【摘要】：嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用,它集嵌入式、機械制造、計算機、信息處理、自動控制、機電一體化等多種技術(shù)于一體,是數(shù)控系統(tǒng)一個重要的研究和發(fā)展方向。 為了滿足數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)、強實時性的功能需求,目前大多嵌入式數(shù)控系統(tǒng)采用“嵌入式處理器+運動控制器”的雙CPU結(jié)構(gòu)形式,其強實時性任務(wù)功能主要在下位機的運動控制器中實現(xiàn),因此對運動控制器性能要求非常高,導(dǎo)致其開發(fā)難度較大、開發(fā)周期較長。為此,本文充分利用當(dāng)前嵌入式主機的優(yōu)良特性及開發(fā)的便利性,嘗試將系統(tǒng)強實時性的任務(wù)功能在上層主機中實現(xiàn),而將下層運動控制器簡化為一個帶精插補器的運動控制接口。 本文設(shè)計研究了一款以PC104嵌入式板卡為主處理單元的單CPU嵌入式數(shù)控系統(tǒng),并通過Linux實時擴展在上層實現(xiàn)其多任務(wù)、強實時性的數(shù)控功能。主要研究工作和成果如下: 1.詳細分析了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)在硬件上的要求,特別是對硬件的實時性需求。設(shè)計構(gòu)建了以PC104嵌入式板卡為主處理單元的,以FPGA為核心擴展單元的硬件平臺。 2.為實現(xiàn)單CPU嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的強實時性任務(wù)功能,對系統(tǒng)實時性開發(fā)和運行環(huán)境進行了深入研究,提出了Linux+Xenomai架構(gòu)的多任務(wù)、實時性擴展的系統(tǒng)開發(fā)運行環(huán)境,并對該架構(gòu)進行了實時性定量測試,驗證了理論的正確性和架構(gòu)的實用性。 3.構(gòu)建了符合本嵌入式數(shù)控系統(tǒng)要求的嵌入式Linux系統(tǒng),安裝了Xenomai內(nèi)核實時子系統(tǒng),實現(xiàn)了Linux+Xenomai的多任務(wù)、強實時性擴展環(huán)境,并在此基礎(chǔ)上規(guī)劃和實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的核心軟件功能模塊。 4.對Linux設(shè)備驅(qū)動構(gòu)架進行了分析,總結(jié)了Linux字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的一般流程,并以RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串口為通訊接口,在Linux系統(tǒng)環(huán)境下設(shè)計了一款數(shù)控系統(tǒng)專用鍵盤。 通過初步的性能測試,本文搭建的基于PC104嵌入式板卡和FPGA運動控制接口的數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺,構(gòu)建的以Linux+Xenomai架構(gòu)的多任務(wù)、強實時性擴展環(huán)境,可滿足常用嵌入式數(shù)控系統(tǒng)功能的控制需求。
【圖文】：

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)上述性能和功能需求，，同時兼顧高性價比的原則，對系統(tǒng)硬件進行和設(shè)計，本文采用了“核心板+擴展板”的硬件平臺模式，分別對應(yīng)為主機單元和接元兩部分。系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)如圖 2.1 所示。

接口圖 2.3 系統(tǒng)接口擴展單元結(jié)構(gòu)圖根據(jù)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)以及上述硬件選型的原則和方法，設(shè)計系統(tǒng)的實板，搭建系統(tǒng)的硬件平臺，其實物照片如圖 2.4 所示。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TG659;TP368.1

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