嵌入式数控系统软件总体设计研究

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1、嵌入式数控系统软件总体设计研究　　摘要:随着计算机和微电子技术的飞速发展，嵌入式系统作为计算机应用的一个重要领域，己深入到社会的方方面面。本文在ARM9硬件平台的基础上，加强操作系统的实时性，设计满足数控磨床加工需求的软件系统。　　关键词:嵌入式芯片；软件设计　　　　一、嵌入式软件开发方式　　　　绝大多数的Linux或软件开发都是以native方式进行的，即本机开发、调试，本机的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发，因为对于嵌入式系统的开发，没有足资源在本机(即板子上系统)运行开发工具和调试工具。通常

2、的嵌入式系统的软件开发采用交叉编译调试的方式。简单的说，交叉编译就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码，如在x86的PC机上生成ARM平台的可执行代码。　　交叉编译调试环境建立在宿主机(即一台PC机)上，对应的开发板叫做目标板。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码，(这种可执行并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行。)然后把可执行文件下载到目标机上运行。交叉开发技术己成为嵌入式软件开发的主要方式。其开发步骤如下:在宿主机平台上面编写程序代码;)使宿主机与目标机连接，如使用

3、交叉网线;使用交叉编译器等工具编译、连接应用程序，生成可执行代码;目标机挂载(mount)宿主机的方式(或将可执行代码下载到目标机):开发人员使用交叉调试器进行调试;如果程序调试没有发现异常，则转至第(10)步;调试程序时发现错误，则利用交叉调试器定位错误;修改错误代码;重复(3)—(9)步;将目标机程序固化至目标机上。　　　　二、数控系统软件任务研究　　　　控软件的功能大致可分为两种，一种是控制功能，另一种是管理功能。其中，管理功能包括信息的输入功能、输出输入输出的处理功能、显示功能和诊断功能，控制功能包括译

4、码功能、刀具补偿功能、速度控制功能、和位置控制功能。　　　　　　从任务的特征来看，与通用实时系统相比，数控系统有以下特点：　　数控系统是一个混合任务系统，其任务按是否具有实时性要求和周期性要求可分为:实时周期性任务、实时突发性任务和非实时任务。实时周期性任务是指严格以定长时间间隔定时触发，并且在规定的时间内必须完成处理的任务。在数控系统中主要指加工过程中的插补控制、位置控制、数据采样等需快速响应的机床逻辑状态;实时突发性任务的发生是时间的随机函数，要求有很高的实时性，它包括机床紧急停止、系统故障中断等;非实时性

5、任务是指实时性要求很低的任务，如:人机界面监控，这类任务对于机床运行和加工质量的影响较小，其主要作用是让操作者了解机床运行状况，增强机床的易操作性。　　任务之间具有相关性。数控系统的实时任务除了自身的时限要求以外，任务之间通常也不是完全独立的，一般存在时序约束、资源约束等约束关系。　　系统在某一确定时刻的并发任务数量不多，与通用实时操作系统不同，数控系统的功能单一，因此调度程序几乎不需要处理较大数量的并发任务。三、需求分析　　　　数控控制系统通过良好的人机交互界面，完成显示工作状态、操作人员进行参数设定等任务，

6、主要有以下几个方面的综合要求:　　系统界面要求:图形用户界面可以实时显示加工状态、当前时间、开机时间、加工时间、各个轴的坐标位置，正在运行的关键G代码程序段等信息;　　系统功能要求:操作人员可以在符合国际标准的条件下，无需了解嵌入式数控系统的专用编程代码，直接使用符合国际标准的G代码和M代码，即可编制数控程序;　　系统的运行要求:操作人员可以根据需要点击触摸屏和键盘或机床面板按钮，随时监控数控系统的工作状态;还可以通过参数设置实现对电机的控制，如电机的启停，正反转等等;　　异常处理要求:在正常生产条件下，每天运

7、行16小时，数控系统的无故障率P(t)≥99%，这要求其MTBF值(数控系统的平均无故障时间，是衡量可靠性的重要指标)大于3万时;在硬件不受损坏的情况下，系统软件要有较强的容错能力。　　未来可能提出的扩展要求:如能实现远程的联网控制、故障自诊断等、加工仿真、重要数据的备份、中英文界面切换等。　　把上述提出的直观需求转化为具体的软件功能需求，即为:　　完成电机的启动，制动和换向控制，实现加工过程中的主轴、近给速度实时调整。实现六轴的高精度联动，并通过插补，完成工件的加工、磨削;在能够满足一定精度的前提下，实现自由

8、曲线的粗插补和精插补;　　图形用户界面要求:实现参数的图形菜单输入，加工过程的仿真，并实时显示加工图形和各轴坐标值，用户可以通过触摸屏和键盘进行参数设置，实现对电机的控制;实现伺服信号、开关量信号、和辅助信号的宏指令控制，且符合G代码和M代码功能定义;　　实现各功能电路的PLC控制，包括机床面板功能实现、主轴的起停、自动润滑控制以及过载、超载、碰撞、掉电等紧急情况的处理;　　为了方便用