機械設(shè)計及其自動化專業(yè) 基于stm32的多軸控制器的設(shè)計

摘要第1章 緒 論1.1本課題的研究背景及意義1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3本文的主要研究內(nèi)容第2章 基于STM32的多軸控制器的整體設(shè)計2.1嵌入式多軸控制器的需求分析及整體框架2.2多軸控制器的數(shù)控軟件層的設(shè)計方案2.3基于STM32的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方案2.4上位機軟件的設(shè)計2.5本章小結(jié)第3章 多軸控制器的數(shù)控軟件設(shè)計3.1 插補控制器的 G 代碼譯碼為了實現(xiàn)控制器可以適應(yīng)目前工程人員常用的機床編譯語言，本多軸控制器同樣兼容G代碼編程。由于STM32單片機采用的編程是高級計算機編程語言，二者不可兼容，所及，這里需要進行G代碼語言的轉(zhuǎn)譯工作。譯碼模塊的程序運行由嵌入式單片機作為下位機進行，單片機通過串口接收到上位機發(fā)送過來的 G 代碼之后，將其帶入譯碼函數(shù)，譯碼函數(shù)的工作過程可以概括如下：單片機逐行從G代碼的緩沖存儲區(qū)中讀取G 代碼，當(dāng)讀取到到 NC 代碼關(guān)鍵字的時候，將其后面的字符串轉(zhuǎn)化為數(shù)字，于此同時譯碼模塊將轉(zhuǎn)換到的關(guān)鍵刀具運動參數(shù)傳輸?shù)綄?yīng)結(jié)構(gòu)體變量中，如此進行下去直到遇到下個關(guān)鍵字或非有效字符。循環(huán)以上步驟，直到遇到數(shù)控 G 代碼結(jié)束標(biāo)志，譯碼程序結(jié)束。3.1.1 控制器 G 代碼的譯碼原理3.1.2 譯碼算法中的中間代碼結(jié)構(gòu)體設(shè)計3.1.3 插補器譯碼的算法實現(xiàn)與驗證3.2 插補控制器的插補算法研究3.2.1 跨象限逐點比較法的實現(xiàn)3.2.2 跨象限逐點比較法的模擬與仿真3.2.3 一種極坐標(biāo)下的弧線插補算法的研究3.2.4 極坐標(biāo)插補算法的實現(xiàn)與驗證3.2.5 極坐標(biāo)插補算法特點分析3.3 本章小結(jié)第4章 基于STM32的多軸控制器系統(tǒng)設(shè)計4.1 STM32 嵌入式平臺硬件設(shè)計4.1.1STM32系列單片機簡介 STM32系列單片機是由意法半導(dǎo)體研發(fā)的高性能，是由意大利的單片機。該公司由SGS微電子公司和法國半導(dǎo)體公司合并而成。1998年5月，該公司正式更名為意法半導(dǎo)體。STM32系列單片機基于AEM公式提供的架構(gòu)為處理芯片為處理器，它致力于為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM處理芯片。 4.1.2 STM32系列單片機常用型號及性能特點STM單片機是基于ARM內(nèi)核的32位MCU處理芯片。內(nèi)核版本為ARM公司為了嵌入式系統(tǒng)專門設(shè)計的要求高性能、低成本、低功耗的內(nèi)核。該內(nèi)核具有如下特點。 具有先進的體系結(jié)構(gòu)，具有性能高、工作電壓低（3.7V即可）、低功耗等技術(shù)優(yōu)勢。外設(shè)豐富，具有多路AD模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，多路PWM輸出接口。Cortex-M3系列屬于ARMv7架構(gòu)，ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列： “A”系列：面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用“R”系列：針對實時系統(tǒng)；“M”系列：對微控制器。1.2 STM32系列單片機的優(yōu)點1)極高的性能:主流的Cortex內(nèi)核。2)豐富合理的外設(shè),合理的功耗,合理的價格。3)強大的軟件支持:豐富的軟件包。4)全面豐富的技術(shù)文檔。5)芯片型號種類多,覆蓋面廣。6)STM32系列單片機具有廣泛的用戶群:公司原先的推向市場的CM3芯片,為該公司積累了廣泛的用戶群體,為stm32單片機的流行做了鋪墊。4.1.3 STM32系列單片機的開發(fā)平臺目前，市場上STM32開發(fā)常用的開發(fā)平臺主要有IDE、IAR、MDK等。MMDK-ARM開發(fā)環(huán)境是為Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器內(nèi)核而開發(fā)的，MDK的所有版本都具有完善的C / C+開發(fā)環(huán)境，還含大量的中間庫。它具有如下特點：（1） 完美支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。（2）行業(yè)領(lǐng)先的ARM C/C+編譯工具鏈（3）確定的Keil RTX ，小封裝實時操作系統(tǒng)（帶源碼）（4）Vision4 IDE集成開發(fā)環(huán)境，調(diào)試器和仿真環(huán)境4.1.4 基于 STM32 的數(shù)控主控制板設(shè)計(1) 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計(2) 硬件資源分配與接口介紹4.1.5 主要硬件模塊的設(shè)計（1）電機驅(qū)動器的設(shè)計4.2.1 步進電機驅(qū)動器接口設(shè)計步進電機驅(qū)動器是把數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM信號進行放大，產(chǎn)生可供電機運動的強電信號。它的面板上有電機相線接口、外部電源接口、方向和脈沖接口及脫機信號接口。電機接線方式有兩種：一種是共陽極，另一種是共陰極。共陽極接法是將脈沖和方向位正極接到直流 5V 輸出上，負極接到單片機的控制信號上；共陰極接法就是將驅(qū)動器的脈沖和方向位的負極接地，正極接到單片機的控制信號上。本次設(shè)計采用共陰極接線方法，驅(qū)動器的PUL+、DIR+分別連接到ARM 單片機的脈沖控制位與方向控制位；PUL-、DIR-則接到單片機的 GND 端口。電機則連接到 A+、A、B+、B接口上。驅(qū)動器的+V 和GND 接口分別連接到 24V 電源的正負極。（2） 限位傳感器的設(shè)計（3）電源模塊設(shè)計4.2 STM32 嵌入式平臺軟件構(gòu)架設(shè)計4.2.1 STM32 數(shù)控平臺整體軟件構(gòu)架設(shè)計4.2.2 FATFS 文件系統(tǒng)讀取 SD 文件的機制4.2.3 UCOSIII 操作系統(tǒng)的任務(wù)管理機制UCOSIII操作系統(tǒng)是一種十分小巧的嵌入式實時操作系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)單片機開發(fā)人員可以十分方便的調(diào)用與管理單片機的硬件資源C/OS-III 中最多可以支持64 個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級063，其中0 為最高優(yōu)先級。63為最低級，系統(tǒng)保留了4個最高優(yōu)先級的任務(wù)和4個最低優(yōu)先級的任務(wù)，所以用戶可以使用的任務(wù)數(shù)有56個。 C/OS-III提供了任務(wù)管理的各種函數(shù)調(diào)用，包括創(chuàng)建任務(wù)，刪除任務(wù)，改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，任務(wù)掛起和恢復(fù)等。系統(tǒng)初始化時會自動產(chǎn)生兩個任務(wù)：一個是空閑任務(wù)，它的優(yōu)先級最低，該任務(wù)僅給一個整型變量做累加運算；另一個是統(tǒng)計任務(wù)，它的優(yōu)先級為次低，該任務(wù)負責(zé)統(tǒng)計當(dāng)前cpu的利用率。4.3 UCOSIII 操作系統(tǒng)下的任務(wù)設(shè)計 4.3.1 G 代碼譯碼任務(wù)4.3.2 插補執(zhí)行任務(wù) 4.3.3 串口掃描任務(wù)與串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)4.3.4 按鍵掃描任務(wù)與按鍵處理任務(wù)4.4 系統(tǒng)驗證4.4.1 實驗環(huán)境4.4.2 實驗結(jié)果4.5 本章小結(jié)第五章 控制器主動安全保護機制設(shè)計5.1功能安全的設(shè)計要求5.2功能安全的實現(xiàn)措施第六章 整體調(diào)試與結(jié)果分析5.1主控板的上電調(diào)試5.2電機驅(qū)動的調(diào)試5.3軸的控制功能測試5.4運動精度分析第七章總結(jié)與展望6.1總結(jié)6.2展望參考文獻致 謝