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1、北京航空航天大学学位论文目 录第一章 绪 论51.1引言51.2研究背景及国内外发展现状61.2.1研究背景61.2.2国外发展状况71.2.3国内研究现状71.3本论文课题来源和研究内容81.3.1课题来源81.3.2研究内容81.4论文结构安排8第二章 体系结构设计102.1 数控系统体系结构102.2 技术要求102.2.1 主要性能指标102.2.2 系统输入输出接口要求122.2.3 精度指标132.2.4 其他要求142.3 总体结构分析142.4 软硬件功能划分162.4.1 软硬件功能划分的原则162.4.2 软硬件功能划分的具体实现182.5 硬件系统划分192.6 板级功能
2、划分212.6.1 CPU子系统212.6.2 FPGA子系统212.6.3 DA转换子系统222.6.4 信号隔离与转换子系统222.6.4 电源子系统232.7 芯片级功能划分232.7.1 总线接口模块232.7.2 复位控制模块232.7.3 中断控制模块242.7.4 定时器模块242.7.5 键盘扫描模块242.7.6编码器计数器模块242.7.7驱动器控制模块242.7. 8 IO控制模块25第三章 板级硬件设计263.1 板级设计的原则263.1.1 模块化设计263.1.2 尽量基于成熟的设计263.1.3 可重构原则263.1.4 兼容性原则273.2 性能分析与初步设计2
3、73.2.1 CPU计算能力273.2.2 实时性283.2.3 存储能力293.2.4 FPGA的选择和IO扩展能力293.2.5 实现方案303.3 CPU子系统303.3.1 ARM子系统303.3.2 存储器子系统323.3.3 通信接口323.4 LCD接口323.5 FPGA子系统333.5.1 配置电路和下载接口333.5.2 并行接口343.6 DA转换子系统343.6.1 隔离343.6.2 转换343.6.3 放大353.7 信号隔离与转换子系统353.8 电源子系统37第四章 芯片级硬件设计384.1 FPGA介绍384.2 FPGA的开发384.2.1 HDL语言384
4、.2.2 开发流程与EDA软件394.3 ACEX系列FPGA404.4 功能实现414.4.1总线接口模块414.4.2 复位控制模块424.4.3 中断控制模块424.4.4 定时器模块444.4.5 键盘扫描模块464.4.6 计数器模块474.4.7驱动器控制模块484.4.8 IO控制模块494.5 HDL编写注意事项494.5.1 HDL的可综合性494.5.2 硬件思想504.5.3 良好的编码风格504.6 设计要点514.6.1 同步设计和异步设计514.6.2 与异步器件的接口问题514.6.3 面积与速度52第五章 软件接口设计535.1 uC/OS-II实时操作系统53
5、5.2 引导结构545.3 硬件检测系统545.4 数控系统程序接口555.4.1 FPGA接口555.4.2 电机运动控制57第六章 硬件系统调试586.1 CPU子系统586.2.1 ARM的基本调试接口JTAG586.2.2 程序的下载与NOR FLASH的烧写596.2.3 ARM系统的调试步骤606.2 LCD接口606.3 FPGA子系统616.3.1 基本电路616.3.2 驱动器控制模块616.4 DA转换子系统61第七章 软硬件联调和机床加工试验627.1 IO控制试验627.2 DA输出试验627.3 编码器读取试验627.4 电机控制试验627.4.1 位置精度试验627
6、.4.2 转速平稳性试验637.4.3最大速度试验637.5 加工轨迹图画图试验637.6 实际工件加工试验637.7 系统长时间连续运行试验64结束语65参考文献66攻读硕士期间论文发表情况67攻读硕士期间科研与获奖情况67致 谢68第一章 绪 论1.1引言近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国
7、的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。据专家分析预测：1、数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。据预测分析，到2005年我国机床数控化率为9.5%10.36%，到2010年将达到16.5%19.27%。在20012
8、010年，经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。2、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。3、数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30%以上。而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5%。4、出口前景良好。1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到7.85亿
9、美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2005年出口创汇可达到12亿美元。1.2研究背景及国内外发展现状1.2.1研究背景 加入WTO后，外资对我国机械工业会产生结构性的冲击，主要表现在以下几点： 1、部分行业发展主导权有可能受到冲击。在以下行业将表现得更为突出：一是在国内处于市场成长期、外方掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等；二是单靠有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器
10、、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等；三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。2、工程成套行业将面临更严峻的竞争。随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激烈的竞争。3、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制。由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有
11、限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。4、处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻。由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。在这种严峻的形式下，我们必须发愤图强，开发出适合我国国情的具有自主知识产权的数控相同系统。1.2.2国外发展状况1、国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机
12、床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。2、国外数控机床的网络化。随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制
13、造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以FANVCFANUC和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。1.2.3国内研究现状 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导
14、地位。例如：全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。去年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于8月底将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好的基础。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金
15、切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置；济南第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。1.3本论文课题来源和研究内容1.3.1课题来源 本课题来源于国家863项目“嵌入式机电控制系统及应用”（编号：2003421130）。1.3.2研究内容本文针对嵌入式机电控制系统底层关键技术，以数控系统作为对象，设计了一套基于ARM和FPGA的开环数控系统的硬件设计
