摘要：本次課題主要是基于ARM機械手控制系統的設計，并且還涉及到基于ARM嵌入式系統的開發和應用以及QT人機界面的設計，針對用于注塑機的三軸伺服機械手，設計其控制系統人機界面。實現對機械手運行參數的設定、運行指令的下發和運行狀態的監視。系統采用ARM作為核心處理器，使用嵌入式Linux操作系統，用Qt進行軟件發開。該人機界面使用觸摸屏作為輸入設備，使用串行通信與下位機進行數據交換。

關鍵詞：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

機械手控制系統是伴隨著機械手（機器人）的發展而進步的。機械手是在早期出現的古代機器人基礎上發展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發展，特別是1946年第一臺數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、低價格的方向發展。同時，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人和機械手控制系統的開發奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于1947年開發了遙控機械手控制系統和遙控機械手，1948年又開發了機械式的主從機械手控制系統和機械手。

機械手控制系統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控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人控制系統。現有的機器人控制系統差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人控制系統。作為機器人產品最早的實用機型（示教再現）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業機器人和相關控制系統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生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機械手控制系統經歷了以下幾個階段：機械手完成放射源轉運年代、化工產品垛機械手年代、工業用機械手興起和發展年代。

2ARM及其體系結構

ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術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技術芯片設計開發的公司，作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。

2.1ARM的結構和特性

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，指令執行速度更快；

(4)、大多數數據操作都在寄存器中完成；

(5)、尋址方式靈活簡單，執行效率高；

(6)、指令長度固定。

2.2ARM處理器的結構

2.2.1RISC體系結構

傳統的CISC（ComplexInstructionSetComputer，復雜指令集計算機）結構有其固有的缺點，即隨著計算機技術的發展而不斷引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結構會越來越復雜，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％的指令卻不經常使用，在程序設計中只占20％，顯然，這種結構是不太合理的。，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架構相比較，盡管RISC架構有上述的優點，但決不能認為RISC架構就可以取代CISC架構，事實上，RISC和CISC各有優勢，而且界限并不那么明顯。

2.2.2ARM微處理器的寄存器結構

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，包括程序計數器（PC指針），均為32位的寄存器。6個狀態寄存器，用以標識CPU的工作狀態及程序的運行狀態，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的寄存器與之對應。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）、一至二個狀態寄存器和程序計數器。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系統的工作頻率

系統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

ARM處理器開發嵌入式系統時，選擇合適的開發工具可以加快開發進度，節省開發成本。因此一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、鏈接軟件、調試軟件、工程管理及函數庫的集成開發環境一般來說是必不可少的，至于嵌入式實時操作系統、評估板等其他開發工具則可以根據應用軟件規模和開發計劃選用。

3.1μC/OS-II

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

3.2pSOS

pSOSystem是美國系統集成公司(IntegratedSystems,Inc.簡稱ISI公司,現已與美國WindRiver系統公司合并)根據幾十年從事嵌入式實時系統理論研究與實踐活動而設計開發的實時嵌入式操作系統。pSOSystem集成了一整套嵌入式軟件模塊、工具和服務。作為嵌入式系統微內核設計的先驅者之一，ISI公司將pSOSystem構造成適于嵌入式應用系統開發、在嵌入式實時領域具有領導地位的實時操作系統。pSOSystem從ISI公司和許多第三廠家得到大量的支持。

3.3各種操作系統的對比及選用linux的原因

嵌入式操作系統是ARMCPU重要的軟件基礎從8位/16位單片機發展到以ARMCPU核為代表的32位嵌入式處理器，嵌入式操作系統將替代傳統的由手工編制的監控程序或調度程序，成為重要的基礎組件。

第一是應用如果你想開發的嵌入式設備是一個和網絡應用密切相關或者就是一個網絡設備，那么你應該選擇用嵌入式Linux或者μCLinux，而不是μC/OS-II，因為Linux不僅為你集成了TCP/IP協議，還有很豐富的其它網絡協議，如DHCPServer，PPPoe，webserver等等。

第二是實時性沒有一個絕對的數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，內存等參數有一定的關系，象IntelXscale這樣的處理器，即使配合普通Linux的內核，內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的嵌入式Linux如MontaVistaLinux(2.4.17版本內核)，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%的各種嵌入式系統應用。當然，你如果希望更高數量級的實時響應，如高速的A/D轉換需要幾個微秒以內的中斷延時，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用，可能是采用μC/OS-II是合適的。當然，你采用象Vxworks這樣傳統的嵌入式操作系統也可以滿足這樣的強實時性要求。

第三是開發工具坦言說，目前μC/OS-II、μCLinux和嵌入式Linux的開發工具與商業嵌入式操作系統工具還有一些差距，目前在ARMCPU上廣泛流行和使用的是ARM公司SDT/ADS工具鏈，產品無論在功能、穩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的支持，SDT/ADS的升級產品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調試功能。如果希望支持OS調試，可以使用IAR或Nohan調試器，μCLinux的調試除GDB外還有第三方調試器，并配合Cygwin形成Windows環境下μCLinux開發環境，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ARM公司評估板的支持。

4人機交互界面

隨著嵌入式系統的發展,用戶對嵌入式系統的要求越來越高,因此用于實現與用戶交流功能的嵌入式GUI重要性越來越大。Linux環境下的GUI作為源代碼開放的圖形系統，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及灰度調整、動畫優化顯示、具有Windows風格的對話框和預定義空間，以及對鍵盤、鼠標、觸摸屏等輸入設備和LCD輸出的支持。

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

GUI的設計要求：（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++圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向對象的，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，以下是應用程序的操作步驟。

4.1人機交互界面開發所需準備

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

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

4.2Ubuntu下交叉編譯環境的配置及QT庫的編譯

安裝標準的C開發環境，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（此文件屬于系統級別的環境變量，設置在里面的東西對所有用戶適用）：

$sudogedit/etc/profile

增加路徑設置，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行命令echo#PATH回車即可顯示內容/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/home/yonghuming/ubuntu/opt/EmbedSky4.3.3/bin說明已經將交叉編譯器的路徑加入PATH。至此，交叉編譯環境安裝完成。

4.4測試是否安裝成功

在終端運行arm-linux-gcc–v回車，出現：

5QT界面設計

該界面是機械手控制系統的主界面，可以對機械實施監視、報警

該界面是功能主界面,包含八種功能鍵,功能如圖所示:

該界面是信號設定界面,可以決定各個器具的使用情況:

該界面是時間設置界面,通過設置機械臂移動方向的時長實現預定的功能：

6結論

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設計并制作了一個注塑機三軸伺服控制系統人機界面，該原型已經實現了對機械手運行參數的設定、運行指令的下發和運行狀態的監視。本文依據這一項目，運用嵌入式系統的設計思想和開發方法，對操作系統Linux的裁剪和移植和人機界面的設計作了詳細的概述。

作者簡介：

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

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