摘要：本次課題主要是基于ARM機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jī)界面的設(shè)計(jì)，針對(duì)用于注塑機(jī)的三軸伺服機(jī)械手，設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)人機(jī)界面。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)行指令的下發(fā)和運(yùn)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(jìn)行軟件發(fā)開。該人機(jī)界面使用觸摸屏作為輸入設(shè)備，使用串行通信與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
關(guān)鍵詞：ARM；三軸伺服機(jī)械手；人機(jī)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(jī)械手控制系統(tǒng)是伴隨著機(jī)械手（機(jī)器人）的發(fā)展而進(jìn)步的。機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人和機(jī)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(jī)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(jī)械手控制系統(tǒng)和遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手控制系統(tǒng)和機(jī)械手。
機(jī)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(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的機(jī)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(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人控制系統(tǒng)。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)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(jī)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(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機(jī)械手控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：機(jī)械手完成放射源轉(zhuǎn)運(yùn)年代、化工產(chǎn)品垛機(jī)械手年代、工業(yè)用機(jī)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(jì)了大量高性能、廉價(jià)、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(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)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(gè)方面。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，作為知識(shí)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(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場。
2.1ARM的結(jié)構(gòu)和特性
ARM處理器共同特點(diǎn)
(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(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點(diǎn)，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來越復(fù)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(huì)被反復(fù)使用，占整個(gè)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(jì)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(xué)伯克利分校提出了RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡指令集計(jì)算機(jī)）的概念，當(dāng)然，和CISC架構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但決不能認(rèn)為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu)，事實(shí)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(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（BANK），這些寄存器包括：31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。同時(shí)，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(duì)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(gè)通用寄存器（R0～R14）、一至二個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)鐘頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。不同芯片對(duì)時(shí)鐘的處理不同，有的芯片只需要一個(gè)主時(shí)鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時(shí)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(shí)鐘。
3嵌入式系統(tǒng)
ARM處理器開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，選擇合適的開發(fā)工具可以加快開發(fā)進(jìn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、評(píng)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(jì)劃選用。
3.1μC/OS-II
μC/OS-II是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號(hào)量，郵箱，消息、隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)系統(tǒng)理論研究與實(shí)踐活動(dòng)而設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)領(lǐng)域具有領(lǐng)導(dǎo)地位的實(shí)時(shí)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(duì)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(jī)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(gè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)或者就是一個(gè)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?yàn)長inux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(shí)時(shí)性沒有一個(gè)絕對(duì)的數(shù)字可以告訴你什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)，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(shí)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(shí)時(shí)補(bǔ)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(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)（如低延時(shí)O(1)調(diào)試器，微秒級(jí)的高分辨率POSIX定時(shí)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(dāng)然，你如果希望更高數(shù)量級(jí)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如高速的A/D轉(zhuǎn)換需要幾個(gè)微秒以內(nèi)的中斷延時(shí)，要求一個(gè)毫秒級(jí)沒有DMA方式的異步串行實(shí)時(shí)處理器等類似的應(yīng)用，可能是采用μC/OS-II是合適的。當(dāng)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(qiáng)實(shí)時(shí)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(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的支持，SDT/ADS的升級(jí)產(chǎn)品RealView計(jì)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(píng)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(píng)估板的支持。
4人機(jī)交互界面
隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,用戶對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求越來越高,因此用于實(shí)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(kuò)充字符集、位圖顯示、多級(jí)RGB及灰度調(diào)整、動(dòng)畫優(yōu)化顯示、具有Windows風(fēng)格的對(duì)話框和預(yù)定義空間，以及對(duì)鍵盤、鼠標(biāo)、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(jì)要求：（1）占用的存儲(chǔ)空間及運(yùn)行時(shí)占用資源少；（2）運(yùn)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(gè)跨平臺(tái)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(jí)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(kuò)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(jī)交互界面開發(fā)所需準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的C開發(fā)環(huán)境，由于Ubuntu10.10Linux安裝默認(rèn)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）：
$sudoapt-getinstallgccg++libgcc1libg++makegdb
如果上面這個(gè)安裝不行，可以試試$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(dòng)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(duì)當(dāng)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(jí)別的環(huán)境變量，設(shè)置在里面的東西對(duì)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(jìn)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(yùn)行arm-linux-gcc–v回車，出現(xiàn)：
5QT界面設(shè)計(jì)
該界面是機(jī)械手控制系統(tǒng)的主界面，可以對(duì)機(jī)械實(shí)施監(jiān)視、報(bào)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(hào)設(shè)定界面,可以決定各個(gè)器具的使用情況:
該界面是時(shí)間設(shè)置界面,通過設(shè)置機(jī)械臂移動(dòng)方向的時(shí)長實(shí)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(yùn)算、控制CPU設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)注塑機(jī)三軸伺服控制系統(tǒng)人機(jī)界面，該原型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)行指令的下發(fā)和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。本文依據(jù)這一項(xiàng)目，運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和開發(fā)方法，對(duì)操作系統(tǒng)Linux的裁剪和移植和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的概述。
作者簡介：
王乃旭（1986-），男（漢族），山東省煙臺(tái)市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂疲Ｊ阶R(shí)別。
郵箱：qdyhwnx@126.com電話:13070899172
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