基于web的数控系统开题报告.docx
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基于web的数控系统开题报告
基于web的数控系统
开题报告
学号:
U201210704
姓名:
杨励阳
指导老师:
任清荣
院(系)专业:
机械设计制造及其自动化
目录
基于web的数控系统0
1.课题的背景、目的及意义2
1.1.基于web的数控系统2
1.2.基于FPGA的嵌入式服务器2
1.3.嵌入式运动控制器2
2.国内外研究概括3
3.目标与关键理论和技术3
3.1.目标3
3.2.关键理论与技术简介3
3.2.1.uClinux嵌入式操作系统3
3.2.2.嵌入式web服务器技术4
3.2.3.网络协议分析4
3.2.4.嵌入式Web服务器Boa5
3.2.5.动态Web页面的CGI技术6
3.2.6.FPGA远程控制系统相关技术6
3.2.7.FPGA原理及开发技术7
3.2.8.IP核技术9
3.2.9.运动控制系统9
4.课题研究进展计划10
5.队内人员10
6.参考文献10
1.课题的背景、目的及意义
基于web的数控系统
国际互联网络的迅速普及和Web技术的发展,使传统的产品设计、制造和生产模式发生了深刻的变革,出现了协同设计制造、异地设计制造、全球制造等一系列新概念和新技术。
数控加工可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量,操作过程容易实现自动化,生产率高,生产准备周期短,可适应产品快速更新换代的要求。
数控加工编程是实现数控加工的前提,数控加工编程的质量和效率是提高数控加工水平的关键。
基于FPGA的嵌入式服务器
随着Internet的发展,各种嵌入式设备与Internet结合将代表嵌入式系统的发展方向,故本文设计并实现了基于FPGA的嵌入式Web服务器。
嵌入式Web服务器不仅可以利用浏览器提供的丰富的图形用户界面实现远程管理、监控嵌入式系统的功能,并且可以在服务器端结合嵌入式Web服务器提供的接口进行进一步开发,以此丰富各种嵌入式功能。
由于嵌入式Web服务器具有成本低、体积小、高可靠、微功耗、环境适应能力强等诸多优势,在通信和工业控制等领域正得到日益广泛的应用。
嵌入式运动控制器
近几年,随着现代科学技术的不断进步,不同学科间的交叉与渗透日益增多,且不断发展。
在工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅猛发展及其向机械工业技术的不断渗透,形成了所谓的机电一体化技术。
为运动控制系统的发展注入了强大的技术动力,从而使机械工业的技术机构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化。
二十一世纪的机电一体化技术,日益向小型化、智能化、网络化方向发展,我国传统运动控制系统已经不能适应现代制造业的发展,深入研究基于新体系架构、新技术、高性能、低成本、开放式多轴运动控制器,既有市场需求,又有良好的技术背景环境。
在机电一体化技术领域中引入嵌入式系统技术,将更加促进机电一体化技术的发展。
机电一体化设备的嵌入式控制技术是嵌入式系统技术与机电一体化技术的结合,即将嵌入式系统技术应用于机电一体化中。
具体的说就是把嵌入式系统开发和设计的相关理论、技术引入到机电一体化系统的开发和设计中,建立以嵌入式微处理器(或微控制器)为核心,以高性能、高可靠性的硬件和软件为保障的机电一体化设备嵌入式控制系统,满足被控机械对象的复杂控制要求的同时满足现代工业对于设备智能化、网络化的需求。
2.国内外研究概括
国内外许多学者对Web技术和制造技术的结合进行了深入的研究,并取得了丰硕的成果。
美国Illinois大学开发了基于Web的制造过程仿真软件;美国California大学Berkeley分校的集成制造实验室的CyberCut项目、基于web的CAD软件webcad软件和基于www用于快速原型制造和教学的环境;新加坡国立大学的设计实验室的cyberCAD软件;加拿大McMaster大学加工系统实验室开发的在线加工参数仿真软件planetCAD是SpatialTechnology公司为制造和设计工程师管理数字制造供应链和设计工程任务提供帮助的Web站点,其中的3DShare是解决CAD交互协同问题的工具;香港大学工业与制造系统工程系的黄国全博士在Internet上开发的面向制造与装配的设计系统;MarkR.Cutkosky开发了基于Internet的协同工程系统Madefast。
3.目标与关键理论和技术
目标
实现一个可利用手机、平板、PC等的web浏览器操作的简单数控系统,能进行简单的点位运动控制。
关键理论与技术简介
uClinux嵌入式操作系统
uClinux嵌入式操作系统是从Linux内核派生而来的,它最大的特征就是没有MMU(MemoryManagementUnit,内存管理单元模块),是针对微控制领域设计的Linux,专门为嵌入式系统作了许多小型化的工作。
它通常用于很少内存或Flash的嵌入式系统,并且已经成功地在路由器、网络摄像机、机顶盒、PDA等嵌入式设备上应用。
uClinux包含了Linux操作系统常用的API和关的工具,以及小于512K的Linux操作系统内核。
uCLinux嵌入式操作系统所有的代码一共小于900K,其支持多种文件系统,比如ROMFS,NFS,EXTZ,FATl6/32等。
uClinux嵌入式操作系统还具备完整的TCP/IP协议栈,同时对其它很多网络协议都提供支持,并且这些网络协议都在uClinux上得到了很好的实现,因此uClinux可以称作是一款针对嵌入式系统设计的优秀的网络操作系统。
嵌入式web服务器技术
嵌入式web服务器(EmbeddedWebServer),是指在嵌入式系统中引入web
服务器,在与其相应的硬件平台以及软件系统的支持下,使传统的嵌入式系统
变成具备TCP/IP底层通信协议,并且以Web技术为核心,能够同互联网通信,
成为基于互联网的网络嵌入式系统。
内嵌于嵌入式设备的WEB服务器可以通过标准的接口和通信方式,像传统WEB服务器那样向每一个合法访问的使用人员以及操作人员提供统一的控制界面1331。
使用者以及操作人员可以方便地通过任何网页浏览器界面同嵌入式Web服务器相连接,对其进行访问操作等,嵌入式Web服务器同普通PC服务器一样,在接收到用户端发来的请求之后,对用户的请求做出响应,并将处理的结果数据以各种形式返回给浏览器界面,供使用人员分析,监测以及操作,这样一来,便使得使用人员就像浏览网站一样方便地去控制相应的设备。
嵌入式Web服务器的开放性及友好性,为开发人员提供了一个非常好的应用平台。
大大降低了软件以及硬件的开发成本、设备的维护成本以及人员的培训费用。
并且给用户提供了一个非常美观的操作平台,提高了现场测试和控制设备的管理水平。
网络协议分析
嵌入式Web服务器使用的网络协议是HTTP(HypertextTransferProtoc01)协议,即超文本传输协议。
它是基于客户/服务器模型,属于应用层的面向对象的协议,它具有如下功能特点:
(1)支持客户/服务器模式;
(2)HTTP的应用非常灵活,无论哪种数据类型的对象,他都能够传输:
(3)HTTP请求方式简单,响应速度快。
用户在向服务器发送请求的时候,仅需要将请求的方法以及路径发送给服务器,其中常见的请求方法有:
GET,HEAD,POST。
在收到请求之后,HTTP并能够迅速地做出响应,并将结果迅速地返回,能够迅速地响应主要是由于HTTP协议并不复杂而且其程序规模小,这样传输通信的速度就会大大地提高;
(4)属于无状态协议。
所谓的无状态既是指其在处理事务方面不具备记忆功能。
也就是说,在处理之后便将此次传输的信息删除,如果后续的处理需要前面的处理信息的话,则必须要重新传输,这样就可能造成一次传输的数据量增大。
从另一个方面讲,如果后续的处理不需要前面的处理信息,则无需重新传输,则响应速度就非常快;
(5)HTTP协议是建立在请求/回应机制基础之上的,当用户端与服务器端建立了连接之后,用户端向服务器发出请求,其中请求包含一下内容:
信息的协议版本号、成功或错误代码以及MIME信息,而其中MIME信息中包含了服务器信息、实体信息以及其他相关的内容。
在服务器收到用户端发送过来的请求之后,会以相同的格式将响应的信息返回去。
嵌入式Web服务器Boa
目前,有许多功能复杂而强大的Web服务器,其中有以下几种:
httpd,thttpd,Apache和boa等。
其中功能最简单的是httpd服务器,其仅支持静态页面,很明显不适合高级应用。
Thttpd,Apache和Boa都支持CGI。
选择使用Boa嵌入式Web服务器,是因为Boa是一个高性能的单任务小型Web服务器,可以在几乎所有的类Unix的平台上运行,支持CGI技术,功能比较全面,占用资源也少,安全可靠,源代码开放、性能优秀,特别适合在嵌入式系统中应用。
从对CGl支持的性能指标可知,Boa每秒可以处理上千个请求,比Apache服务器要快近两倍。
动态Web页面的CGI技术
目前,实现动态Web页面技术有许多种,CGI、ASP、JSP、PHP等,其在高端平台上都能很好地实现用户所需的功能。
但uClinux只支持CGI技术。
CGI(CommonGateInterface),即通用网关接口,它给Web服务器提供了一个可以执行外部程序的通用标准接口,外部程序需要按照CGI提供的标准来编写,这样,此标准的外部程序便能够处理客户端发送过来的数据,并将处理结果返回给浏览器页面,以此来完成用户端与服务器端的交互,实现动态Web服务器技术如图2-4所示为CGI工作原理图。
当用户端的使用人员将FORM表单中输入的信息发送给服务器,以此来向服务器发出HTTP请求,在Web服务器的进程接收到此次请求之后,便会自动创建一个子进程,也就是CGI进程,此CGI进程会将所接收到的数据封装成一个环境变量,之后在服务器与CGI程序之间建立两条数据传输通道,之后执行用户端发送的页面地址所指定CGI程序,CGI程序的执行结果会通过标准的输出流传送给服务器进程,服务器进程再将CGI程序的处理结果作为响应的消息返回给用户。
CGI程序的任务由两个部分组成,输入任务和输出任务,输入任务是根据用户端发出的请求的方法的不同,而从标准输入或者环境变量QUERYSTRING中来提取用户输入的数据,输出任务则是生成HTTP响应的头标内容和响应消息的正文内容,服务器的任务则是把信息流以HTTP的形式封装起来,并返回给用户端的浏览器页面。
FPGA远程控制系统相关技术
FPGA既现场可编程门阵列,它是在PLA、GAL、CPLD等可编程器件的基础之上进一步发展起来的产物。
随着微电子技术的高速发展,系统设计师们希望能够设计出专用集成电路(ASIC)芯片,并且还希望尽可能地缩短ASIC的设计周期,最好是在实验室里就能够设计出适合需求的ASIC芯片,并且可以立即投入到实际使用中,因而便出现了现场可编程逻辑器件,即可以实现将一个电路实验板放在一个芯片里来进行验证,其中应用最广泛的当属现场可编程逻辑器件(FPGA)。
自FPGA芯片出现以来,特别是最近,FPGA已经成为可编程逻辑器件的主导力量,它密度高,通用性强,灵活易用,并且可反复编程上百万次,对ASIC设计来说,FPGA可用于高集成度、高可靠性的解决方案,对产品开发来说,选用FPGA将大大减少风险并降低成本和缩短开发周期。
使用FPGA进行系统设计主要有以下优点:
(1)设计灵活,使用FPGA器件,可不受标准系列器件在逻辑功能上的限制,如需修改,只需通过所用的FPGA器件进行重新编程即可完成,使系统设计具有很大的灵活性。
(2)增大功能密集度,功能密集度是指在给定的空间内能集成的逻辑功能的数量。
一片FPGA可代替几片、几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片,因此,使用FPGA芯片可以减少印刷线路板面积和印刷线路板数目,最终全面缩减系统的规模。
(3)可靠性提高,使用FPGA器件减少了实现系统所需要的芯片数目,与此同时,在印刷线路板上的引线以及焊点数量也随之减少,系统的可靠性便得以提高。
(4)缩短设计周期,由于FPGA器件的可编程性和灵活性,用它来设计一个系统所需时间比传统方法大为缩短。
因此,使用FPGA器件可大大缩短系统的设计周期,加快产品投放市场的速度,提高产品的竞争力。
(5)设计成本低,使用FPGA器件实现数字系统设计时,设计周期缩短,使系统的研制开发费用降低;其次,FPGA器件可使印刷线路板面积和需要的插件减少,从而使系统的制造费用降低;再次,使用FPGA器件能使系统的可靠性提高,维修工作量减少,进而使系统的维修服务费用降低。
FPGA原理及开发技术
FPGA的工作机理是基于查找表(Look.Up—Table,LUT)结构的,LUT其实就是一个RAM。
由于FPGA需要被反复烧写,因此用它来实现组合逻辑的基本结构不可能像专用集成电路ASIC那样通过固定的与非门来完成,而只能够采用一种易于反复配置的结构,查找表结构就可以很好的满足这一要求。
目前,主流的FPGA芯片都采用了基于SRAM工艺的查找表结构。
当用户通过HDL语言,即硬件描述语言,或者原理图来描述一个逻辑电路以后,PLD/FPGA的开发软件便会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并且把结果事先写入RAM,这样,在进行逻辑运算时,每输入一个信号,就等于输入一个地址进行查表,从而找出与地址相对应的内容,并输出。
FPGA芯片是基于查找表技术的,但是其概念以及性能已经远远超出了查找表技术的限制,而且FPGA还整合了许多常用的功能强大的硬核模块,比如PowerPC等,同时还有相当丰富的软核资源可以加以利用。
FPGA芯片主要由7个组成部分,包括:
可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
图2-6所示为Xilinx公司Spartan.2系列FPGA的内部
结构。
每个模块的功能简述如下:
(1)可编程输入/输出单元(IOB),是芯片与外界电路的接口部分,用于完成不同电器特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。
(2)可配置逻辑块(CLB),是FPGA内的基本逻辑单元,Xilinx公司的FPGA器件中,CLB由多个相同的Slice和附加逻辑构成,每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑,还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。
(3)数字时钟管理模块(DCM),大多数的FPGA均提供数字时钟管理,Xilinx推出最先进的FPGA.提供数字时钟管理和相位环路锁定。
相位环路锁定能够提供精确的时钟综合,且能降低抖动,并实现过滤功能。
(4)嵌入式块RAM(BRAM),大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。
(5)丰富的布线资源,布线资源连通FPGA内部的所有单元,而且连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。
(7)底层内嵌功能单元,主要指DLL(DelayLockedLoop)、PLL(PhaseLockedLoop)、DSP和CPU等软处理核(EmbeddedProcessor)。
正式由于集成了丰富的内嵌功能单元,从而使得单片FPGA成为系统级的设计工具,具备了软、硬件联合设计的能力,逐步向SOC平台过渡。
(8)内嵌专用硬核,它是指FPGA处理能力强大的硬核。
Xilinx是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商,一直以来它推动着FPGA技术的发展。
Xilinx的开发工具不断升级,FoundationSeriesISE开发工具具有界面友好、操作简单的特点,再加上Xilinx的FPGA芯片占有很大的市场,使其成为非常通用的FPGA工具软件。
IP核技术
IP核即硬件知识产权核(IntellectualPropertyCore)IPCore,是指在集成电路的设计过程中,通过继承、共享或者购买所需的智力产权内核,是应用于专用集成电路或者可编辑逻辑器件中的逻辑块或者数据块。
例如,乘法器、FIR滤波器、PCI接口等。
IPCore一般采用参数可配置的结构,这就方便了用户根据实际情况来调用这些模块。
随着FPGA芯片生产工艺的提高,FPGA芯片规模的提升,使用口核完成整体的系统设计已经成为发展趋势。
对FPGA开发软件来说,它能够提供的口核越丰富,则用户在开设计过程中就越方便快捷,而其市场占有率也就会越高。
Xilinx公司的开发工具ISE中的IPCore生成器就提供了十分丰富的口核资源供用户选择使用,其涵盖的范围十分广,包含了基本单元、通信和网络、数字信号处理、数学函数、记忆和存储单元、标准总线接口、汽车工业、FPGA特点和设计等8大类,从简单的基本设计到复杂的处理器,一应俱全,使用IP核进行设计,可以大幅度减轻设计人员的工作量,提高设计可靠性。
运动控制系统
运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子、功率变换装置为执行机构,在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统,这类系统控制电动机的转矩、转速和转角,将电能转换为机械能,实现运动机械的运动要求。
运动控制系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。
运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、执行机构、机械传动机构和传感器反馈检测装置等部分组成。
主要构架如图2.1:
运动控制器:
以中央逻辑控制单元为核心,以传感器为信号敏感元件,以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。
直接发出运动控制令,在运动控制系统中处于核心地位。
它的主要任务是根据运动控制的要求和传器件的信号进行必要的逻辑、数学运算,将分析和计算所得出的运动命令以数脉冲信号或模拟量的形式输送到电机驱动器中。
为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。
运动控制器通常是基于计算机运动控制卡(PC-BASED)、独立的运动控制器(STAND-ALONE)、嵌入式运动控制器、具有运动控制功能的PLC、数控系统(CNC)等。
驱动器:
将控制器发出的控制信号进行驱动放大,实现功率变换,从而驱动执行电机根据控制器发出的指令动作。
有些驱动器还有控制功能,可以实现一些特定的运算(闭环控制、增益调整等)、驱动电机执行特定的运动(例如JOG、原点返回以及多段位移运动等)。
执行机构:
运动控制系统中完成上位控制器命令的部分,或称为执行命令动作的机构。
通常是步进电机、数字式交流伺服电机、直流伺服电机等。
是实现定位和调速的电气器件。
机械传动机构:
运动控制系统中的受控运动对象,多种多样的结构形式,常
见的有滚珠丝杆与直线导轨传动,齿轮齿条传动,齿轮同步带传动以及和电机相连的精密减速器带动转台传动等。
传感器反馈检测装置:
有轴角编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光干涉仪等。
其作用是将检测到的置或速度反馈信号回传到控制器或驱动器中,构成半闭环或全闭环控制。
4.课题研究进展计划
由于课题本身难度比较大,而小组成员大多没有此方面的专业知识,所以第一阶段为学习阶段。
小组分工合作,对所需要掌握的专业知识分别学习。
此阶段过程可能比较长,预期为7个月。
第二阶段即为分块实现项目所需的软硬件功能,预期3个月。
最后一阶段为整合阶段,即将各个分块的软硬件结合最一起,最终组成所需要的成果,预期2个月。
5.队内人员及分工
指导老师:
任清荣
组长:
杨励阳
组员:
臧可,牛欣欣,杨春琦,腾旭东,徐意,何旺贵
分工:
课题主要包括两块,第一块为基于FPGA的web服务器,由杨励阳、徐意、牛欣欣、杨春琦负责。
第二块为嵌入式运动控制器,由臧可、腾旭东、何旺贵负责。
(注:
分工可能会在项目进程中改动)
6.参考文献
【1】陈文亮基于Web的数控编程系统及其关键技术研究2001年1月
【2】刘佳基于嵌入式Web的FPGA远程控制系统的研究与实现2010年4月
【3】符艳君嵌入式运动控制器的开发2008年6月
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