摘要：本次課題主要是基于ARM機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計，并且還涉及到基于ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用以及QT人機界面的設(shè)計，針對用于注塑機的三軸伺服機械手，設(shè)計其控制系統(tǒng)人機界面。實現(xiàn)對機械手運行參數(shù)的設(shè)定、運行指令的下發(fā)和運行狀態(tài)的監(jiān)視。系統(tǒng)采用ARM作為核心處理器，使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，用Qt進行軟件發(fā)開。該人機界面使用觸摸屏作為輸入設(shè)備，使用串行通信與下位機進行數(shù)據(jù)交換。

關(guān)鍵詞：ARM；三軸伺服機械手；人機界面

      ThethreeARMaxisservocontrolsystembasedonman-machineinterfacedesign

                                              WangNai-xu

（AutomationandElectronicEngineeringCollege,QingdaoUniversityofScience&Technology,QingdaoShandong266061,China)

Abstract:thisprojectistodesignarobotcontrolsystembasedonARM,andalsorelatestotheARMembeddedsystemdevelopmentandapplicationaswellastheman-machineinterfacedesignbasedonQT,forthreeaxisservomanipulatorforinjectionmoldingmachine,thedesignofcontrolsysteminterface.Therealizationofsetting,operationinstructionmanipulatoroperatingparametersandrunningstateundersurveillance.ThesystemadoptsARMasthecoreprocessor,usingtheembeddedLinuxoperatingsystem,usingQtsoftwaretoopen.Theman-machineinterfacetouchscreenisusedasinputdevice,theuseofserialcommunicationbetweenPCanddataexchange.

Keywords:ARM;threeaxisservomanipulator;man-machineinterface

1前言

機械手控制系統(tǒng)是伴隨著機械手（機器人）的發(fā)展而進步的。機械手是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人和機械手控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手控制系統(tǒng)和遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手控制系統(tǒng)和機械手。

機械手控制系統(tǒng)首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的機器人控制系統(tǒng)差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人控制系統(tǒng)。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人和相關(guān)控制系統(tǒng)主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機械手控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個階段：機械手完成放射源轉(zhuǎn)運年代、化工產(chǎn)品垛機械手年代、工業(yè)用機械手興起和發(fā)展年代。

2ARM及其體系結(jié)構(gòu)

ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等?；贏RM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。

2.1ARM的結(jié)構(gòu)和特性

ARM處理器共同特點

(1)、體積小、低功耗、低成本、高性能；

(2)、支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

(3)、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

(4)、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

(5)、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；

(6)、指令長度固定。

2.2ARM處理器的結(jié)構(gòu)

2.2.1RISC體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的CISC（ComplexInstructionSetComputer，復雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜，然而，在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有20％的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80％。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。，1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡指令集計算機）的概念，當然，和CISC架構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點，但決不能認為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu)，事實上，RISC和CISC各有優(yōu)勢，而且界限并不那么明顯。

2.2.2ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)

ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組（BANK），這些寄存器包括：31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。6個狀態(tài)寄存器，用以標識CPU的工作狀態(tài)及程序的運行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。同時，ARM處理器又有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14）、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。

2.2.3系統(tǒng)的工作頻率

系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。

3嵌入式系統(tǒng)

ARM處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時，選擇合適的開發(fā)工具可以加快開發(fā)進度，節(jié)省開發(fā)成本。因此一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、工程管理及函數(shù)庫的集成開發(fā)環(huán)境一般來說是必不可少的，至于嵌入式實時操作系統(tǒng)、評估板等其他開發(fā)工具則可以根據(jù)應(yīng)用軟件規(guī)模和開發(fā)計劃選用。

3.1μC/OS-II

μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息、隊列）和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個任務(wù)獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行，使實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為減化。

3.2pSOS

pSOSystem是美國系統(tǒng)集成公司(IntegratedSystems,Inc.簡稱ISI公司,現(xiàn)已與美國WindRiver系統(tǒng)公司合并)根據(jù)幾十年從事嵌入式實時系統(tǒng)理論研究與實踐活動而設(shè)計開發(fā)的實時嵌入式操作系統(tǒng)。pSOSystem集成了一整套嵌入式軟件模塊、工具和服務(wù)。作為嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核設(shè)計的先驅(qū)者之一，ISI公司將pSOSystem構(gòu)造成適于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、在嵌入式實時領(lǐng)域具有領(lǐng)導地位的實時操作系統(tǒng)。pSOSystem從ISI公司和許多第三廠家得到大量的支持。

3.3各種操作系統(tǒng)的對比及選用linux的原因

嵌入式操作系統(tǒng)是ARMCPU重要的軟件基礎(chǔ)從8位/16位單片機發(fā)展到以ARMCPU核為代表的32位嵌入式處理器，嵌入式操作系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的由手工編制的監(jiān)控程序或調(diào)度程序，成為重要的基礎(chǔ)組件。

第一是應(yīng)用如果你想開發(fā)的嵌入式設(shè)備是一個和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，那么你應(yīng)該選擇用嵌入式Linux或者μCLinux，而不是μC/OS-II，因為Linux不僅為你集成了TCP/IP協(xié)議，還有很豐富的其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如DHCPServer，PPPoe，webserver等等。

第二是實時性沒有一個絕對的數(shù)字可以告訴你什么是硬實時，什么是軟實時，它們之間的界限也是十分模糊的，這與你選擇什么樣的ARMCPU，它的主頻，內(nèi)存等參數(shù)有一定的關(guān)系，象IntelXscale這樣的處理器，即使配合普通Linux的內(nèi)核，內(nèi)核的搶占延時最壞情況也只有1.743毫秒，而99.9%的情況是1.42毫秒，而如果你使用加入實時補丁等技術(shù)的嵌入式Linux如MontaVistaLinux(2.4.17版本內(nèi)核)，最壞的情況只有436微秒，而99.9%的情況是195微秒，上面的數(shù)字以及考慮到最新的Linux在實時性方面的改進（如低延時O(1)調(diào)試器，微秒級的高分辨率POSIX定時器），嵌入式Linux可以適合于90~95%的各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。當然，你如果希望更高數(shù)量級的實時響應(yīng)，如高速的A/D轉(zhuǎn)換需要幾個微秒以內(nèi)的中斷延時，要求一個毫秒級沒有DMA方式的異步串行實時處理器等類似的應(yīng)用，可能是采用μC/OS-II是合適的。當然，你采用象Vxworks這樣傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)也可以滿足這樣的強實時性要求。

第三是開發(fā)工具坦言說，目前μC/OS-II、μCLinux和嵌入式Linux的開發(fā)工具與商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)工具還有一些差距，目前在ARMCPU上廣泛流行和使用的是ARM公司SDT/ADS工具鏈，產(chǎn)品無論在功能、穩(wěn)定性和眾多的第三方廠商支持方面，都很好，唯一不足的是缺少對嵌入式操作系統(tǒng)的支持，SDT/ADS的升級產(chǎn)品RealView計劃支持GCC和嵌入式Linux，但目前還沒有看到，μC/OS-II可以使用ARMSDT/ADS，但沒有OS調(diào)試功能。如果希望支持OS調(diào)試，可以使用IAR或Nohan調(diào)試器，μCLinux的調(diào)試除GDB外還有第三方調(diào)試器，并配合Cygwin形成Windows環(huán)境下μCLinux開發(fā)環(huán)境，象Aiji的Spider和Micetek的Hitool。第四是你所選擇的ARMCPU和參考板，象ARM7TDMI和ARM940T(如S3C2500/2510)核是不能使用嵌入式Linux（MMU），如果你想用Linux，只能用μCLinux，如果你想用Vxworks，你需要了解一下提供評估板的公司是否有BSP(板支持包)，Vxworks自己只有少數(shù)ARM公司評估板的支持。

4人機交互界面

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,用戶對嵌入式系統(tǒng)的要求越來越高,因此用于實現(xiàn)與用戶交流功能的嵌入式GUI重要性越來越大。Linux環(huán)境下的GUI作為源代碼開放的圖形系統(tǒng)，提供了豐富的二維繪圖庫、多字體即可擴充字符集、位圖顯示、多級RGB及灰度調(diào)整、動畫優(yōu)化顯示、具有Windows風格的對話框和預(yù)定義空間，以及對鍵盤、鼠標、觸摸屏等輸入設(shè)備和LCD輸出的支持。

目前可供選擇的GUI圖形開發(fā)界面主要有：緊縮的XWindow系統(tǒng)、MicroWindows、OpenGUI、Qt/Embedded、MiniGUI、PicoGUI。

GUI的設(shè)計要求：（1）占用的存儲空間及運行時占用資源少；（2）運行速度及響應(yīng)速度快可靠性高；（3）便于移植和定制

Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴展，并且允許真正地組件編程。Qt/E是用于嵌入式Linux的Qt版本，以下是應(yīng)用程序的操作步驟。

4.1人機交互界面開發(fā)所需準備

VMware8.0.2Ubuntu10.10EABI-4.3.3_EmbedSky_20100610.tar

qt-embedded-linux-opensource-src-4.5.0_20100601.tar

4.2Ubuntu下交叉編譯環(huán)境的配置及QT庫的編譯

安裝標準的C開發(fā)環(huán)境，由于Ubuntu10.10Linux安裝默認是不安裝的，所以需要先安裝一下（如果已經(jīng)安裝好的話，就可以免去這一步了）：

$sudoapt-getinstallgccg++libgcc1libg++makegdb

如果上面這個安裝不行，可以試試$sudoapt-getinstallbuild-essential

將已下載的EABI-4.3.3_EmbedSky_20100610.tar存放于新建的文件夾(必須是字母或數(shù)字)ubuntu下然后用sudotarxvfjEABI-4.3.3_EmbedSky_20100610.tar命令，回車，自動解壓。

4.3修改環(huán)境變量，把交叉編譯器的路徑加入到PATH

方法一：修改/etc/bash.bashrc文件（此文件只對當前用戶適用）

$sudogedit/etc/bash.bashrc

在最后加上exportPATH＝$PATH:/usr/local/arm/4.3.2/bin

方法二：修改/etc/profile文件（此文件屬于系統(tǒng)級別的環(huán)境變量，設(shè)置在里面的東西對所有用戶適用）：

$sudogedit/etc/profile

增加路徑設(shè)置，在末尾添加如下,保存/etc/profile文件：

exportPATH＝$PATH:/usr/local/arm/4.3.2/bin

方法三：修改/etc/environment文件

$sudogedit/etc/environment

原文件應(yīng)為PATH="/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games“將其改為PATH="/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/arm/4.3.2/bin"保存退出即可

檢查是否將路徑添加進去在終端執(zhí)行命令echo#PATH回車即可顯示內(nèi)容/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/home/yonghuming/ubuntu/opt/EmbedSky4.3.3/bin說明已經(jīng)將交叉編譯器的路徑加入PATH。至此，交叉編譯環(huán)境安裝完成。

4.4測試是否安裝成功

在終端運行arm-linux-gcc–v回車，出現(xiàn)：

5QT界面設(shè)計

該界面是機械手控制系統(tǒng)的主界面，可以對機械實施監(jiān)視、報警

該界面是功能主界面,包含八種功能鍵,功能如圖所示:

該界面是信號設(shè)定界面,可以決定各個器具的使用情況:

該界面是時間設(shè)置界面,通過設(shè)置機械臂移動方向的時長實現(xiàn)預(yù)定的功能：

6結(jié)論

本課題是以基于ARM核的32位嵌入式處理器ARM作為核心運算、控制CPU設(shè)計并制作了一個注塑機三軸伺服控制系統(tǒng)人機界面，該原型已經(jīng)實現(xiàn)了對機械手運行參數(shù)的設(shè)定、運行指令的下發(fā)和運行狀態(tài)的監(jiān)視。本文依據(jù)這一項目，運用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計思想和開發(fā)方法，對操作系統(tǒng)Linux的裁剪和移植和人機界面的設(shè)計作了詳細的概述。

作者簡介：

王乃旭（1986-），男（漢族），山東省煙臺市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為智能控制，模式識別。

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