基于ARM Linux的三轴伺服控制系统人机界面设计 毕设.docx
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基于ARMLinux的三轴伺服控制系统人机界面设计毕设
基于ARM+Linux的三轴伺服控制系统人机界面设计
摘要
现代计算机技术的产业革命,将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。
在电子世界领域,从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。
而机械手控制系统则逐步发展为与计算机互联,使机械手控制系统更加智能化,操作更加简单方便。
本次课题主要是基于ARM机械手控制系统的设计,并且还涉及到基于ARM——Linux嵌入式系统的开发和应用以及QT人机界面的设计,进而更进一步了解ARM嵌入式Linux和QT及如何使用它们,同时也初步了解机械手控制系统原理及进行设计所需各种语言。
1.准备阶段:
搭建开发环境,完成软件、硬件环境测试。
2.完成嵌入式Linux操作系统的裁剪和移植。
3.使用QT进行人际界面开发。
4.进行串行通信协议开发,并进行联机调试。
针对用于注塑机的三轴伺服机械手,设计其控制系统人机界面。
实现对机械手运行参数的设定、运行指令的下发和运行状态的监视。
系统采用ARM作为核心处理器,使用嵌入式Linux操作系统,用Qt进行软件发开。
该人机界面使用触摸屏作为输入设备,使用串行通信与下位机进行数据交换。
BasedonARM+Linuxthreeaxisservocontrolsystemtheman-machineinterfacedesign
Themoderncomputertechnologyindustrialrevolution,willbetheworldeconomyfromcapitaleconomyintototheageoftheknowledgeeconomy.Intheelectronicworldfield,from20centuriesastheradiotimesalsointothe21stcentury,usingcomputertechnologyasthecenterofmodernelectronicintelligencesystemera.Robotcontrolsystemandthegradualdevelopmentandcomputernetworkingfor,makemoreintelligentrobotcontrolsystem,operationmoreeasyandconvenient.
ThistopicismainlybasedonARMrobotcontrolsystemdesign,andalsoinvolvesbasedonARM-Linuxdevelopmentandapplicationoftheembeddedsystemandthedesignoftheman-machineinterfaceQT,andfurtherunderstandARMembeddedLinuxandQTandhowtousethem,andatthesametime,preliminaryunderstandingrobotcontrolsystemprincipleanddesignintherequiredallkindsoflanguages.
1.Thepreparationstage:
webuildthedevelopmentenvironment,completethesoftwareandhardwareenvironmenttest.
2.EmbeddedLinuxoperatingsystemtocompletethecuttingandtransplantation.
3.UseQTforhumaninterfacedevelopment.
4.Forserialcommunicationprotocoldevelopment,andonlineadjustment.
Accordingtothethreeaxisforinjectionmoldingmachinesservomanipulator,designthecontrolsystemoftheman-machineinterface.Realizetheoperationparametersofthemanipulator,operationinstructionofthesetissuedandoperationstatesurveillance.TheARMasthecoreprocessorsystem,theuseofembeddedLinuxoperatingsystem,withQtsoftwarehairaway.Theman-machineinterfacescreenastheinputdevice,theuseofserialcommunicationandexchangedataunderamachine.
目 录
2.2.2ARM微处理器的寄存器结构…………………………………11
2.2.3系统的工作频率…………………………………12
2.2.4芯片内存储器的容量…………………………
前 言
机械手控制系统是伴随着机械手(机器人)的发展而进步的。
机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的,机械手研究始于20世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。
同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机器人和机械手控制系统的开发奠定了基础。
另一方面,核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这一需求背景下,美国于1947年开发了遥控机械手控制系统和遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手控制系统和机械手。
机械手控制系统首先是从美国开始研制的。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人控制系统。
现有的机器人控制系统差不多都采用这种控制方式。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人控制系统。
作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人和相关控制系统主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手控制系统经历了以下几个阶段:
机械手完成放射源转运年代、化工产品垛机械手年代、工业用机械手兴起和发展年代。
设计目的及要求
1、掌握了解ARM的体系结构,清楚ARM的指令,硬件结构和软件
2、了解基于ARM——Linux嵌入式系统的开发和应用
3、学会使用QT设计人机界面
4、了解机械手控制系统设计所牵扯到得所有相关方法及将其与使用方法作对比
5、明白此次设计目的及要求并作出认识
机械控制系统实现方法
1、基于arm机械手控制系统
ARM的主要应用领域是在嵌入式系统中(算是电子控制方向吧),当然可以是嵌入式控制系统中,作为一个微型的控制器或者一个数据处理功能(一般情况会用DSP)。
主要特点是功耗低,这也是嵌入式系统的一个特点。
2、基于PLC机械手控制系统
可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC),它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
(1)、系统构成灵活,扩展容易,以开关量控制为其特长;也能进行连续过程的PID回路控制;并能与上位机构成复杂的控制系统,如DDC和DCS等,实现生产过程的综合自动化。
(2)、使用方便,编程简单,采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试容易。
另外,可在线修改程序,改变控制方案而不拆动硬件。
(3)、能适应各种恶劣的运行环境,抗干扰能力强,可靠性强,远高于其他各种机型。
3、比较
ARM用在嵌入式的原因是因为功耗和体积都很小,适合做嵌入式,比如手持检测仪表,机床的控制器等等
第1章ARM的认识
1.1什么是ARM
ARM(AdvancedRISCMachines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。
技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。
适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。
ARM-AdvancedRISCMachines ARM(AdvancedRISCMachines),既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。
1991年ARM公司成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权。
目前,采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权,因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,又使整个系统成本降低,使产品更容易进入市场被消费者所接受,更具有竞争力。
ARM微处理器的应用领域及特点
1.1.1、ARM公司
ARM公司是苹果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合资企业。
ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商,每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。
利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。
目前,总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议,其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、飞利浦和国家半导体这样的大公司。
至于软件系统的合伙人,则包括微软、SUN和MRI等一系列知名公司。
1991年ARM公司成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权。
目前,采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
20世纪90年代,ARM公司的业绩平平,处理器的出货量徘徊不前。
由于资金短缺,ARM做出了一个意义深远的决定:
自己不制造芯片,只将芯片的设计方案授权(licensing)给其他公司,由它们来生产。
正是这个模式,最终使得ARM芯片遍地开花,将封闭设计的Intel公司置于“人民战争”的汪洋大海。
进入21世纪之后,由于手机制造行业的快速发展,出货量呈现爆炸式增长,ARM处理器占领了全球手机市场。
2006年,全球ARM芯片出货量为20亿片,2010年,ARM合作伙伴的出货量达到了60亿。
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权,因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,又使整个系统成本降低,使产品更容易进入市场被消费者所接受,更具有竞争力。
ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴(Partners)。
ARM是设计公司,本身不生产芯片。
采用转让许可证制度,由合作伙伴生产芯片。
2007年底,ARM的雇员总数为1728人,持有专利700项(另有900项正在申请批准中),全球分支机构31家,合作伙伴200家,年收入2.6亿英镑。
1.1.2、ARM的应用领域
到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域:
1、工业控制领域:
作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
2、无线通讯领域:
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。
3、网络应用:
随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。
此外,ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。
4、消费类电子产品:
ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
5、成像和安全产品:
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。
手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。
第2章ARM的体系结构
2.1ARM的结构和特性
2.1.1ARM处理器共同特点
(1)、体积小、低功耗、低成本、高性能;
(2)、支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;
(3)、大量使用寄存器,指令执行速度更快;
(4)、大多数数据操作都在寄存器中完成;
(5)、寻址方式灵活简单,执行效率高;
(6)、指令长度固定。
2.1.2ARM处理器系列
处理器提供了增强的DSP处理能力,很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。
ARM9E系列微处理器的主要特点如下:
-支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。
-5级整数流水线,指令执行效率更高。
-支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
-支持32位的高速AMBA总线接口。
-支持VFP9浮点处理协处理器。
-全性能的MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
-MPU支持实时操作系统。
-支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。
-主频最高可达300MIPS。
ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。
ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型,以适用于不同的应用场合。
AEM10E系列
ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点,由于采用了新的体系结构,与同等的ARM9器件相比较,在同样的时钟频率下,性能提高了近50%,同时,ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式,使其功耗极低。
ARM10E系列微处理器的主要特点如下:
-支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合。
-6级整数流水线,指令执行效率更高。
-支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。
-支持32位的高速AMBA总线接口。
-支持VFP10浮点处理协处理器。
-全性能的MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统。
-支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力
-主频最高可达400MIPS。
-内嵌并行读/写操作部件。
ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。
ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型,以适用于不同的应用场合。
SecurCore系列
SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计,提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案,因此,SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外,还具有其独特的优势,即提供了对安全解决方案的支持。
SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外,还在系统安全方面具有如下的特点:
-带有灵活的保护单元,以确保操作系统和应用数据的安全。
-采用软内核技术,防止外部对其进行扫描探测。
-可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。
SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统,如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域
StrongARM系列
InterStrongARMSA-1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。
它融合了Inter公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率,采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。
IntelStrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择,已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。
(6) Xscale处理器
Xscale处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案,是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。
它支持16位的Thumb指令和DSP指令集,已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。
Xscale处理器是Inter目前主要推广的一款ARM微处理器。
2.2ARM处理器的结构
2.2.1RISC体系结构
传统的CISC(ComplexInstructionSetComputer,复杂指令集计算机)结构有其固有的缺点,即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集,为支持这些新增的指令,计算机的体系结构会越来越复杂,然而,在CISC指令集的各种指令中,其使用频率却相差悬殊,大约有20%的指令会被反复使用,占整个程序代码的80%。
而余下的80%的指令却不经常使用,在程序设计中只占20%,显然,这种结构是不太合理的。
基于以上的不合理性,1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC(ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机)的概念,RISC并非只是简单地去减少指令,而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。
RISC结构优先选取使用频最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻地方式种类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。
到目前为止,RISC体系结构也还没有严格的定义,一般认为,RISC体系结构应具有如下特点:
-采用固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式有2~3种。
-使用单周期指令,便于流水线操作执行。
-大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。
除此以外,ARM体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗:
-所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率。
-可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率。
-可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。
-在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。
当然,和CISC架构相比较,尽管RISC架构有上述的优点,但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构,事实上,RISC和CISC各有优势,而且界限并不那么明显。
现代的CPU往往采用CISC的外围,内部加入了RISC的特性,如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势,成为未来的CPU发展方向之一。
CISC特点
CISC是复杂指令系统计算机(ComplexInstructionSetComputer)的简称,微处理器是台式计算机系统的基本处理部件,每个微处理器的核心是运行指令的电路。
指令由完成任务的多个步骤所组成,把数值传送进寄存器或进行相加运算。
指令系统庞大,指令功能复杂,指令格式、寻址方式多;绝大多数指令需多个机器周期完成;各种指令都可访问存储器;采用微程序控制;有专用寄存器,少量;难以用优化编译技术生成高效的目标代码程序;CISC存在的问题:
指令系统庞大,指令功能复杂,指令格式、寻址方式多;执行速度慢;难以优化编译,编译程序复杂;80%的指令在20%的运行时间使用;无法并行;无法兼容;导致CISC指令系统复杂的主要原因:
减少语义差距减少存储空间,提高速度为了向上兼容带来的后果电路复杂,编译效率低无法并行;无法兼容典型的CISC产品项目VAX11/7801978年Intel803861985年MC680201984年指令条数304111101寻址方式241116指令格式变长(2-57byte)变长(1-17byte)16从CISC到RISCCISC指令系统存在的问题:
20%与80%规律CISC中,大约20%的指令占据了80%的处理机时间。
其余80%指令:
使用频度只占20%的处理机运行时间VLSI技术的发展引起的问题VLSI工艺要求规整性,RISC正好适应了VLSI工艺的要求主存与控存的速度相当,简单指令没有必要用微程序实现,复杂指令用微程序实现与用简单指令组成的子程序实现没有多大区别;由于VLSI的集成度迅速提高,使得生产单芯片处理机成为可能。
软硬件的功能分配问题复杂的指令使指令的执行周期大大加长一般CISC处理机的指令平均执行周期都在4以上,有些在10以上CISC增强了指令系统功能,简化了软件,但硬件复杂了,设计周期加长。
2.2.2ARM微处理器的寄存器结构
ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组(BANK),这些寄存器包括:
31个通用寄存器,包括程序计数器(PC指针),均为32位的寄存器。
6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。
同时,ARM处理器又有7种不同的处理器模式,在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。
即在任意一种处
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