基于单片机的PCB钻床控制系统设计
1.本论文的目的、意义：
印刷电路板是现代电子设备、电子仪器和电子计算机中必不可少的部分，印刷电路板的制造质量直接影响到电子仪器设备的可靠性和稳定性，甚至成为其成败的关键，同时它也影响电子仪器、设备的成本和产品的竞争力。目前，国内已使用的印制板数控钻床大多采用的是以 8位单片机为处理器，其缺点是加工效率低、精度差。而印制板数控钻床厂家和研究单位开发模式都集中在PC机外加运动控制卡的基础上，其存在实时性、可靠性和经济性方面的问题。通过本课题研究，学生应了解PCB数控钻床的发展状况，掌握32位单片机的原理及使用方法，并完成基于32位单片机的完成钻床的控制系统设计，提高实际应用能力。
2.学生应完成的任务：
（1）查阅相关资料，了解PCB数控钻床控制系统的发展，目前采用的方法以及优缺点；
（2）PCB钻床控制系统方案设计；
（3）pcb钻床电机计算与选择；
（4）控制电路设计；
（5）编程及调试。
（6）撰写论文
3.论文各部分内容及时间分配：（共 15 周）
第一部分：了解PCB数控钻床控制系统的发展，目前采用的方法以及优缺点 （1周）
第二部分：完成控制系统方案设计、电机计算与选择 （2周）
第三部分：单片机系统设计、电路设计、PCB电路板设计 （4周）
第四部分：软件设计及调试 （3周）
第五部分：系统调试 （2周）
第六部分：撰写论文 （2周）
第七部分：评阅及答辩 （1周）
4.参考文献
请查阅图书馆及数据期刊库，不少于20篇 20
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
摘 要
印刷电路板是现代电子产品中必不可少的，随着印刷电路技术的发展，对其制造工艺和制造设备提出了更高的要求。在整个印制电路板的生产过程中，孔的加工是一道是十分重要的工序。孔的加工占用生产时间最长，孔的位置精度和加工质量直接决定了孔的金属化和贴片等数道工序的加工，直接影响印制板的加工质量和加工成本。可见孔的加工在印制板制造工艺中的重要作用和重要地位。而数控机床钻孔是目前PCB精密孔位加工的主流技术。
国内使用的印制板数控钻床采用的是以8位单片机为处理器或是在PC机外加运动控制卡。以8位单片机为处理器的印制板数控钻床的缺点是加工效率低、精度差。而在PC机外加运动控制卡的印制板数控钻床又存在着实时性、可靠性和经济性方面的问题。本文针对两者的不足，运用32位单片机(ARM)技术来设计印制板数控钻床控制系统。
本文硬件结构以高性能低功耗的32位ARM嵌入式处理器为核心，配以系统所需的外围模块。该系统不仅具有可靠性高、稳定性好、功能强的优点，而且具有良好的可移植性和可裁剪性，便于根据实际需求进行功能的扩展和裁剪。
本文完成了以下任务：
1.查阅相关资料，了解PCB数控钻床控制系统的发展，目前采用的方法以及优缺点。在此基础上，设计了基于32位单片机（ARM）的PCB钻床控制系统方案，微处理器选用的是S3C2410X处理器，机床X、Y、Z轴轴向进给电机经计算选用的是2001年西门子推出的1FK7HD交流伺服电机；
2.PCB钻床控制系统的硬件设计，其中包括对电源电路设计、系统复位电路设计、晶振电路设计、存储系统设计、JTAG接口电路、串口通信的硬件设计、键盘、LCD及交流伺服电机控制电路设计；
3.PCB钻床控制系统的软件设计，包括键盘的软件设计、串口程序设计、LCD模块程序设计、电机控制功能的实现。
关键词 印制板；数控钻床；交流伺服电机；ARM处理器
ABSTRACT
Printed Circuit Board (PCB) is an absolutely necessary part of modern electronic products, with the development of PCB technology; further needs are put forward to its manufacturing process and equipment. Throughout the PCB production process, the processing hole is a very important process. Machining process of hole occupied the longest time, and Machining accuracy and the location of hole wall directly determine the quality of the metal hole and patch several Road processes processing, directly impact on the PCB processing quality and processing costs. Hole’s visibility in the processing of PCB manufacturing technology to the important role and important position. CNC drilling machine is currently PCB hole machining precision of the mainstream.
Domestic use of PCB CNC drilling machining using the 8-bit MCU or processor for the PC plus Motion Control Card. the 8-bit MCU as the PCB CNC drilling machine disadvantage is the low processing efficiency, accuracy. Using pc machine motion control card with the PCB CNC drilling machine there is a real-time, reliability and economic aspects. Due to the shortcomings; a drilling control system is designed by using 32 microcontroller (ARM) technologies.
The kernel of hardware is the32-bit Embedded CPU with characteristics of high performance and low power consumption. And it is also equipped with the required peripheral modules to extend itself to one whole hardware system, which not only has virtues of high reliability, high performance, but also can be transplanted and trimmed so well as to modify function conveniently according to system requirement.
The tasks finished in the paper as follows:
1. Access to the relevant information about PCB drilling control system development, the current method and the advantages and disadvantages. On this basis, a PCB drilling control system is designed by using 32-bit microcontroller (ARM), the S3C2410X processor selected in the paper; and motor controlling movement of X, Y, Z-axis axial are FK7HD AC servo motor made by Siemens；
2. Hardware design of PCB drilling control system, including the power supply circuit design, system reset circuit design, Oscillator circuit design, storage system design, circuit JTAG interface, serial communication hardware design, the keyboard, LCD and AC servo motor control circuit design；
3. Software design of PCB drilling machine control system, including keyboard software design, program design Serial, LCD module programming, motor control functions.
Keywords Printed Circuit Board; NC Drill;AC servo motor;ARM
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
目 录
第1章 绪论............................................................ 1
1.1 电子信息产业的发展状况......................................... 1
1.2 印制电路板概述................................................. 2
1.3 国内PCB钻床数控系统发展状况................................... 3
1.3.1 发展趋势.................................................. 3
1.3.2 国产印制板数控钻床存在的问题和差距........................ 5
1.3.3 国产印制板数控钻床发展基本思路............................ 6
1.3.4 该设备的国内技术现状...................................... 6
1.4本文的主要任务.................................................. 7
第2章 总体方案设计.................................................... 9
2.1 微处理器的选型................................................. 9
2.2 数控机床伺服进给系统驱动电机的选择............................ 13
2.2.1 伺服电机概述............................................. 13
2.2.2 伺服电机原理............................................. 14
2.2.3 伺服电动机的选择......................................... 14
2.3 整体方案设计.................................................. 18
2.4 本章小结...................................................... 20
第3章 PCB钻床控制系统的硬件设计...................................... 21
3.1 电源电路设计.................................................. 21
3.2 系统复位电路.................................................. 22
3.3 晶振电路设计.................................................. 22
3.4 存储系统设计.................................................. 24
3.4.1 Nor Flash接口设计........................................ 24
3.4.2 NAND Flash接口设计....................................... 25
3.4.3 SDRAM接口电路设计........................................ 27
3.5 JTAG接口电路.................................................. 28
3.6 串口通信的硬件设计............................................ 31
3.7 按键电路及LCD................................................. 33
3.7.1 按键电路................................................. 33
3.7.2 LCD...................................................... 34
3.8 交流伺服电机控制电路.......................................... 36
3.9 本章小结...................................................... 37
第4章 PCB钻床控制系统的软件设计...................................... 38
4.1 键盘的软件设计................................................ 38
4.2 串口程序设计.................................................. 40
4.3 LCD模块程序设计............................................... 42
4.3 电机控制功能的实现............................................ 45
4.4 本章小结...................................................... 46
结论及展望.................................................. 48
致谢...................................................... 50
参考文献..................................................... 51
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
第1章 绪论
1.1 电子信息产业的发展状况
电子信息产业是以信息技术为前提，以新型电子元器件为其基本构架，以先进的高自动化的电子工艺装备为依托的高科技产业。它直接反映一个国家和地区的现代化水平，是国民经济的战略性、基础性产业，对国民经济发展具有巨大的推动作用。面对全球信息化浪潮的迅猛冲击和影响，以发展电子信息产业为先导和支柱，全面带动现代经济发展的战略性举措己成为世界各国的共识。从上个世纪90年代开始，以通信和计算机为主体的电子信息产业凭借其惊人的增长速度，一举成为当今世界上最重要的战略性产业。在经济全球化的趋势下，电子信息产业因其持续的创新活力和广阔的市场前景，逐渐在世界经济舞台上占据主角位置，发达国家、新兴工业化国家或地区都充分利用各自的比较优势，采取不同的发展模式，增强本国电子信息产业的国际竞争力。
1998年电子信息产业对世界经济增长的贡献率达14.7%；1999年，全球电子工业总产值11335亿美元。1995年~1999年美国电子信息产业以年均30%的高速持续增长，对国民经济贡献率超过35%。在亚洲各新兴工业国家，以电子信息产业为代表的高科技产业已成为国民经济重要增长点和支撑点。特别是在东南亚金融危机中，新加坡以及我国台湾等地通过发展电子信息制造业和服务业，完成产业经济结构的调整，及时摆脱了金融危机的不利影响，成为世界经济中的重要环节。
我国的信息产业正日益成为拉动国民经济持续、快速、健康成长的第一大支柱产业和先导产业。中国电子信息产业经历上个世纪八十年代第一次腾飞后，随着国民经济信息化进程的加快，进入持续、快速发展的新时期。
1998~2004年，我国电子信息产业的工业总产值年均增长率29.1%，产品销售收入年均增长率35.3%，工业增加值年均增长率30.2%，利润总额年均增长率34.7%，保持着很高的增长率，是国民经济同期发展速度的2-3倍，可见，信息产业在国民经济中占有举足轻重的战略地位，以2002年为例，国内生产总值(GDP)为102398亿RMB，而其中信息产业占2980亿RMB在拉动我国国民经济产值8%的增长中贡献率为0.46%。各种电子信息产品的生产规模也在不断的扩大。彩电、彩管、激光视盘机、程控交换机、移动电话手机、显示器等产品成为世界主要生产国，电话用户总数跃居世界第一位，达到4.21亿户，其中固定电话达到2.144亿户，移动电话用户达到2.06亿用户规模。互联网上网人数跃居世界第二位，从1994年起，每年国内用户数以平均300%的增长速度迅猛发展，2002年底已达到5910万用户。电子信息产品居我国外贸出口第一位，继续成为我国扩大对外出口的主要推动力量。电子信息产品制造业产业规模跃居世界第三，并继续保持高速增长，产业结构调整日趋合理，企业实力迅速增强，自有品牌的占有量显著攀升。
电子信息产业的高速发展必然会导致激烈的市场竞争。其竞争核心集中在关键技术的创新和垄断上。电子信息技术竞争的主要领域集中在软件、集成电路和新型元器件。软件是电子信息产品的核心，而集成电路、新型元器件则是电子信息产品制造业的基础，并具有较高的附加值。电子信息产业的飞速发展将带动超高速计算机、移动通信和数字化视听等产品的结构、特征尺寸、性能的彻底改变。传统意义上的分立元器件将被超微化、片式化、模块化、数字化、多功能化、智能化、绿色化、高频化、高速化、高可靠性和低功耗的复合器件所取代。网络时代的到来和人们生活水准的不断提高，人们对电子设备也提出了更新、更高的要求。
目前已有60%的电子设备是“便携式”的。如今，手机、PDA和手提电脑以成为白领阶层出差办公的3件必备品。为此，用于“便携式”电子设备的元器件也必须小型化、甚至微型化。电子设备和电子元器件小型化，甚至微型化的发展要求，势必会引起印制电路板(PCB)制造技术的一次大飞跃。
1.2 印制电路板概述
在印制电路板行业中，存在着多种印制电路板的定义。其中比较准确的有:在绝缘基材上，按预定设计形成的印制元件或印制线路以及两者结合的导电图形称为印制电路；在绝缘基材上形成的，用作元器件之间电气连接的导电图形称为印制线路，它不包括印制元件；印制电路或印制线路成品板通称为印制板，习惯上也称为印制电路板((PCB)或印制线路板。
印制板被誉为“不能修理的系统产品”，是电子设备的关键互连件。任何电子设备均需配备，小到电子手表，计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用的武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间电气互连，都要使用印制电路板。印制电路在电子设备中有如下功能:
1.提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑，即元器件的支撑功能；
2.实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气接或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等，即连接功能和绝缘功能；
3.为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形；
4.布线的功能化、电路化的功能。
连接、绝缘、支撑是印制电路板具有的传统功能，而第四个实现布线的功能化、电路化都是近几年安装技术高速发展下新增添的功能。
在较大型的电子产品研制过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制的制造。印制板设计的制造质量直接影响到整个产品的质量、成本和产品的使用性能。
在整个印制电路板的生产过程中，孔的加工是一道是十分重要的工序。孔的加工占用生产时间最长，孔加工的位置精度和孔壁质量直接决定了孔的金属化和贴片等数道工序的加工，直接影响了印制板的加工质量和加工成本。可见孔的加工在印制板制造工艺中的重要作用和重要地位。目前世界上90%以上的PCB孔位加工都采用数控机械钻孔，激光钻孔及其它加工方法仅占10%左右。因此数控机床钻孔是目前PCB精密孔位加工的主流。
1.3 国内PCB钻床数控系统发展状况
印制板数控钻床是印制电路板精密导通孔加工的关键设备。其定位精度，运行速度，高速运行下的微小孔加工能力，系统智能化程度，系统稳定性是衡量该产品的重要技术指标。近年来，我国电子信急产业迅猛发展及世界电子制造中心在中国逐渐形成，给印制电路板(PCB)行业带来了繁荣景象，作为印制电路板加工的关键设备—印制板数控钻床在经历发展机遇的同时也遇到了较大的挑战。
1.3.1 发展趋势
1．高速、高精度
高速、高精度是目前印制电路板加工要求基本主题。随着电子产品微型化、小型化发展趋势，印制电路板导通孔孔径(0.10mm)、线宽(0.10mm)、线距(0.10mm)的发展要求越来越高，给数控钻床提出了较高的要求，数控钻床的主要技术指标(定位精度，重复定位精度、最小孔径加工能力)都不同程度地提高了一个档次。同时国内外印制板行业竞争十分激烈，产量在提高，利润在下降，因此，必须充分提高机床的加工效率，否则即使精度再高，也将失去经济意义。目前国际先进水平为能加工0.10mm的导通孔，其效率为150个/min，机床的运行速度为40m/min，加速度为14.7m/s2。
2．高可靠性、设备故障率低
市场的快速敏捷性，要求印制板生产厂家在规定的很短时间内(一般2~3天)准时交货，否则将贻误商机，因而不允许设备经常出毛病。
3．系统集成化、柔性化程度高
随着社会信息化进程的加深，相应要求数控机床的集成化、柔性化程度高，将一系列离散型的必备过程整合成连续有机的过程，适应现代制造业的基本理念，要求数控系统不仅完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量，自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，特别是依据用户不同要求，可方便地灵活配置及集成。
4．系统智能化程度高
机床的智能化涉及到系统中的各个方而，为追求加工效率和加工质量方而的智能化，如自适应控制、工艺参数自动生成，为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算，自动识别负载自动造定模型、自整定等；简化编程、简化操作方而的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界而等；还有智能诊断、智能监控方而的内容，方便系统的诊断及维修等。
5．机床控制体系结构越来越开放
只有开放性的体系结构才能有史好的适用性、柔性、适应性和扩展性，并向智能化、网络化方向大力发展，才能适应个性化普及型的市场需求。
6．数控功能部件配套越来越专业
目前，机床上的核心部件90%都是外配套(而且是全球配套)，其配套的质量及供应体系都非常敏捷，这种组装配套思路，提高和促进了数控水平，符合经济全球化的基本理念。
7.市场个性化和敏捷性要求越来越高
消费的个性化、差异化以及敏捷快速性要求是数控产品必须考虑的一个环节。现代产品的评价体系己经从产品自身的质量和标准转换到(用户)市场对产品的最大满意程度上来。
1.3.2 国产印制板数控钻床存在的问题和差距
1．精度与速度的差距
精度普遍不高，只有少数几种产品偶尔能达到国外标准，国内普遍不能全而满足多层板的加工要求。从各功能部件来看，国产机床和国外相比并无多大差别，精度问题只是表而现象，其实质是基础技术差距的反映，首先主机部份普遍未进行有限分析，未做刚度试验，大多数未采用定位精度软件补偿技术，温度变形补偿技术，高速主轴系统的动平衡技术等，特别是对控制系统中伺服拖动的基本控制模式和原理以及一些重要参数的掌握和调试上都缺乏较深层次和系统的积累总结，对驱动环节和整个系统相匹配的重要问题，都停留在一知半解上。
2．质量稳定性(可靠性)差距
数控系统的可靠性一般控制在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为商品要受性价比约束，对于每人工作2班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续工作，无故障率P(t)=99%以上，数控机床平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1的话(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中主轴及驱动系统等的MTBF就必须大于l05小时。当前国外数控装置的MTBF值己达到6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，目前国内基本上无此系统概念分析。
3．产品外观及制造工艺性差距
在外观和制造工艺性方面的差距是全面的，它在整个民族制造工业配套方而如原材料，各种冷、热制造工艺，调试装配工艺，质量检测手段、方法和工具，及最终在这各方面流程管理模式，各种知识经验沉淀方法等都有差距。
产品智能化程度差距
目前国内主要停留在自动换刀、断钻、对刀等基本功能上，在各种形式的误差软补，系统工作部件工况智能侦测等根本没有进入实质性可靠应用阶段。
4．产品二次开发能力的差距
目前由于产品开发平台没有统一，其中包括开放式数控系统的硬件平台和适用操
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
作系统，所有控制系统的源代码差参不齐，任何用户及厂家进行一次定制却是非常复杂的系统工程，这严重制约了本行业的大力发展。
生产厂家对印制板制造工艺了解不够充分
目前，从事印制电路板数控钻床的研制生产厂家，没有较全而印制板制造工程背景，在机床性能和功能的配置上缺乏科学性和前瞻性。
1.3.3 国产印制板数控钻床发展基本思路
机床和数控技术是制造业的重要瓶颈环节，是一个国家和民族制造业综合能力的综合体现，制定符合中国国情的总体发展战略和发展措施，是我们作为业内人士必须认真而对的一个严肃问题。通过对数控技术及印制电路板产业发展趋势的分析及存在问题的研究，我们认为应以科技创新为先，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，从总体战略和技术路线方而来构架基本发展思路。
1．尽快成立行业技术委员会，整合行业标准，建立开放式的数控平台，制定应用系统的技术规范。运用平台战略，开发我国独立自主的数控软件。
2．全而统筹重点支持，突破对主要功能部件和关键数控技术认识程度，即集中支持，重点突破，带动全线。加强以下内容：伺服拖动技术；高速主轴技术；软件误差补偿技术；传感器技术；精密制造技术;自动侦测技术；网络技术;图像处理技术。
3．体制创新。从国家整体和行业局部来全而整合各方而的力量和资源，充分利用行政手段和市场调节相结合的方式来实施。
4．健全科技创新体系，解决核心技术和关键功能部件自成配套体系，全而增强国际核心竞争力。
1.3.4 该设备的国内技术现状
在机床台面方面：为了使机床有足够的稳定性、刚性，避免振动许多厂商都采用大理石作为床身的材料，某些日本的厂商采用钢材做床身，由于钢材在不同的温度下的变形比大理石大，不稳定，厂商会在软件中采用补偿来消除变形造成的精度损失。目前大多数进口高档机床采用都是天然大理石、人造大理石或花岗岩作为床身，而国内的产品以铸铁床身为主。
在主轴的转速和稳定性方面：目前采用的转轴有两种，一种为滚动轴承转速最高8万转，另一种为空气轴承转速最高可达12万转。高的主轴转速可以提高钻孔的效率，但对主轴的散热、除尘和钻头的质量有较高要求。主轴的转速根据不同的孔径和基板材料可以自动调节，一般采用变频器提供12-16级调速。
在台面的定位精度和重复定位精度方面：定位精度和重复定位精度是PCB钻床的关键指标，一般进口机床达到 ，中低档产品为 。
在X、Y、Z轴的进给速率方面：进给速率目前一般的用丝杠步进电机，速度为25米每分钟，而新的产品己采用伺服电机，高的进给速度可提高产能24%到40%，Z轴的进给速率受到钻头和所钻材料的影响，对生产效率影响不是很大。
在台面的移动及固定装置方面：台面的移动承载主要以导轨为主，也有以气浮作为台面移动的承载。台面固定线路板的装置一般为气动夹头，该夹头设计对以后设备的更换有重要影响，一般要求不易磨损，因该处磨损时设备中磨损最严重的地方之一。一旦磨损更换及调试要简便，包括对于机床定位精度的调试。目前有许多国外厂商提供自动装夹装置。
在刀具管理系统方面：目前机床刀具较少有的只有8个刀具夹，中低档的机床不具备自动换刀功能。
在操作系统方面：目前国内的中低档PCB钻床一般采用DOS操作系统，采用单片机控制步进电机的形式。进口的许多机床己采用通用的Windows NT操作系统，提供比较友好的人机界面。
在驱动系统方面：大部分PCB钻床采用工控机加运动控制卡。这样无形加大了PCB钻床的成本。
1.4本文的主要任务
采用常规数控系统或者运动控制器加工控机开发PCB钻床的控制系统成本高，而嵌入式系统构建的控制系统相对而言成本低，但功能并没有随着成本降低而降低。故而，本课题基于嵌入式系统来开发数控系统。
鉴于上述的状况和市场需要，本设计的指标如下:
1．基于ARM来构建数控系统。
2．三坐标四伺服轴(其中为双Z轴，即主轴进给要求双驱动轴同步进给以提高生产效率（如图1-1所示)）。
3．钻孔频率300次/分钟；丝杠螺距6mm。定位精度/重复定位精度 。
4．主轴采用气浮轴承，最高转速125000转/分钟，16级速度调节，由四路开关量控制。
5．采用交流伺服电机。
若图片无法显示请联系QQ3710167
图1-1 机床整体结构
根据设计指标本文将要完成的任务有：
1．查阅相关资料，了解PCB数控钻床控制系统的发展，目前采用的方法以及优缺点。在此基础上，设计了基于32位单片机（ARM）的PCB钻床控制系统方案，微处理器选用的是S3C2410X处理器，机床X、Y、Z轴轴向进给电机经计算选用的是2001年西门子推出的1FK7HD交流伺服电机；
2．PCB钻床控制系统的硬件设计，其中包括对电源电路设计、系统复位电路设计、晶振电路设计、存储系统设计、JTAG接口电路、串口通信的硬件设计、键盘、LCD及交流伺服电机控制电路设计；
3．PCB钻床控制系统的软件设计，包括键盘的软件设计、串口程序设计、LCD模块程序设计、电机控制功能的实现。
第2章总体方案设计
2.1 微处理器的选型
本PCB钻床控制系统的核心硬件采用嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备
以下4个特点:
1．对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。
2．具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
3．可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
4．嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，需要功耗只有mW甚至μW级。
目前，各种4,8,16和32位的处理器在嵌入式系统中都有广泛应用。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种己有上千种之多。根据其发展现状，嵌入式处理器可以分成下面几类：
1．嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)
嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面的要求较通用的标准微处理器高。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统，嵌入式处理器目前主要有Am186/88,386EX,SC-400,Power PC,68000,MIPS,ARM系列等。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
2．嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器又称单片机，其中我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM,RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8051、PS1XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68300等。而比较有代表性的半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541、支持I2C、CAN总线、LCD等的众多专用MCU和兼容系列。目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。
3．嵌入式DSP处理器((Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度可能是O(nm)的，甚至是NP的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两类：(1)DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C20001C5000等属于此范畴；(2)在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式DPS处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的优势所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列、移动通信的CS000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外，Philips公司最近也推出了基于可重置嵌入式DSP结构，采用低成本、低功耗技术制造的R.E.A.LDSP处理器，其特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。
4．嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)
随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了SOC技术。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL、Verlog等硬件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统，包括处理器内核和外设，均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可分为通用和专用两类，通用SOC如Infineon(Siemens)的TriCore,Motorola的M-Core，以及某些ARM系列器件，如Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等；专用SOC一般专用于某个或某类系统中，如Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载Java或C语言的专用SOC，可用于互联网安全方面。国际上有一种新的趋向，可以购买IP知识产权核模块，即现有的IC电路模块的设计，在其基础上，可根据需求将多个IP模块组合起来或经修改，形成自己的新设计。当前，嵌入式片上系统的主流系列有ARM(包括Intel公司的StrongARM和XScale)、MIPS和SH等。其中，尤以ARM的应用最为典型，各半导体厂商大多可生产ARM的衍生产品。
特别要指出，RISC技术为计算机体系结构带来了一次重大的变革。简单的、固定长度的、单周期执行指令的RISC计算系统，与传统、复杂、可变长度、指令并行执行的CISC计算机系统相比较，在相同的条件下，RISC技术的速度快2～5倍，具有巨大的性价比优势。RISC技术推动着计算机体系结构从封闭的CISC向开放的结构发展。因此，世界上各大CPU芯片制造厂商争相开发生产RISC芯片，目前的典型结构为ARM系列、MIPS和SH，32位字长，最高时钟速率可达400MHz。
本文以广州友善之臂计算机科技有限公司设计生产的SBC-2410X开发板为硬件平台，该开发板采用韩国三星半导体公司的S3C2410X处理器。S3C2410是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用。该平台在尽可能小的电路板面积上集成了64M SDRAM、64M Nand Flash、1M Nor Flash、RJ-45网卡、音频输入与输出、USB Slave、USB Host、标准串、SD卡插座、用户按键和一些用户灯等设备接口，并且引出CPU的大部分信号引脚。通过这个平台可以针对S3C2410进行系统级的硬件和软件设计，并且能够很方便地在该平台上进行功能扩展，以及进行所需的产品设计。该开发板在保证用户完成ARM技术学习开发的同时，考虑了系统的扩展、电路板的面积、散热、电磁兼容性，以及安装等问题。因此，该板也可以为嵌入式系统主板，直接应用在实际系统中。
ARM920T是ARM920TDMI系列中的一款通用性的微处理器，ARM920TDMI系列微处理器包含如下几种类型的内核。
1．ARM9TDMI：只有内核。
2．ARM940T：由内核、高速缓存和内存保护单元组成。
3．ARM920T：由内核、高速缓存和内存管理单元（MMU）组成。
ARM9TDMI采用5级流水线其结构如图2-1所示，具有分开的指令和数据存储器，5级流水线具体如下。
1．取指：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。
2．译码：对指令进行译码。
3．执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。
4．缓冲/数据：如果需要，则访问数据存储器；否则ALU的结果只是简单地缓冲一个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。
5．回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数据。
写
存储器
执行
译码
移位/ALU
数据存
储访问
reg写
译码
reg读
取指
取指令
图2-1 ARM9TDMI流水线图
ARM9TDMI处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式，即采用了指令缓存（I-Cache）和数据缓存（D-Cache）。这样可以把指令访问和数据访问单独安排1级流水线。
ARM920T以ARM9TDMI为内核，增加了高速缓存和内存管理单元。
2.2 数控机床伺服进给系统驱动电机的选择
2.2.1 伺服电机概述
伺服一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
1．无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
2．定子绕组散热比较方便。
3．惯量小，易于提高系统的快速性。
4．适应于高速大力矩工作状态。
5．同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行的交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
2.2.2 伺服电机原理
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。
标准的伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地线及控制。电源线与地线用于提供内部的电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V~6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms~2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间。
2.2.3 伺服电动机的选择
由于交流伺服没有电刷，因而寿命长、故障少，允许的转速较高再加上直流伺服系统较复杂和价格昂贵，所以在一般工业中都采用交流伺服。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
在选择电机时应考虑满足以下五项要求。以使交流伺服电机的工作性能得以充分发挥。若图片无法显示请联系QQ3710167
1．最高转速
快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。
(2-1)
式中 N max—电机最高转速（r/min）；
N —快速行程中电机转速（r/min）；
—工作台(或刀架)快速行程速度（m/min）；
i—系统传动比，i=N 电机/N丝杠
P—丝杠螺距（mm）。
2．转换到电机轴上的负载惯量
负载惯量应限制在2.5倍电机惯量之内(如果超过2.5倍也可以使用,但调整范围将会减小,时间常数将会增加)。
(匹配条件) (2-2)
(2-3)
式中 —电机惯量（kg·）；
—转换到电机轴上的负载惯量（kg·）；
—各旋转件转动惯量（kg·）；
—各旋转件角速度（rad/s）；
—各直线运动件的质量（kg）；
—各直线运动件的速度（m/s）；
ω—伺服电机的角速度（rad/s）。
3．加减速时扭矩
加减速扭矩应限定在变频驱动系统最大输出扭矩的80%以内。不管是线性加速还是角加速，都可以参考下列公式计算
（2-4）
式中 —与电机匹配的变频驱动系统的最大输出扭矩（kg·m）；
—加减速最大扭矩（N·m）；
—快速行程时加减速时间常数（ms）；
— 快速行程时转换到电机轴上的载荷扭矩（N·m）。
4．工作状态载荷扭矩
在正常状态下,工作状态载荷扭矩应不超过电机额定扭矩的80%。
(2-5)
式中 —电机额定扭矩（N·m）；
—工作状态载荷扭矩（N·m）。
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图2-2 电机转速与扭矩的关系图
取决于操作模式,其关系如图2-2。
(2-6)
若图片无法显示请联系QQ3710167(2-7)
式中 —加速扭矩（N·m）； —减速扭矩（N·m）； —摩擦载荷扭矩（N·m）； —停止状态载荷扭矩（N·m）； —切削状态加速扭矩（N·m）； —切削状态减速扭矩（N·m）； —最大切削扭矩（N·m）。
若知道最大切削扭矩Tc和最大负载比D,可以按下列方程式很容易求得选择条件。 (2-8)
5．连续过载时间
连续过载时间应限制在电机规定时间之内。但是,T若小于TMS则勿需对此项进行检验。若图片无法显示请联系QQ3710167
(2-9)
式中 —连续过载时间（min）；
—电机规定过载时间（min）。
数控机床进给系统用伺服电机是根据负载条件来进行选择的，加在电机轴上的负载有两种负载转矩和负载惯量，但由于PCB板数控钻床的负载较小，而效率和精度要求较高。故在设计中电机的选择时侧重电机的最大转速。
本文将选用的伺服电机2001年西门子推出的一个新的伺服电机系列——1FK7电机——中的一种1FK7HD。
1FK7交流伺服电机能够提供；
1．很高的单位容量因此空间要求较少(容量比1FK6小25%)；
2．插头方向可以定向确定的安装方式，为机床的结构设计提供了灵活性；
3．与1FK6机械安装尺寸相互兼容(轴、法兰盘和连接器)；
4．使用功率范围扩大。
1FK7交流伺服电机是高紧凑永磁同步电机。1FK7电机内装多极对或单极对旋转变压器。1FK7交流伺服电机也可以安装内置式光电编码器。配置旋转变压器或光电编码器的1FK7交流伺服电机都适用于SIMODRIVE 611U。1FK7电机是以不需要外部冷却而设计的，热量可以通过电机外壳而传递。1FK7电机具有很高的过载能力。图2-3为1FK7交流伺服电机的实物图。
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图 2-3 1FK7交流伺服电机
2.3 整体方案设计
印制板数控钻床由数控系统(含驱动系统)、摄像系统和机床3部分组成。其中数控系统由PC系统机和接口组成。驱动系统由相互独立的驱动单元组成。驱动单元采用单片机控制完成对对应轴伺服电机的驱动。摄像系统由CCD固体摄像机组成。完成对设计图纸的计算机输入。印制板数控钻床的示意图如图2-4所示。
硬件选择以ARM控制器(S3C2410)和交流伺服电机驱动器为核心，并附以相应的外围通讯模块组成完整的硬件平台。本钻床嵌入式数控系统硬件由ARM控制(S3C2410微控制器及外围器件)、交流伺服电机驱动器、键盘、液晶显示器((LCD)等组成。图2-5为钻床数控系统硬件的总体结构。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
图2-4 印制板数控钻床
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图 2-5 基于ARM微处理器的四轴联动PCB
加工数控钻床系统硬件结构图
2.4 本章小结
本章主要介绍了以下几个方面的内容:数控系统需求分析；根据需求分析所选的ARM处理器概况及其特点；交流伺服进给电机的概况及其特点；最后文章介绍了PCB钻床控制系统的总体结构模型，并给出了总体结构模型图。
第3章 PCB钻床控制系统的硬件设计
3.1 电源电路设计
通过对S3C2410的电源引脚进行分析：VDDalive引脚给处理器复位模块和端口寄存器提供1.8V电压；VDDiarm为处理器内核提供1.8V电压；VDDi_MPLL为MPLL提供1.8V模拟电源和数字电源；VDDi_UPLL为UPLL提供1.8V模拟电源和数字电源；VDDOP和VDDMOP分别为处理器端口和处理器存储器端口提供3.3V电压；VDDA_ADC为处理器内的ADC系统提供3.3V电压；VDDRTC为时钟电路提供1.8V电压，该电压在系统掉电后仍需要维持。
由此可见，在该系统中，需要使用3.3V和1.8V的直流稳压电源。为简化系统电源电路的设计，要求整个系统的输入电压为高质量的5V直流稳压电源。
VDD3.3V提供给VDDMOP、VDDIO、VDDADC和VCC引脚，VDD1.8V提供给VDDi，VDDRTC提供给VDDRTC引脚。
5V输入电压经过DC-DC转换器可完成5V到3.3V和1.8V的电压转换。系统中RTC所需电压由1.8V电源和后备电源共同提供，在系统工作时1.8V电压有效，系统掉电时后备电池开始工作，以供RTC电路所需的电源，同时使用发光二极管指示电源状态。电路如图 3-1所示。
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图 3-1 电源电路图
3.2 系统复位电路
为了提供性能优越的电源监视性能，我们选取了专门的系统监视复位芯片CATI025JI-30，该芯片性能优良，可以通过手动控制系统的复位，同时还可以实时监控系统的电源，一旦系统电源低于系统复位的阀值，CATI025JI-30将会起作用，对系统进行复位。
电路图如下所示：
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图 3-2系统复位电路图
3.3 晶振电路设计
S3C2410微处理器的主时钟可以由外部时钟源提供，可以由外部振荡器提供，如图3-3所示，采用哪种方式通过引脚OM[3：2]来进行选择。
1.OM[3：2]=00时，MPLL和UPLL的时钟均选择外部振荡器，如图3-3中（a）所示；
2.OM[3：2]=01时，MPLL的时钟选择外部振荡器；UPLL选择外部时钟源；
3.OM[3：2]=10时，MPLL的时钟选择外部时钟源；UPLL选择外部振荡器；
4.OM[3：2]=11时，MPLL和UPLL的时钟均选择外部时钟源，如图3-3中(b)所示。
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图 3-3 系统时钟选择
本系统中选择OM[3：2]均接地的方式，即时钟源采用外部晶振，内部pll电路，可以调整系统时钟，使系统运行速度更快。
电路图如下所示：
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图 3-4 S3C2410系统时钟电路
3.4 存储系统设计
3.4.1 Nor Flash接口设计
以该系统中使用的Flash存储器SST39VF1601为例，简要描述一下Flash存储器的基本特性。SST39VF1601是一款常见的Flash存储器，单片存储容量为16M位，工作电压为2.7V~3.6V，采用48脚TSOP封装或48脚TFBGA封装，16位数据宽度，以16位（字模式）数据宽度的方式工作。
SST39VF1601仅需3.3V电压即可完成在系统的编成与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash进行编成（烧写）、整片擦除、按扇区擦除，以及其它操作。逻辑框图引脚分布及信号描述分别如图3-5和表3-1所示。
表 3-1 逻辑框图引脚分布及信号描述
引 脚
类 型
描 述
A[19：0]
I
地址总线
DQ[15：0]
I/O
数据总线，在读写操作时提供16位的数据宽度。
CE#
I
片选信号，低电平有效。在对SST39LV160进行读写操作时，该引脚必须为低电平，当为高电平时，芯片处于高阻旁路状态
OE#
I
输出使能，低电平有效。在读操作时有效，写操作时无效
WE#
I
写使能，低电平有效。在对SST39VF1601进行编程和擦除操作时，控制相应的写控制
VDD
--
3.3V电源
VSS
--
接地
更具体的内容可参考用户手册。其他类型的Flash存储器的特性与使用方法与之类似，用户根据自己的实际需要选择不同的器件。
在大多数的系统中，选用一片16位的Flash存储器芯片（常见单片容量有1MB、2MB、4MB、8MB等）构建16位的Flash存储系统已经足够，在此采用一片SST39LV160
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
构建16的Flash存储器系统，其存储容量为16M位。Flash存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获取指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的Flash存储器配置到Bank0，即将S3C2410X的nGCS0接至SST39VF1601的CE#端。
SST3Y29VF160的OE#端接S3C2410X的nOE；WE#端S3C2410X的nWE相连；地址总线[A19~A0]与S3C2410X的地址总线[LADDR20~LADDR1]相连；16位数据总线[DQ15~DQ0]与S3C2410X的低16位数据总线[LDATA15~LDATA0]相连。如图3-6所示。
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图 3-5 Nor Flash接口电路图
3.4.2 NAND Flash接口设计
与Nor Flash存储器相比，Nand Flash 的接口设计比较复杂。以该系统采用的K9F1208U0B-PCB0为例，介绍NAND Flash存储器接口电路设计。K9F1208U0B-PCB0的存储容量为64M字节，数据总线宽度为8位，工作电压为2.7V~3.6V，采用48脚TSOP封装。仅需单3.3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作，引脚分布及信号描述分别如图3-6和表3-2所示。
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图 3-6 NAND Flash接口电路图
表 3-2 引脚分布及信号描述
引 脚
描 述
I/O[7：0]
数据输入输出、控制命令和地址的输入
CLE
命令锁存信号
ALE
地址锁存信号
/CE
芯片使能信号
/RE
读有效信号
/WE
写有效信号
/WP
写保护信号
R/nB
就绪/忙标志信号
Vcc
电源2.7V~3.3V
Vss
接地
K9F1208U0B-PCB0的I/O口即可接受地址信息和控制命令。在CLE有效时，锁存在I/O口上的是控制命令字；在ALE有效时，锁存在I/O口上的是地址；/RE或/WE有效时，锁存的是数据。这种一口多用的方式可以大大减少总线的数目，只是控制方式略微有些复杂，S3C2410X处理器拥有Nand控制器正好可以弥补这一弊端。
表3-3 S3C2410X NAND Flash接口信号
信号总
类型
描述
CLE
O
命令锁存信号
ALE
O
地址锁存信号
nFCE
O
芯片使能信号
nFRE
O
读有效信号
NFWE
O
写有效信号
NCON
I
配置端口。如果不使用NAND Flash控制，该端口必须接上来电阻
R/nB
I
就绪/忙标志信号。如果不使用NAND Flash控制，该端口必须接上来电阻
如图3-6所示，K9F1208U0B-PCB0的ALE和CLE端分别接S3C2410X的ALE和CLE端，8位的I/O[7~0]与S3C2410X低8位数据总线[DATA7~DATA0]相连，/WE、/RE和/CE分别与S3C2410X的nFRE和nFCE相连，R/B与RnB相连。
同时，S3X2410X 的NCON配置端口必须接上拉电阻，为增加稳定性R/nB端口也接上拉电阻。
3.4.3 SDRAM接口电路设计
与Flash存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但由于其存取速度大大高于Flash存储器，且具有读/写的属性，因此，SDRAM在系统中主要做程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统及用户堆栈运行数据也都放在SDRAM中。
SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系统中。
SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新（充电）。由此可见，要在系统中使用SDRAM，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑。S3C2410X及其它一些 ARM芯片在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM接口。但某些ARM芯片则没有SDRAM刷新控制逻辑，就不能直接与SDRAM接口，在进行系统设计时应注意这一点。
目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度，工作电压一般为3.3V。主要的生产厂商为HYUNDAI、Winbond等。他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式，可以通用。
DevicARM2410核心板上扩展有2片SDRAM（HY57V581620），使用了S3C2410A的Ngcs6片选信号，电路原理如图3-7所示。使用2片16位总线宽度的存储芯片来组成32位总线宽度，即U4与数据总线的低16位相连，U5与数据总线的高6位相连。2片SDRAM组成了32位宽度的存储器，即每进行一次读操作可取得4字节数据，对于S3C2410A来说相应于字对齐，操作地址最小的变化值为0x00000004。因此将S3C2410A的ADDR2引脚与HY57V581620的A0引脚连接，忽略（不使用）S3C2410A的ADDR0、ADDR1引脚，其它地址依次递增连接即可。为了能够正确访问HY57V581620高/低位字节数据，所以将S3C2410A的确nWBEx信号与HY57V581620的UDQM/LDQM相连。
HY57V581620的BA0、BA1引脚是SDRAM内部bank选择地址线，也就代表了SDRAM内存地址的最高位。如果SDRAM内存共有64MB，那就需要26根地址线（2=64MB）来进行寻址，所以BA0、BA1应连接到S3C2410A的ADDR24、ADDR25引脚。另外，由于SDRAM内存的行地址和列地址时复用的，所以地址线的数目并不需要26根那么多。
其它控制信号按照HY57V581620的引脚功能一一对应连接即可，如HY57V581620的nSRAS引脚与S3C2410A的nSRAS相连接。电路图如图3-7所示。
3.5 JTAG接口电路
JTAG(Joint Test Action Group)，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿妗⒌魇裕琂TAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP ( Test Access Port,测试访问口沁通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG
若图片无法显示请联系QQ3710167
图 3-7 SDRAM接口电路图
协议，如ARM,DSP,FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线:TMS,TCK,TDI,TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。JTAG接口还常用于实现ISP (In-SystemProgrammable在系统编程)功能，如对FLASH器件进行编程等。
通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前JTAG接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口，分别如图3-8和3-9所示。
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图3-8 14针JTAG接口图
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图3-9 20针JTAG接口图
14针JTAG接口定义如表3-4所示:
表3-4 14针JTAG接口定义
引脚
名称
描述
1， 13
VCC
接电源
2, 4, 6, 8, 10, 14
GND
接地
3
nTRST
测试系统复位信号
5
TDI
测试数据串行输入
7
TMS
测试模式选择
9
TCK
测试时钟
11
TDO
测试数据串行输出
12
NC
未连接
20针JTAG接口定义如表3-5所示。
表3-5 20针JTAG接口定义
引脚
名称
描述
1
VTref
目标板参考电压，接电源
2
VCC
接电源
3
nTRST
测试系统复位信号
4，6，8，10，12，14，16，18，20
GND
接地
5
TDI
测试数据串行输入
7
TMS
钡组试模式选择
9
TCK
测试时钟
11
RTCK
测试时钟返回信号
13
TDO
测试数据串行输出
15
nRESET
目标系统复位信号
17，19
NC
未连接
我们采用的是20针的JTAG接口，电路图如图3-10所示。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
图 3-10 20针的JTAG接口电路图若图片无法显示请联系QQ3710167
3.6 串口通信的硬件设计
为了使减少操作人员的工作强度，我们设计了串口通讯来接收PCB数控钻床加工所需要的数控文件(即该文件包含了PCB数控钻床待加工孔的位置坐标)。我们知道既然是串口通讯，就必须是两台以上的处理器之间的通讯，这里我们指的是上位机与ARM处理器之间的通讯。本节重要讲PC机上的程序，串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。
在Windows环境(Windows NT, Win98, Windows2000)下，串口是系统资源的一部分。
应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口)，通信完成后必须释放资源(关闭串口)。
串行通信是计算机系统中常用的通信机制之一，串行通信的数据是按位进行传输的，与按字节传输的并行通信相比，串行通信所使用的传输线少，适用于长距离的信息传送。使用串行通信的计算机或外设，都需要配备串行通信接口。通过串行接口，数据发送方将并行数据转换成具有一定格式的、按照二进制数据位排列的数据，并顺序地按位将它们送到传输线上。数据接受方的串行接口按位串行接受数据，再将它们转换成并行数据传送给计算机或外设使用。
目前，在国际上最通用的串行通信接口标准是由电子工业协会（Electronic Industry Association EIA）制定的RS-232C（recommended standard）标准。RS-232C是一种很常见的串行数据传输总线标准。早期它被应用于计算机和终端之间的通信，它们通过电话和MODEM 进行远距离的数据传输。随着微型计算机和微控制器的发展，不仅远距离通信，近距离通信也采用该方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和MODEM，而直接进行端的连接。
RS-232C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头，以常用的9芯D型插头为例，各引脚定义如表3-6所示。
表3-6 9芯型插头引脚信号描述
引脚
名称
功能描述
1
DCD
数据载波检测
2
RXD
数据接收
3
TXD
数据发送
4
DTR
数据终端准备好
5
GND
地
6
DSR
数据设备准备好
7
RTS
请求发送
8
CTS
消除发送
9
RI
振铃指示
要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232标准所定义的高、低电平信号与S3C2410X系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应2~3.3V电平，标准逻辑“0”对应0~0.4电平，而RS-232C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5~-15V电平，标准逻辑“0”对应+5~+15V电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，在该设计中采用MAX3232做为其转化电路，其引脚分布如图3-11所示。
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图 3-11 MAX3232引脚图
3.7 按键电路及LCD
3.7.1 按键电路
在本系统的设计中，为了使系统有很好的人机交互性，用户可以通过发送简单的指令来控制整个系统，我们设立8个按键，构成2*4的行列式键盘，其采用中断的方式。其电路原理图如图3-12所示，平时列线被置成低电平，没有按键被按下时，行线保持高电平，此时EINT0管脚也为高电平。当有按键按下时，行线被拉成低电平，EINT0管脚变为低电平，即产生中断，通知CPU有中断产生。在中断程序中调用按键识别程序就可获得键码，执行相应的操作。
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图3-12按键电路图
3.7.2 LCD
数控机床的使用愈来愈普遍。和其它技术系统一样，数控系统的设计也必须处理好系统与操作者之间的联系。而如何在保证数控系统性能良好的前提下，努力降低它的操作难度，使之成为性能完善、操作简便、易于掌握的“易人”性较好的系统，是在系统设计的最初阶段就应考虑的一个重要问题，也是研制数控系统的一个重要策略。降低数控系统的操作难度，其实质乃是一个人机协调的问题。当今，设计师们利
用人机工程学的原理，设计丰富的且容易为操作者接受的人机界面，给数控系统提高可操作性，解决人机协调问题提供了一个有效途径。人机工程学就是依据人的心理、生理特征，利用科技成果、数据，去设计“机”(即技术系统)，使之符合人的使用要求，改进环境，优化人机系统，使之达到最佳配合，以最小的劳动代价换取最大的经济成果。因此，可以这样说，人机界面是数控系统和操作者之间进行联系的桥梁。操作者通过人机界面将零件程序、各种参数和操作命令等输入数控系统，使数控系统按要求进行零件加工。数控系统通过人机界面将系统当前状态、位置等信息反映给操作者，以便于操作者对零件加工过程的监视。故系统人机界面是否友好，直接关系着系统操作性能的好坏，是衡量数控系统性能的重要指标。
本系统采用HD61202及其兼容液晶显示控制驱动器是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器它可直接与8位微处理器相联它可与HD61203配合对液晶屏进行行列驱动。表3-7是与LCD接口引脚功能；表3-8是HD61202及其兼容控制驱动器的引脚功能。
LCD接口电路图如图3-13。
表3-7 与LCD接口引脚功能
引脚符号
引脚名称
功 能
Y1 ~Y64
液晶显示驱动端
Vcc,GND
内部逻辑电源
VEE1,VEE2
液晶显示驱动电路的电源
常令VEE1 =VEE2
V1L ~V4L,
V1R ~V4R
液晶显示驱动电压
其电压值均在Vcc 和VEE 之间常令，
V1L=V1R,V2L=V2R,
V3L=V3R,V4L=V4R
ADC
决定Y1 ~Y64与液晶屏的联接顺序
ADC=1时，Y1=$0 ,Y64=$ 63
ADC=0时，Y1=$63 ,Y64=$ 0
该引脚直接接Vcc或GND 即可
表3-8 HD61202及其兼容控制驱动器的引脚功能
引脚符号
状态
引脚名称
功 能
CS1,CS2, CS3
输入
芯片片选端
CS1和CS2 低电平选通CS3 高电平选通
E
输入
读写使能信号
在E下降沿，数据被锁存(写)HD61202 及其兼容控制驱动器；在E高电平期间，数据被读出
R/W
输入
读写选择信号
R/W 1 为读选通
R/W 0 为写选通
D/I
输入
数据指令选择信号
D/I 1 为数据操作
D/I 0 为写指令或读状态
DB0~ DB7
三态
数据总线
RST
输入
复位信号
复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为0 。RST可跟MPU相连由MPU控制也可直接接Vcc使之不起作用
M
输入
交流驱动波形信号
FRM
输入
帧同步信号
CL
输入
锁存行显示数据的同步信号
该信号上升沿时锁存数据，同时改变显示输出地址
输入
内部操作时钟信号
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图3-13 LCD接口电路图
3.8 交流伺服电机控制电路
在本设计中，我们电机是采用I/0口来控制，S3C2410X的通用并行I/0口由GPIO寄存器进行控制；管脚可以动态配置为输入或输出；寄存器可以同时对任意个输出口进行置位或清零；输出寄存器的值以及管脚的当前状态都可以读出。这样我们就可以
很方便设置和读取I/0口的状态。下面我们就来具体的介绍其实现原理。
首先，我们来介绍S3C2410微控制器是怎样通过I/O口来实现对电机控制的。
在电机的工作模式上，我们采用位置模式。说的简单一点，我们只要给电机一个脉冲信号和一个方向信号，电机就可以转动起来了。但为了性能可靠准确，我们再加三个控制信号伺服-ON(SRV-ON)、报警清除(A-CLR)和计数清零(CL)。一部电机需要5根控制线，而在我们的设计中共用了四部电机(4轴，X,Y,Z1,Z2)，就需要20根控制线来控制这四部电机。考虑到整体设计对I/O口需要，我们采用I/O直接来控制电机的脉冲信号和方向信号，而另外伺服-ON(SRV-ON)、报警清除(A-CLR)和计数清零(CL)这三路控制信号采用经74LS138译码器译码后来控制，这样在对电机的控制上只需要14路I/O口即可。在设计中，采用了S3C2410的通用I/O口GPD1——GPD14这14路I/O。其中一个电机的控制电路图如图2212341所示，GPD1——GPD3分别接74LS138的A、B、C，74LS138的输出端经过反相器后作为伺服-ON(SRV-ON)，报警清除(A-CLR)和计数清零(CL)这三路控制信号，GPD4接电机驱动器的脉冲输入端，GPD5接电机驱动器的方向输入端。
交流伺服电机控制电路图如图3-14所示。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计图3-14 交流伺服电机控制电路图若图片无法显示请联系QQ3710167
3.9 本章小结
PCB钻床控制系统的硬件设计是本论文的重点之一。这一章详细地介绍了PCB钻床控制系统硬件各部分的设计与实现，其中包括对电源电路设计、系统复位电路设计、晶振电路设计、存储系统设计、JTAG接口电路、串口通信的硬件设计、键盘、LCD及交流伺服电机控制电路设计。
第4章 PCB钻床控制系统的软件设计
4.1 键盘的软件设计
在本系统的设计中键盘是操作人员对整个系统发送指令的唯一通道，其软件的设计是很重要的，主要是键盘的初始化和按键识别。键盘的初始化，是整个系统初始化的一部分，其流程图如图4-1所示。
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图 4-1键盘的初始化流程图
本系统设计的键盘采用的是中断方式，所以键盘的按键识别其实是一个中断服务子程序，对应外部中断0。其流程图如图4-2所示：
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图4-2 键盘程序设计图
其中键码识别函数：
int keyboard(void)
{
int key;
rPCONE &=0xFFFFF0FF;
if(( rPDATE&0x10)==0)
{
Delay(1);
if (( rPDATE&0x10)==0)
{
{
default: key=0;break;
}
return key;
}
}
else
{
if(( rPDATE&0x20)==0)
{
Delay(1);
if (( rPDATE&0x10)==0)
{
rPCONE &=0xFFFFF000;
rPCONE |=0xFFFFF500;
rPDATE &=(~0x30)
switch( rPDATE&0xF)
{
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case 13: key=2;break;
case 7: key=4;break;
default: key=0;break;
}
return key;
}
}
}
}
4.2 串口程序设计
在进行串口通信之前必须对串口进行初始化，首先要设置相应I/O为TXD0、RXD0功能引脚，然后通过ULXON0寄存器来设置串口数据格式，通过UCON0寄存器来设置串口工作模式，最后通过UBRDIV0来设置通讯波特率。在本系统的设计中串口的工作模式为查询方式，即UCON0[3：1]应为0101b。串口初始化代码程序如下：
void UART_Init(void)
{
//I/O口设置(GPH3,GPH2)
rGPHUP=Rgphup︱(0x03<<2)
rGPHCON=(Rgphcon&(～0x000000A0)
//串口模式设置
rUFCON0=0x00;//禁止FIFO功能
rUMCON0=0x00;//AFC（流控制）禁能
rULCON0=0x03;//禁止IrDA，无奇偶校验，1位停止位，8位数据位
rUCON0=0x245;//使用PCLK来生成波特率，发送中断为电平触发模式，接受中断为边
//沿触发模式，禁止接受超时中断，使能接受错误中断，正常工作模式，
//中断或查询方式（非DMA）
//串口波特率设置
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}
使用串口发送数据时，将待发送数据写入UTXH0寄存器，然后通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断数据是否发送完成。当然，实际代码也可以先等待UTXH0寄存器为空（通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断），再将数据写入UTXH0寄存器，串口数据写入UTXH0寄存器，串口数据发送程序如下：
void UART_SendByte(uint8 data)
{
int i;
若图片无法显示请联系QQ3710167 //等待发送器为空
for(i=0;I,10;i++);
rUTXH0=data; //发送数据
}
进行串口数据接受时，通过读取UTRSTAT0寄存器的值判断是否接受到数据，如果接受到数据，则可以从URXH0寄存器中读出数据，串口数据接受程序如下：
int UART_GetKey(void)
{
int i;
for(i=0;I,10;i++);
return(rURXH0);
}
4.3 LCD模块程序设计
根据HD61202液晶控制电路设计图3-14若图片无法显示请联系QQ3710167及其读写波形图4-3。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
图4-3 读写波形图若图片无法显示请联系QQ3710167
编程如下：
首先，我们定义关于HD61202液晶控制器相关寄存器的宏（相关寄存器的定义可以查看芯片文档）。
#define LCD61202_BASE 0x20000000
#define WrCMD2(ch) (*(U8*)(LCD61202_BASE+0))=(U8)(ch)
#define WrDATA2(ch) (*(U8*)(LCD61202_BASE+1))=(U8)(ch)
#define RdSTUS2() (*(U8*)(LCD61202_BASE+2))
#define RdDATA2() (*(U8*)(LCD61202_BASE+3))
#define LCD1_ON() WrCMD1(0x3F)
#define LCD1_OFF() WrCMD1(0x3E)
#define LCD1_STATRT_SET(n) WrCMD1(0xC0︱((char)n))
#define LCD2_OFF() WrCMD2(0x3E)
#define LCD2_STATRT_SET(n) WrCMD2(0xC0︱((char)n))
#define LCD2_ROW_SET(n) WrCMD2(0xB8︱((char)n))//page set
#define LCD2_COL_SET(n) WrCMD2(0x40︱((char)n))//y address set
#define LCD2_BUSY (RdSTUS2()&80)
#define LCD2_ONOFF (RdSTUS2()&20)
#define LCD2_RESET (RdSTUS2()&10)
首先需要对LCD所在的bank进行设置，对LCD进行初始化，代码如下。
void init_LCD(void){
设置系统bank
rBWCON&=0xfff0ffff;
rBANKCON4=0x7ff0;
//复位LCD
LCD_delay();
while(LCD1_RESET);LCD_delay();
while(LCD2_RESET);LCD_delay();
LCD2_START_SET(0);LCD_delay();
LCD1_START_SET(0);LCD_delay();
//使能LCD
LCD1_ON();LCD_delay;
LCD2_ON();LCD_delay;
}
LCD1_COL_SET(0);LCD_delay();
LCD2_COL_SET(0);LCD_delay();
for(j=0;j<64;j++){
WrDATA1(0);LCD_delay;
WrDATA2(0);LCD_delay;
}
}
Void set_LCD(U8 index,U8*buf){
//将buf里的内容显示到第index行的显存中
LCD2_COL_SET(0);LCD_delay();
for(j=0;j<64;j++){
WrDATA1(buf[j]);LCD_delay;//设置显示内容
}
LCD2_COL_SET(0);LCD_delay();
for(j=0;j<64;j++){
WrDATA2(buf[j]);LCD_delay;//设置显示内容
}
}
4.3 电机控制功能的实现
在数控钻床中，我们对工作台电机的控制主要是在人为移动工作台时和加工时系统自动的控制工作台的移动。在人为移动工作台时，我们可以分为两类：一类是点动，我们按住点动键电机就移动，这没有什么好讲。我们来讲一下，非点动时人为移动工作台。它是通过操作人员输入坐标值后，系统自动运行到目标位置。图4-2是非点动时人为移动工作台和加工时系统自动的控制工作台的移动的实现流程。其中X轴、Y轴的运行控制函数程序如下：
void motor(int *p,int counter)
//*p指向孔位置数组,其中数组元素为孔位置的x、y轴的坐标，counter为孔的数量
{
int *post;
int i=0;
int x;
int y;
post=p;
for(i=0;i
{
x=(*(post+1)).x-(*post).x ;
y=(*(post+1)).y-(*post).y ;
post++;
if(y<0)
{rPDATD &=(~0x20); }
else
}
if(x<0)
{rPDATD &=(~0x80); }
}
}
rPDATD &=(~0x88);
}
4.4 本章小结
PCB钻床控制系统的软件设计是本论文的重点。这一章详细介绍了PCB钻床控制系统几个重点模块的软件设计，包括键盘的软件设计、串口程序设计、LCD模块程序设计、电机控制功能的实现。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
图4-2 电机控制流程图
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结论及展望
一、结论
本文首先介绍了机床数控系统及其发展概况并简述PCB钻床的现状，在此基础上提出了课题的研究意义，然后详细介绍该数控系统硬件和软件的设计。鉴于时间关系，有些功能还没有得到完全验证。
作者在课题的研究工作中，综合应用ARM技术来研究和开发高性能的PCB钻床嵌入式数控系统，主要完成了以下工作：
1．在查阅大量的国内外文献的基础上，结合当前PCB钻床的现状，提出了本课题的设计目标。
2.PCB钻床控制系统方案设计，包括对微处理器的选择（选用的是S3C2410）以及PCB钻床电机计算与选择。
3.对钻床控制系统的设计思想和实现原理进行了分析，并设计出基于ARM的PCB钻床控制系统的硬件平台，其中包括对电源电路设计、系统复位电路设计、晶振电路设计、存储系统设计、JTAG接口电路、串口通信的硬件设计、键盘、LCD及伺服电机控制电路设计。
4.PCB钻床控制系统的软件设计，包括键盘的软件设计、串口程序设计、LCD模块程序设计、电机控制功能的实现。
二、展望
数控技术是现化制造业的核心技术，是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。我国的数控技术的水平跟欧美、日本还有很大的差距。我们所开发的数控系统，是一款低成本的经济型数控系统。在今后，我们还需从这几个方面去努力：
首先，随着PCB制作工艺的日趋复杂化以及孔径种数的日益增多，我们应该朝着多刀库的方向发展，可以扩展更多的刀库。
第二，数控系统正在吸收计算机技术、通讯技术以及网络技术，朝着网络化
方向发展，我们也应当把握时代的发展方向，拓展PCB钻床数控系统的网络功能。
第三，可以通过提高主轴升降电机的工作效率来加快生产效率，例如可将主
轴伺服电机改为直线电机。
第四，随着电子技术的发展，电子元件对PCB的精度要求越来越高，我们在设计PCB数控钻床时可以在钻床上安装光栅以便构成全闭环。
基于单片机的PCB钻床控制系统设计
致 谢
本文是在导师高老师的精心指导下完成的。导师渊博的学识、敏锐的洞察力使我深深敬佩，他的严谨的治学品德及谆谆教诲使我受益匪浅。半年来，无论在学习上还是生活上他都给予了我无私的帮助和关怀，对我的论文从选题到写作都倾注了大量的心血。在此，向高老师表示衷心的感谢。
同时，感谢李、罗、邹等同学在论文写作期间进行的有益讨论和帮助。
感谢养育我多年的父母。他们默默的支持和无私的爱伴随着我成长的每一刻，是我勇敢面对任何困难和挑战的精神支柱和动力源泉。
最后，也感谢机械学院的领导和老师为我提供的一切帮助。
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