嵌入式数控软件平台关键技术地研究.doc

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘  要 随着各种嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统的出现，开发嵌入式数控系统具 有现实可行性。本文描述了嵌入式数控系统体系结构，介绍了其设计方法。基于该 体系结构，提出并实现了两种全新的方案，其中，第二个方案采用当前嵌入式系统 的前沿技术，替代了基于微处理器或微控制器的数控控制单元。相比传统的系统， 这种数控系统具有可升级、可扩展的优点。 本文提出了一种嵌入式数控系统参考体系结构，该结构部分继承了国家数控工 程中心研制的华中数控系统体系结构，具有开放、灵活和易维护的特点。设计了基 于该体系结构的两种应用方案，即世纪星硬件平台+ETS 嵌入式实时操作系统和 Nios 软核处理器平台+μC/OS-II 嵌入式实时内核。第二种方案用软核处理器设计数控 系统，是设计片上可编程数控系统（SOPC）新的尝试。 探讨了嵌入式数控系统中任务的处理方法，包括任务划分、任务优先级的安排 等，重点集中在任务调度。按执行时间来分，数控系统任务被划分为周期性任务和 非周期性任务；按重要性程度，数控系统任务被划分为硬实时任务和软实时任务。 任务划分和优先级安排完成后，探讨了任务调度和任务通信。 介绍了人机界面的设计方法，尤其是三维图形的显示方法。采用了 UML 建模语 言来分析人机界面各组件之间的关系，并讨论了一种新的消除不可见部分冗余运算 的三维显示体系。这种方法在嵌入式数控软件平台上以三维实体显示得到了验证。 基于前面的理论研究，开发了两种应用方案，编写了测试程序对平台功能进行 测试。结果显示：两种方案具有现实可行性，相比普通数控系统，嵌入式数控系统 具有实时、稳健、低成本、低功耗的特征。 关键词：数控系统 嵌入式数控  Nios  软核处理器  实时操作系统 数控体系结构 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract As various kind of embedded processors and embedded real-time operating systems emerging, it is possible to construct ECNCs Embedded CNC Systems . This thesis describes the architecture of ECNCs and introduces its designing method. Based on this architecture, two complete new schemes are presented and implemented. The second one, which employs the embedded-system technology on the cutting edge, replaces the microprocessors or microcontrollers based CNC control unit. This kind of ECNC has the advantage that it can be upgraded, expanded in comparison with traditional systems. This thesis presents a reference architecture for ECNCs. The architecture is partly derived from existing HNC HuaZhong Numerical Control System at National Institute of Numerical Control Center, which has the characteristics of openness, flexibility and maintainability. Two application schemes based on this ECNC architecture are designed, i.e., HNC hardware platform plus ETS embedded real-time operating system and Nios soft-core processor hardware platform plus μC/OS-II embedded real-time kernel. The second scheme uses the soft-core processor to design ECNC, which is a new attempt to construct CNC system into