后，又一個(gè)引人注目的產(chǎn)品。為了滿(mǎn)足不同層次的需要，DSP也朝著兩個(gè)方向分化一種是專(zhuān)用型，即一種芯片僅完成一種算法，這類(lèi)器件多出現(xiàn)在工業(yè)及消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)。比如VCD機(jī)的處理核心就是一組DSP芯片，它們完成的功能就是解碼。另一種是通用型，這類(lèi)芯片具有較豐富的硬件接口和很強(qiáng)的可編程性，適用于開(kāi)發(fā)和研究。通過(guò)以上比較和分析，可以看出基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)比起基于計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。22硬件工作環(huán)境組成圖21工作環(huán)境組成圖卜1為本課題的工作平臺(tái)組成框圖，由圖可知它主要包括三大部分：執(zhí)行部分、信號(hào)反饋部分、控制部分。其中執(zhí)行部分采用的是華中數(shù)控四紀(jì)星銑床(刪C2122M)，該銑床具有X、Y、Z三軸另有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可以對(duì)平面的和空間的圖形進(jìn)行加工。信號(hào)反饋部分采用的是基于單片機(jī)8051的IO板，8051單片機(jī)具有豐富的外圍IO口，可以方便對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行采集以及對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行控制，通過(guò)8051我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床超程信號(hào)的捕捉以及實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)6武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制?？刂撇糠植捎玫氖腔赥I公司的工業(yè)控制芯片TMS320F2812的PWM脈沖發(fā)生控制板，該控制板主要包含一個(gè)PWM輸出接口，一個(gè)以太網(wǎng)接入口，一個(gè)串口等，通過(guò)此控制板我們可以很方便的實(shí)現(xiàn)PWM的輸出、串口通信及以太口通信等。23主要芯片及功能塊231TM$320F2812TMS320F2812(F2812)是TI公司的一款用于控制的高性能，多功能，高性?xún)r(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。該芯片兼容TMS320LF2407指令系統(tǒng)，最高可以150MHz主頻下工作，并帶有18K16位0等待周期片上SRAM和128K16位片上FLASH。其片上外設(shè)主要包括28路12位ADC，2路SCI，1路SPI，1路MCBSP，l路ECAN等，并帶有兩個(gè)事件管理模塊(EVA，EVB)，分別包括6路PWMCMP，2路Q(chēng)EP，3路CAP，2路16位定時(shí)器(或T)(PWM廠(chǎng)rxCMP)。另外，該器件還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立編程的GPIO引腳，可外擴(kuò)大于1M宰16位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。TMS320F2812采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制可進(jìn)行雙1616乘加和3232乘加運(yùn)算，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能112J。TMS320F2812的片上外設(shè)按輸入時(shí)鐘可分為如下4個(gè)組：(1)SYSOUTCLK組：包括CPU定時(shí)器和eCAN總線(xiàn)，可由PLLCR寄存器動(dòng)態(tài)地修改；(2)SCCLK組：主要是看門(mén)狗電路，由WDCR寄存器設(shè)置分頻系數(shù)；(3)低速組：有SCI，SPI，MCBSP可由LOSPCP寄存器設(shè)置分頻系數(shù)；(4)高速組：包括EVAB，ADC，可由HISPCP寄存器設(shè)置分頻系數(shù)。為了使系統(tǒng)具有較快的工作速度，除了定時(shí)器和SCI等少數(shù)需要低速時(shí)鐘的地方，其它外設(shè)均可以150MHz時(shí)鐘工作。7武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一一一F2812MemoryM筇o叮J100X0000000X000r7匿M0，1旺1SARAMtogandData)宰，0 x0008000 x000婦匝PeripheralFrame0口F0)(Dataoray)帥0 x0020000X003髓m曬ZONE0口rogandDa啪車(chē)，0 x0040000X005臌汀巧ZONE1四rogandDa啪M呶0060000 x006趕PeripheralFrame1四F1)ataomy)牟燦0X00r70000X00r7臌Peripheral1：tame2四F2)(Dataonly)帥0X0080000 x009髓L0幾1SARAMfProgandData)帕0 x080000OxO骶XDfrFZONE2(ProgandData)礬0 x1000000 x17暇mZONE6fProgandD扯a)o0 x3cr78000 x3cr7肚OTP口togandData)豐加0 x3d80000 x3f7髓FLASH(ProgandData)o0 x3f80000 x3f9髓H0SARA奎壓(ProgandData)帥0 x3fc0000 x3讎XDn下ZoNE7(弛田NMC=1)口rogandData)豐如0 x3丘D000jc3麟Bo。-工ROMN1C劬(1rogandData)宰厶圖2-2F2812內(nèi)存分布圖22所示是TMS320F2812的內(nèi)部存儲(chǔ)空間映射圖【l3。其中Oxl000000 x17fl丑用于RAM空間方便程序的調(diào)試。FLASH區(qū)用于將程序固化在DSP芯片內(nèi)。TMS320F2812為哈佛結(jié)構(gòu)的DSP，即在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可同時(shí)進(jìn)行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作。在邏輯上有4M16位程序空間和4M16位數(shù)據(jù)空間，但物理上已將程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一為一個(gè)4M16位的存儲(chǔ)空間，各總線(xiàn)按優(yōu)先級(jí)由高到低的順序?yàn)椋簲?shù)據(jù)寫(xiě)，程序?qū)?，?shù)據(jù)讀，程序讀。為了盡可能提高器件的工作速度，在對(duì)FLASH寄存器編程使其在較高速度下工作的同時(shí)，可將時(shí)間要求比較嚴(yán)格的程序，變量各堆?？臻g搬移到H0，L0，L1，M0，M1空間來(lái)運(yùn)行。TMS320F2812系列DSP片上都有非常豐富的外設(shè)，每個(gè)片上外設(shè)均可產(chǎn)生1個(gè)或多個(gè)中斷請(qǐng)求。中斷由兩級(jí)組成，其中一級(jí)是PIE中斷，另一級(jí)是CPU中斷。CPU中斷有32個(gè)中斷源，包括RESETNMI，EMUINTILLEGL，12個(gè)用戶(hù)定義的軟件中斷USERlUSERl2和16個(gè)可屏蔽中斷(INTlINTl4，RTOSINT和DLOG玳T(mén))。所有軟件中斷均屬于非屏蔽中斷。由于CPU沒(méi)有足夠的中斷源來(lái)管理所有的片上外設(shè)中斷請(qǐng)求，所以在TMS320F2812中設(shè)置了一個(gè)外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器(Pm)來(lái)管理片上外設(shè)和外部引腳引起的中斷請(qǐng)求。PIE中斷共有96個(gè)，被分為12個(gè)組，每組內(nèi)有8個(gè)片上外設(shè)中斷請(qǐng)求，96個(gè)片上外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)可記為INTxy(x=l，2，：，12；y=l，2，8)。每個(gè)組輸出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)給CPU，即PIE的輸出INTx對(duì)應(yīng)CPU中斷輸入的AAAAAAAAAAAA風(fēng)AAAA武漢瑾工大學(xué)碩士學(xué)位論文INTl一INTl2。TMS320F2812的96令可能的PIE中斷源中有45個(gè)被利用，其余的被保留作以后的DSP器件使用。用定點(diǎn)芯片實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算的關(guān)鍵是用整數(shù)取代浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理。用C編譯器時(shí)，為產(chǎn)生最優(yōu)化代碼，應(yīng)遵循以下原則【鬈：(1)將除法轉(zhuǎn)換為乘法，盡量使編譯器產(chǎn)生MAC指令以充分利用DSP的硬件乘法器資源進(jìn)行快速運(yùn)算，且應(yīng)使MAC的操作數(shù)為局部變量以分配到寄存器中。(2)盡可能餿用靜態(tài)直接插入函數(shù)，以節(jié)省蘧數(shù)調(diào)用的額外開(kāi)銷(xiāo)。(3)對(duì)FOR循環(huán)的上限使用常數(shù)或具有常數(shù)屬性的變量可產(chǎn)生重復(fù)指令R。PT232PWMTMS320F2812作為一種運(yùn)動(dòng)控制芯片廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域，它的每一個(gè)通用定時(shí)器都含有一個(gè)計(jì)數(shù)器和三個(gè)寄器，分別為比較寄存器，周期寄存器和控制寄存器瓣弱?？刂萍拇嫫饔糜诙〞r(shí)器的工作模式設(shè)置和運(yùn)行控制，通過(guò)配置控制寄存器，定時(shí)器采用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式比較輸出采用高有效方式，工作開(kāi)始比較輸出零|腳力低電乎，計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始，對(duì)輸入的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行增量計(jì)數(shù)，當(dāng)讀數(shù)值達(dá)到比較寄存器的值時(shí)，輸出信號(hào)發(fā)生跳變，當(dāng)達(dá)到周期寄存器的值時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值良動(dòng)回零并重新開(kāi)始讀數(shù)，同時(shí)輸出信號(hào)返回低電平，如此循環(huán)往復(fù)便產(chǎn)生了一系列連續(xù)的脈沖信號(hào)如圖扣-3所示。CrDpDeO比較輸出ir廠(chǎng)幾rr圖-3PWM產(chǎn)生波形示意9武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文顯然，在時(shí)鐘頻率固定的情況下，輸出脈沖的頻率取決于周期寄存器的值Dp，而輸出脈沖的占空比決定于比較寄存器的值Dc。設(shè)定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為fcll(，那么輸出脈沖的頻率fout與周期寄存器的數(shù)值Dp之間的關(guān)系為fout=fclkDp，所以通過(guò)控制周期寄存器的數(shù)值Dp，就可以控制輸出脈沖的頻率fout，將這些脈沖輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配合方向信號(hào)，可以控制步進(jìn)電機(jī)按照期望的速度運(yùn)行，通過(guò)控制輸出脈沖的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位移量的控制。再根據(jù)輸出脈沖頻率與周期寄存器的數(shù)值及定時(shí)器時(shí)鐘頻率的關(guān)系便可以將脈沖數(shù)與位移聯(lián)系起來(lái)，剩下的便是采用插補(bǔ)算法將產(chǎn)生的PWM用于運(yùn)動(dòng)控制了。233RTL8019AS圖2-4RTL8019AS引腳圖10武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文RTL8019AS芯片(兼容NE2000)是一款以太網(wǎng)控制芯片，支持PNP自動(dòng)檢測(cè)方式，支持以太網(wǎng)II和IEEE8023，10Base5，10Base2，10BaseT軟件兼容8位和16位的NE2000，支持jumper和jumperless模式的即插即用配置，支持fullduples以太網(wǎng)到兩倍頻帶寬，支持到BROM的16K，32K，64K和16Kpage方式，支持BROM刪除程序后釋放內(nèi)存，支持存儲(chǔ)器瞬時(shí)讀寫(xiě)等功能。RTL8019AS采用100腳PQFP封裝，如圖24。其主要引腳功能如下：引腳14，97100，中斷控制INT07；引腳33，復(fù)位控制；引腳34，使能控制腳AEN，低電平有效；引腳6，7，70，89，數(shù)字電源，+5V；引腳14，28，83，86，數(shù)字地GND引腳47，57，模擬電源：+5V；引腳44，52，模擬地；引腳713，15，16，1827，ISA地址總線(xiàn)；引腳3643，87，88，90一95，ISA數(shù)據(jù)總線(xiàn)；引腳31，BootROM讀操作控制；引腳32，BootROM寫(xiě)操作控制；引腳62，RX接收數(shù)據(jù)顯示LEDl腳；引腳63，TX發(fā)送數(shù)據(jù)顯示LED2腳；引腳58，59，接收數(shù)據(jù)TPIN+；引腳45，46，發(fā)送數(shù)據(jù)TPOUT+；引腳50，51，外接晶體。RTL8019AS與以太口之間的電路連接是通過(guò)帶梔流線(xiàn)圈的隔離變壓器芯片20F001N實(shí)現(xiàn)的，如圖25所示：7CO圖2一以太口連線(xiàn)圖武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文234串口通信串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線(xiàn)接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線(xiàn)總常不得超過(guò)20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò)2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá)1200米。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線(xiàn)完成：地線(xiàn)、發(fā)送和接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線(xiàn)上接收數(shù)據(jù)。其他線(xiàn)用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配116J。(1)波特率這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線(xiàn)上的采樣率為4800Hz。通常電話(huà)線(xiàn)的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。(2)數(shù)據(jù)位這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0-127(7位)。擴(kuò)展的ASCII碼是0255(8位)。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)單的文本(標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼)，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包”指任何通信的情況。(3)停止位用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，15和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線(xiàn)上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越12武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。(4)奇偶校驗(yàn)位在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位(數(shù)據(jù)位后面的一位)，用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。串行通信接口SCI是一個(gè)雙線(xiàn)的異步串口，一般看作是UART。SCI模塊支持CPU與采用非返回至0(NI屹)標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外圍設(shè)備之間的數(shù)字通信。SCI的接收器和發(fā)送器各具有一個(gè)16級(jí)深度的FIFO，這樣可以減少空頭的服務(wù)。它們還各有自己獨(dú)立的使能位和中斷位，可以在半雙工通信中進(jìn)行獨(dú)立的操作，或在全雙工通信中同時(shí)進(jìn)行操作。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，SCI檢查所接收數(shù)據(jù)的中斷檢測(cè)，極性，溢出和幀錯(cuò)誤。位速率可通過(guò)編程一個(gè)16位的波特率改變寄存器而改變。芯片MAX3232是一款符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，其連線(xiàn)圖如圖2-6所示。鋤lIJB041八l2Q吣6a+一-W-O1042I。1436剁Q0470C1VO10434Q+Q01580IG02D4-0III5(2-、Ic169j9_05珈104廠(chǎng)一夕L1l141391111aUrSCrD0107衛(wèi)N瑚1213lIl叫r砌烈sC嗍98蒯112烈M馭3232圖26MAX3232電路連線(xiàn)圖武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文235C8051F020CygnalC8051F系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，其CPU能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器還具有在線(xiàn)重新編程的能力即可用作程序存儲(chǔ)器又可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX指令對(duì)FLASH進(jìn)行讀或改寫(xiě)。其內(nèi)部含有8。12位多通道ADC，1-2路12位DAC等。片內(nèi)JTAG仿真電路提供全速的電路內(nèi)仿真不占用片內(nèi)用戶(hù)資源，支持?jǐn)帱c(diǎn)單步觀察點(diǎn)運(yùn)行和停止等。C8051F系列單片機(jī)指令處理采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，指令處理能力比MCS51大大提高。CIP51內(nèi)核70的指令執(zhí)行是在一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，只有四條指令的執(zhí)行需4個(gè)以上時(shí)鐘周期。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個(gè)中斷源，CygnalC8051F系列單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理，這對(duì)于時(shí)實(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的處理是很重要的。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP51提供22個(gè)中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷，一個(gè)中斷處理需要較少的CPU干預(yù)卻有更高的執(zhí)行效率。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有外部引腳復(fù)位，C8051F系列單片機(jī)增加7種復(fù)位源使系統(tǒng)的可靠性大大提高，每個(gè)復(fù)位源都可由用戶(hù)用軟件禁止。CIP51具有標(biāo)準(zhǔn)8051的程序和數(shù)據(jù)地址配置，它包括256字節(jié)的RAM其中高128字節(jié)用戶(hù)只能用直接尋址訪(fǎng)問(wèn)的SFR地址空間，低128字節(jié)用戶(hù)可用直接或間接尋址方式訪(fǎng)問(wèn)，前32個(gè)字節(jié)為4個(gè)通用工作寄存器區(qū)，接下來(lái)的16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。另外C8051F02X系列除了內(nèi)部有擴(kuò)展4K數(shù)據(jù)RAM外片外還可擴(kuò)展至64K數(shù)據(jù)RAM。C8051F系列單片機(jī)程序存儲(chǔ)器為8K-64K字節(jié)的Flash存貯器，該存貯器可按512字節(jié)為一扇區(qū)編程，可以在線(xiàn)編程且不需在片外提供編程電壓，該程序存貯器未用到的扇區(qū)均可由用戶(hù)按扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)存貯器使用。CygnalC8051F系列單片機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的8051IO口，除POPlP2P3之外還有更多的擴(kuò)展的8位IO口，每個(gè)端口IO引腳都可以設(shè)置為推挽或漏極開(kāi)路輸出，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。C8051F系列內(nèi)部有一個(gè)全雙工UARTSPI總線(xiàn)和SMBus12C總線(xiàn)，每種串行總線(xiàn)都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP51產(chǎn)生中斷。這些串行總線(xiàn)不共享定時(shí)器中斷或IO端口所以可以使用任何一個(gè)或全部同時(shí)使用。C8051F02x系列14武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文MCU內(nèi)部還有第二個(gè)UART這是一個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART具有硬件地址識(shí)別和錯(cuò)誤檢測(cè)功能。CygnalC8051F系列單片機(jī)設(shè)計(jì)有片內(nèi)調(diào)試電路與JTAG口可以實(shí)現(xiàn)非侵入式在片”調(diào)試。Cygnal提供基于Windows集成的在線(xiàn)開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，包括IDE軟件與串口適配器EC2、調(diào)試目標(biāo)板，可實(shí)現(xiàn)存貯器和寄存器校驗(yàn)和修改；設(shè)置斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧；程序可單步運(yùn)行、全速運(yùn)行、停止等。在調(diào)試時(shí)的所有的數(shù)字和模擬外設(shè)都能正常工作，實(shí)時(shí)反映真實(shí)情況。IDE調(diào)試環(huán)境可做KeilC源程序級(jí)別的調(diào)試。對(duì)于開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，與用傳統(tǒng)的專(zhuān)用仿真芯片、目標(biāo)電纜及仿真頭的仿真器相比，更具優(yōu)越性能，更能真實(shí)“在片”仿真實(shí)時(shí)信息。Cygnal的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設(shè)的性能。CygnalC8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具即突破了昂貴開(kāi)發(fā)系統(tǒng)舊模式，又創(chuàng)立了低價(jià)位仿真新思路。為應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了極大的方便。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章二維刀具半徑補(bǔ)償算法在三維圖形力n-r-中的應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)中常用刀具補(bǔ)償是來(lái)修正刀具實(shí)際半徑或長(zhǎng)度與其程序規(guī)定的值之差【l71。機(jī)床對(duì)刀具的控制是以刀架中心為基準(zhǔn)的，但零件加工程序卻僅給出了零件輪廓軌跡，它們之間的轉(zhuǎn)換就涉及到刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償(刀架中心與刀尖圓弧中心間的軌跡轉(zhuǎn)換)及刀具半徑補(bǔ)償(零件輪廓與刀具刀尖圓弧中心間的軌跡轉(zhuǎn)換)【181。本章將詳細(xì)討論二維刀具半徑補(bǔ)償算法，并將其應(yīng)用于三維圖形的加工中，加工出預(yù)先設(shè)計(jì)的圖形。31刀具半徑補(bǔ)償概述在數(shù)控加工中有3種補(bǔ)償：刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、夾具偏置補(bǔ)償。這三種補(bǔ)償基本上能解決在加工中因刀具形狀而產(chǎn)生的軌跡問(wèn)題。本文所有討論都是基于刀具半徑補(bǔ)償展開(kāi)的。刀具半徑補(bǔ)償?shù)亩x：根據(jù)零件輪廓編制的程序和預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù)，數(shù)控裝置能實(shí)時(shí)自動(dòng)生成刀具中心軌跡的功能稱(chēng)為刀具半徑補(bǔ)償功能【19】。如圖31所示，實(shí)線(xiàn)為用戶(hù)給定的工件的編程軌跡，虛線(xiàn)為經(jīng)過(guò)補(bǔ)償過(guò)的刀具中心軌跡，刀補(bǔ)功能就是依據(jù)實(shí)線(xiàn)軌跡和偏置參數(shù)計(jì)算出刀具中心的軌跡，進(jìn)行精密加工。圖31刀具編程軌跡與刀心軌跡16武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文顯然若要利用刀具中心軌跡來(lái)編程的話(huà)，必須先根據(jù)所選擇的刀具型號(hào)的尺寸，算出工件輪廓的等距線(xiàn)，然后依照等距線(xiàn)來(lái)編程，采用此方法編程，當(dāng)材料，工藝變化，或刀具磨損需要更換刀具時(shí)，由于刀具尺寸的變化，需要重新計(jì)算，重新編寫(xiě)加工程序，工作量極大。此方法一般不被采用。一般情況下是利用工件的輪廓來(lái)編寫(xiě)程序，采用這種方法編程十分方便。但由于伺服電機(jī)控制的是刀具中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而刀具中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡并不等于需要的工件輪廓軌跡，因此，必須在插補(bǔ)運(yùn)算之前增加對(duì)刀具的補(bǔ)償功能。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在程編軌跡前進(jìn)方向的左邊時(shí)，稱(chēng)左刀補(bǔ)，用G41表示，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在程編軌跡前進(jìn)方向的右邊時(shí)，稱(chēng)左刀補(bǔ)，用G42表示。刀具半徑補(bǔ)償中的轉(zhuǎn)接方式總的可有兩種，一種是采用圓弧進(jìn)行轉(zhuǎn)接，也稱(chēng)B刀補(bǔ)；另一種是采用直線(xiàn)進(jìn)行軌跡轉(zhuǎn)接，也稱(chēng)為C刀補(bǔ)。以圓弧進(jìn)行軌跡轉(zhuǎn)接(B刀補(bǔ))有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是當(dāng)遇到加工零件外輪廓是尖角時(shí)，由于輪廓尖角處始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性就比較差，在磨削加工時(shí)尤其突出，所需要加工的尖角往往被加工成圓角；二是對(duì)轉(zhuǎn)接角小于等于900的編程無(wú)法加工，需要編程人員人為地插入一段過(guò)渡圓弧，這就增加了編程的工作量。本論文研究采用C機(jī)能刀具半徑補(bǔ)償。刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠猛究蓺w納為以下兩點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)根據(jù)編程軌跡對(duì)刀具中心軌跡的控制，可避免在加工中由于刀具半徑的變化(如由于刀具損壞而換刀等原因)而重新編程的麻煩，只須修改相應(yīng)的偏置參數(shù)即可；減少粗、精加工程序編制的工作量，由于輪廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工時(shí)，均要為精加工工序預(yù)留加工余量。加工余量的預(yù)留可通過(guò)修改偏置參數(shù)實(shí)現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個(gè)程序。32刀具半徑補(bǔ)償中BC算法分析常見(jiàn)的刀具半徑補(bǔ)償算法有B刀補(bǔ)和C刀補(bǔ)算法，詳細(xì)分析如下所述。321BC刀補(bǔ)算法概述在介紹刀補(bǔ)(如沒(méi)有特別說(shuō)明，本論文中指刀具半徑補(bǔ)償，下同)算法之17武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文前，給出刀補(bǔ)轉(zhuǎn)接角定義：本系統(tǒng)中指兩編程軌跡在交點(diǎn)處非加工側(cè)的夾角a，如圖32所示。非加工側(cè)加工側(cè)刀具中心軌跡一一一一一圖3_2刀補(bǔ)轉(zhuǎn)接角定義示意圖如圖33所示，B刀補(bǔ)的思路是：讀一段數(shù)控工件加工程序段后，馬上解釋執(zhí)行之；C刀補(bǔ)的思路是：預(yù)讀一段(或多段)加工程序段，執(zhí)行上一加工程序段。B刀補(bǔ)C刀補(bǔ)圖3-3BC刀補(bǔ)算法邏輯示意圖圖34顯示了在具體編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，兩種算法在編程語(yǔ)言中的大致流程。其中，左邊的為B刀補(bǔ)流程，右邊的為C刀補(bǔ)流程，中間是為說(shuō)明方便引入的過(guò)度說(shuō)明。18武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖34BC刀補(bǔ)算法編程示意圖兩種刀補(bǔ)的處理方法是有很大區(qū)別的：B刀補(bǔ)法在確定刀具中心軌跡時(shí)，采用的是讀一段，算一段，再走一段的處理方法。這樣，就無(wú)法預(yù)計(jì)到由于刀具半徑所造成的下一段加工軌跡對(duì)本段加工軌跡的影響。于是，對(duì)于給定的加工輪廓軌跡來(lái)說(shuō)，當(dāng)加工內(nèi)輪廓時(shí)，為了避免刀具干涉，合理地選擇刀具的半徑以及在相鄰加工軌跡轉(zhuǎn)接處選用恰當(dāng)?shù)倪^(guò)渡圓弧等問(wèn)題，就不得不靠程序員來(lái)處理。為了解決下段加工軌跡對(duì)本段加工軌跡的影響問(wèn)題，C刀補(bǔ)采用的方法是，一次對(duì)兩段進(jìn)行處理，即先預(yù)處理本段，然后根據(jù)下一段的方向來(lái)確定其刀具中心軌跡的段間過(guò)渡狀態(tài)，從而便完成了本段的刀補(bǔ)運(yùn)算處理，然后再?gòu)某绦蚨尉彌_器再讀一段，用于計(jì)算第二段的刀補(bǔ)軌跡，以后按照這種方法進(jìn)行下去，直至程序結(jié)束為止。322BC刀補(bǔ)算法比較為使問(wèn)題突出明了，以工件加工程序段各運(yùn)動(dòng)段之間的過(guò)度情況為例做比較(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖例為直線(xiàn)段間的過(guò)度)，具體比較情況如下所示：19武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3一加工凹角時(shí)BIC刀補(bǔ)過(guò)渡比較示意圖如圖3_5所示，當(dāng)加工凸角工件時(shí)的過(guò)度分析如下：B刀補(bǔ)：(1)v點(diǎn)做垂線(xiàn)，在此垂線(xiàn)上求一點(diǎn)A，使得IAv|_|r|(r為刀具半徑，下同)；(2)刀具中心從上一個(gè)運(yùn)動(dòng)段的終點(diǎn)0運(yùn)動(dòng)到此運(yùn)動(dòng)段的終點(diǎn)A點(diǎn)；(3)讀入下一段運(yùn)動(dòng)段，計(jì)算刀補(bǔ)轉(zhuǎn)接角，如果需要過(guò)度處理，則用同樣的方法計(jì)算B點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)由A點(diǎn)到B點(diǎn)插入一段圓弧過(guò)度；重復(fù)上面的B刀補(bǔ)過(guò)程。C刀補(bǔ)：讀入一段加工程序段，如果發(fā)現(xiàn)需進(jìn)行過(guò)度處理，則有如下步驟：(1)分別在適當(dāng)?shù)囊粋?cè)做編程軌跡的平行線(xiàn)，求出其交點(diǎn)F；(2)過(guò)點(diǎn)v做垂線(xiàn)，在此垂線(xiàn)上求一點(diǎn)A，使得IAvl=lrl；(3)用同樣的算法求點(diǎn)B的坐標(biāo)；(4)分別在AF線(xiàn)段上和BF線(xiàn)段上求得點(diǎn)D，E兩點(diǎn)，使得IADI=Irl，IBEI=Irl；(5)則得到當(dāng)前刀具中心應(yīng)走的軌跡為：OA，AD，DE，EB；重復(fù)上面的過(guò)程。似缺點(diǎn)比較：B刀補(bǔ)算法簡(jiǎn)單，此段代碼的執(zhí)行不依賴(lài)于下一運(yùn)動(dòng)段；但在過(guò)度時(shí)，雖然刀具中心的軌跡為圓弧AB，但是刀具的邊緣點(diǎn)一直和待加工件的尖端點(diǎn)V接觸，刀具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不可避免的要有輕微的震動(dòng)，所以，采用上述的圓弧過(guò)度會(huì)對(duì)工件的尖端點(diǎn)產(chǎn)生塤傷，容易在V點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)小的圓?。籆刀補(bǔ)過(guò)度處理相對(duì)比較復(fù)雜，但是很好的處理了尖端點(diǎn)V的加工問(wèn)題，對(duì)武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文工件的尖端點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生塤傷；非非側(cè)圖3-6加工凹角時(shí)BC刀補(bǔ)過(guò)渡比較示意圖當(dāng)加工凹角并需要過(guò)度時(shí)，由圖3一可知，當(dāng)采用B刀補(bǔ)算法時(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行膹腛點(diǎn)向A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在A點(diǎn)附近就會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生過(guò)切，影響加工精度；而采用C刀補(bǔ)就可以避免此種情況的過(guò)切產(chǎn)生。小結(jié)：B刀補(bǔ)算法對(duì)加工輪廓的連接都是以園弧進(jìn)行的，其缺點(diǎn)是：在外輪廓尖角加工時(shí)，由于輪廓尖角處，始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性差；在內(nèi)輪廓尖角加工時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)切。由上面的分析可知，B刀補(bǔ)算法雖然流程簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但存在明顯的缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足精密加工的需求，所以，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)中一般都采用C刀補(bǔ)算法。33二維刀具半徑補(bǔ)償算法331刀具半徑補(bǔ)償算法的幾個(gè)基本概念1方向矢量方向矢量是指與運(yùn)動(dòng)方向一致的單位