機械設計及其自動化專業(yè) 基于stm32的多軸控制器的設計

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1、摘要 第1章 緒 論 1.1本課題的研究背景及意義 1.2國內外研究現(xiàn)狀 1.3本文的主要研究內容 第2章 基于STM32的多軸控制器的整體設計 2.1嵌入式多軸控制器的需求分析及整體框架 2.2多軸控制器的數控軟件層的設計方案 2.3基于STM32的嵌入式系統(tǒng)的設計方案 2.4上位機軟件的設計 2.5本章小結 第3章 多軸控制器的數控軟件設計 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代碼語言的轉譯工作

2、。 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，譯碼函數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，當讀取到到 NC 代碼關鍵字的時候，將其后面的字符串轉化為數字，于此同時譯碼模塊將轉換到的關鍵刀具運動參數傳輸到對應結構體變量中，如此進行下去直到遇到下個關鍵字或非有效字符。循環(huán)以上步驟，直到遇到數控 G 代碼結束標志，譯碼程序結束。 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構體設計 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

3、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 一種極坐標下的弧線插補算法的研究 3.2.4 極坐標插補算法的實現(xiàn)與驗證 3.2.5 極坐標插補算法特點分析 3.3 本章小結 第4章 基于STM32的多軸控制器系統(tǒng)設計 4.1 STM32 嵌入式平臺硬件設計 4.1.1STM32系列單片機簡介 STM32系列單片機是由意法半導體研發(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體公司合并而成。1998年5月，該公司正式更名為意法半導體。STM32系列單片機基于AEM公式提供的架構為處理芯片為處理器，它致力

4、于為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的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內核的32位MCU處理芯片。內核版本為ARM公司為了嵌入式系統(tǒng)專門設計的要求高性能、低成本、低功耗的內核。 該內核具有如下特點。 ?具有先進的體系結構，具有性能高、工作電壓低（3.7V即可）、低功耗等技術優(yōu)勢。 ?外設豐富，具有多路AD模數轉換接口，多路PWM輸出接口。 Cortex-M3系列屬于ARMv7架構，ARMv7架構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存的操作系統(tǒng)和用戶應用 “R”系列：針對

5、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內核。 2)豐富合理的外設,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-

6、R4、ARM7、ARM9處理器內核而開發(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）μVision4 IDE集成開發(fā)環(huán)境，調試器和仿真環(huán)境 4.1.4 基于 STM32 的數控主控制板設計 (1) 單片機最小系統(tǒng)設計 (2) 硬件資源分配與接口介紹 4.1.5 主要硬件模塊的設計 （1）電機驅動器的設計 4.2.1 步進電機驅

7、動器接口設計 步進電機驅動器是把數控系統(tǒng)產生的PWM信號進行放大，產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。本次設計采用共陰極接線方法，驅動器的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。驅動器的+V 和GND 接口分

8、別連接到 24V 電源的正負極。 （2） 限位傳感器的設計 （3）電源模塊設計 4.2 STM32 嵌入式平臺軟件構架設計 4.2.1 STM32 數控平臺整體軟件構架設計 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用與管理單片機的硬件資源μC/OS-III 中最多可以支持64 個任務，分別對應優(yōu)先級0～63，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)先級的任務和4個最低優(yōu)先級的任務，所以用戶

9、可以使用的任務數有56個。 　μC/OS-III提供了任務管理的各種函數調用，包括創(chuàng)建任務，刪除任務，改變任務的優(yōu)先級，任務掛起和恢復等。系統(tǒng)初始化時會自動產生兩個任務：一個是空閑任務，它的優(yōu)先級最低，該任務僅給一個整型變量做累加運算；另一個是統(tǒng)計任務，它的優(yōu)先級為次低，該任務負責統(tǒng)計當前cpu的利用率。 4.3 UCOSIII 操作系統(tǒng)下的任務設計 4.3.1 G 代碼譯碼任務 4.3.2 插補執(zhí)行任務 4.3.3 串口掃描任務與串口數據處理任務 4.3.4 按鍵掃描任務與按鍵處理任務 4.4 系統(tǒng)驗證 4.4.1 實驗環(huán)境 4.4.2 實驗結果 4.5 本章小結 第五章 控制器主動安全保護機制設計 5.1功能安全的設計要求 5.2功能安全的實現(xiàn)措施  第六章 整體調試與結果分析 5.1主控板的上電調試 5.2電機驅動的調試 5.3軸的控制功能測試 5.4運動精度分析 第七章總結與展望 6.1總結 6.2展望 參考文獻 致 謝