陕西省自然科学研究计划项目申请书.docx
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陕西省自然科学研究计划项目申请书
编号
陕西省自然科学研究计划项目
申请书
项目名称：
基于ARM数控平台的开发
承担单位：
西安交通大学工程训练中心
申请者：
王孙安
详细地址：
西安交通大学机械工程学院机械电子工程系
联系电话:
（029—8266）
陕西省科学技术委员会
填报说明
一、申请项目必须符合《陕西省自然科学研究项目指南》确
定的资助范围.申请书各项内容要实事求是，逐步认真填写。
表
达要明确、严谨,字迹要清楚易辨。
外来语同时用原文和中文表
达。
二、申请书为十六开本，于左侧装订成册。
各栏空格不够
时，请自行加页。
一式八份，报陕西省科委综合计划处。
封面上
的“编号"由省科委填写。
三、本申请书格式只适用于国内研究项目。
简表填写说明
简表的内容务必采用国家公布的标准简化字，并严格按照规定填写，凡选择
性栏目，请在提示字符A、B、C……上打“√”，其余栏目填写说明如下：
项目名称——要确切反映申请资助期内的研究的内容，字最多不超过25个
汉字.
所属学科-—只填写项目所属二级学科，如系交叉学科，可将有关学科按主
次同时列出。
所属学科组——根据申请项目所属学科,在相应学科组名称左上方打“√”.
起止年月—-申请资助年限一般在三年以内，起始年月从提出申请的次年一
月算起.
申请者——如系两人以上联合申请的项目，只填写第一申请者的情况;其他
申请者可在表三“在本项目中的分工”栏注明。
申请金额--用阿拉伯字填写，小数点后取两位，第三位数四舍五入.
专业技术职务（职称）——实行专业技术职务聘任制的单位填写专业技术职
务（包括待聘职务）,未实行专业技术职务聘任制的单位填写技术职称.
专业——指所学专业或长期从事研究的专业。
所在单位名称-—须按单位公章填写全称。
隶属关系——指申请者所在单位隶属的有关部门或地（市）.
合作单位数—-指研究项目组成员所在单位数，包括主持单位。
研究项目主要内容和意义摘要与预期研究成果摘要——表达要通俗、精炼，
总字数分别不得超过120个和80个汉字，包括标点符号（占一格）。
无法用汉字表
述的外文用印刷体书写，数字用阿拉伯字，每格2个字符。
简表
表一
研究项目
名称
基于ARM数控平台的开发
来源
A上极下达
B自选C其它
性质
A基础研究
B应用研究
所属
学科
机械电子
所属
学科组
A数理组B化学组C生物组D地球组E材料与工程组
F信息组G管理科学组
起止年月
2004年2月20日—2006年2月19日
申请金额
3。
0万元
申请者
姓名
王孙安
性别
A男
B女
出生
年月
1957年9月
民族
汉
专业技术职务（职称）
教授
学位
A博士B硕士C学士
专业
机械电子
所在单位
名称
西安交通大学工程训练中心
性质
A高等院校B研究单位C其它
所在地
陕西省西安市碑林区咸宁西路
28号
隶属
关系
教育部
项目组
总人数
高级
中级
初级
博士后
博士生
硕士生
辅助人员
合作单位数
0
研
究
项
目摘
主要
要一
内二
容O
和字
意
义
本研究基于ARM920T和RT—Linux的技术，构建嵌入式数控平台解决方案.采用ARM加自主开发的多轴运动控制器组成的开放式数控硬件平台。
以解决CNC机床或制造系统作为独立运行或局部自动化信息孤岛,以及基于PC的开放式数控不可能实现真正的开发性的要求,而且也存在硬件底层和操作系统“黑匣子"问题以及软硬件知识产权方面的争议，给二次开发带来很大难度等问题。
该系统的设计不仅要求实现数控系统网络化，开放化，高实时性；而且强调软硬件自由开放并且具有自主知识产权的数控平台.
预
期摘
研要
究八
成十
果字
设计开发出具有网络功能和二次开发能力的具有自主知识产权的硬件主控平台以及具有自主知识产权的Linux实时操作系统；给出可供用户二次开发的应用程序接口；一块已实现异地传输和网络加工功能的数控平台装置；高水平的研究论文4至5篇。
1
申请项目经费预算表
表二
申请资助总金额
（万元）
其中
2004年
2005年
年
2.0
1.0
其它经费来源
金额（万元）
预算支出科目（按1。
仪器设备费
2。
实验材料费3。
科研业务费
4。
实验室改装费5.协作费
6。
管理费的顺序填列）
金额
（万元）
计算根据及理由
1．仪器设备费
1。
19
嵌入式cpuARM
0。
01
硬件主控平台的各种部件
ARM开发机
0.98
用于开发嵌入式系统的应用程序
印刷电路板及电气元件
0.2
2．实验材料费
0。
2
3．科研业务费
1.46
调研费
0.3
差旅费及参加学术会议费等
论文发表费
1。
0
国际著名杂志，会议两篇（USA$400/篇），国内杂志2－3篇
资料费
0。
16
检索,复印材料费等
2
预算支出科目
金额
（万元）
计算根据及理由
4．实验室改装费
0
5．协作费
0
6．管理费
0。
15
总费用的5%
填表说明：
1.仪器设备费:
指资助项目专用仪器设备的购置费和运杂、包装、安装费，自制仪
器设备的材料、配件和外协的加工费。
大型仪器设备应充分利用本单位、本地区现
有条件。
交通运输设备、声像录入设备、复制订印设备等一般不得列入，如特殊需
要应说明理由,经批准后才可购买。
仪器设备单台、件在五千元以上的须逐项填写
名称、规格、型号、单位、数量。
2.实验材料费：
指科研用消耗性材料、试剂、药品等购置费，标本、样品采集加工
和运杂、包装费。
3。
科研业务费:
包括动力设备和燃料所需的动力、燃料费。
实验用动、植物购
置和种植、养殖费，计算、测试、分析费（使用本单位设备应不收或只收消
耗费）。
本项目必须的学术会议费、业务费、报告、论文印刷费，科考调研
费以及野外考察临时用工务费。
不包括国际合作、交流费用。
4。
实验室改装费:
指根据资助项目研究工作需要，改善实验室条件所进行的简
单装修。
不得将土建，房屋维修，实验室扩建等费用列入.
5.协作费:
指根据协议书应支付给外单位的协作费。
没有签定协议书的不得支
付。
6。
管理费：
不超过资助金额的5%，每项最高额不得超过二千元，分年度支出，
由单位统一掌握。
7。
资助项目批准前已发生的支出，不得列入。
3
研究项目组成员登记表
表三
姓名
性别
年龄
专业技术职务
（职称）
专业
工作单位
在本项目中的分工
每年用于本项目工作的月份
签章
4
一、本研究项目的科学依据和意义（包括科学意义和应用前景，国内外研究概况、水
平和发展趋势，学术思想，立论根据，特点和创新之处，主要参考文献目录和出处）。
现代制造业正朝着全球化、敏捷化、网络化和虚拟化方向发展,制造装备网络化是基于Web制造的硬件基础。
一方面，Internet/Intranet技术的发展与应用，使得企业内部的信息资源，可以通过Internet实现重构和集成与应用的互操作，为企业间信息资源的异地共享、互操作、跨平台访问提供了实现的可能性；另一方面，现有数控系统由于生产年代和生产厂家不一，存在多种档次和型号,其通信接口和协议也存在差异，给数控系统的集成造成了一定困难。
目前，制造业实施集成制造技术遇到的最大难题之一，就是数控设备作为独立运行或局部自动化信息孤岛，不能与企业网络直接连接集成到企业信息系统中，从而造成企业计划层和制造层间脱钩,管理协调严重滞后，无法对市场变化做出快速响应。
因此，如何有效，经济地实现数控设备的网络化，进而解决传统CNC机床或制造系统信息孤岛问题，有着十分重大的意义。
当前，国内外在数控机床通信的理论和技术研究方面投入了大量的人力物力。
传统的数控系统都只带有普通的通信接口如RS232C、RS422和RS485等,仅具有OSI物理层的功能,无法全面可靠地支持计算机集成制造系统底层的联网运行。
现阶段最为普遍的数控机床与网络介质连接方式是一台工控型PC机与单台NC机床相连,利用PC的软硬件资源构成所谓的开放式数控系统平台，由于采用了标准PC的硬件及标准的操作系统,其本身就具有直接组网能力，它给网络制造系统提供了一个很好的平台，但基于PC的数控系统大多数应用方案就是PC加运动控制卡的形式，PC作为数据传输和图形显示，多轴运动控制卡完成加工轨迹生成和控制功能。
这种的应用模式，系统的实时性比较容易保证，但我们可以看出PC的作用单一，资源浪费严重.为了充分利用PC的资源，采用全软件型数控系统，CNC的全部功能处理工作如编译、解释、插补和PLC的功能都由PC的软件模块来完成,这种系统硬件成本较低，编程处理相当灵活，软件通用性强，但在通用PC上实时处理比较困难，系统的可靠性不能保证，而且难以运用现有的CNC资源。
国内外以上方面主要集中在基于实时多任务操作系统.以PC机或PC104为硬件基础。
利用可定制硬件的PC104，简化了系统的硬件,降低系统的成本，但是产品升级、服务、更换部件以及增加新特性，都得依赖PC104的生成厂商，难以把专门的技术，工艺经验集成到控制系统，形成自己的产品特色，不利于主机产品的竞争力。
开放式数控系统一个重要指标就是实时性，目前数控系统的操作系统平台,除了专用的操作系统外，通用的操作系统觉大多数使用的都是DOS或Windows.DOS本质上是一种单任务的操作系统，DOS的多任务只能通过中断技术来实现，因此数控系统各软件功能模块一般不能同时执行,若要同时执行，需自行解决模块之间的调度问题，而且DOS的接口功能简单，造成软件的低水平重复开发，代码服用率低。
在DOS开发应用程序，人机界面的设计和开发占用了大量的时间，DOS程序的调试难度随软件的复杂程度指数增长，另外DOS的网络支持能力非常差，无法适应日益增长的数控系统的联网要求.与现有DOS相比，基于Windows的数控系统,人机界面良好，开发环境众多，内置的网络功能和对动态连接库的支持使CNC系统的开发周期更短，然而Windows平台的不稳定性和非实时性使其无法很好的用于工业控制.当然专用的操作系统就实时性和稳定性来说,是现在数控系统首选的操作系统,但这些专用的操作对我们来说，还是摆脱不了操作系统的黑匣子问题，软件的开发难道大，成本较高.
我国发展数控系统起步比较早，但大多数为简易数控,已不能适应市场的要求。
引进、消化、吸收国外的产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无法从根本上解决自主开发数控系统的问题。
为了摆脱这种被动局面，就必须具有超前意识，因此，利用现有的资金、资源、人才与技术，研制我国自己的实时多任务数控系统，才是改变我国数控现状的唯一出路。
ARM处理器是32位嵌入式处理器，其可移植性强,可以在不同厂家相同内核的芯片中轻松切换；并以功耗小，成本低，功能强，低端可作为高级单片机使用，高端功能可以与PC机媲美以及特有的16、32位双指令集，使得ARM成为工业控制，网络设备,移动通信等嵌入式解决方案的RISC标准。
RTLINUX是一个开发源代码、强实时性和稳定性的操作系统,以ARM为CPU和linux为操作系统的基础上实现实时多任务的数控系统，是自主开发知识产权CNC系统的一个可行途径。
RT—Linux是基于Linux操作系统并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统,提供了严格意义上的实时服务，同时拥有实时浮点计算能力以及很高的I/O处理能力.通过修改Linux内核的硬件层，采用中断仿真技术，在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核，Linux内核仅作为实时系统最低优先级的任务运行。
基于多任务环境的Linux开发提供了丰富的系统资源,如多进程间通讯机制，灵活的内存管理机制，基于TCP/IP的网络组件及高效的文件系统等。
采用DSP和CPLD技术，自主开发的运动控制器,构成数控系统的核心.通过该运动控制器，可以同时控制多轴伺服电机联动.运动控制器由运动伺服控制和外围处理两大模块构成.插补算法是数控系统中生成加工轨迹的基本程序，插补算法的优劣直接决定了加工过程中的轨迹规划的效率和精度,直接影响工件的加工质量，简单、实用的插补算法对于数控系统是非常必要的。
通过对开发式数控系统常用插补算法进行分析研究,制订插补算法实现方案。
本研究基于ARM920T和RT—Linux的技术，构建嵌入式数控平台解决方案。
采用ARM加自主开发的多轴运动控制器组成的开放式数控硬件平台。
利用ARM920T高的性能价格比、稳定性、速度以及低功耗等特点，解决基于PC的开放式数控系统的资源浪费,硬件结构不利于扩展，二次开发难度大等不足.利用RT—Linux的强实时性和稳定性，构建数控实时多任务Linux操作系统软件平台。
从根本上解决当前数控系统网络化、实时性和软、硬件“黑匣子”等问题.
参考文献：
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[13]机械电气设备,开发式数控系统，第一部分:
总则GB/T18759。
1-2002
5
二、研究内容和预期成果（说明研究项目的具体内容并明确重点解决的科学问题，
预期成果和提供的形式，如系理论成果,应写明在理论上解决哪些问题及科学意义；如
系应用性成果或基础性资料,应写明其应用前景）.
研究内容：
✧利用S3C2410的ARM920T核和外围组件以及DSP运动控制器，搭建网络化数控平台所需的硬件环境，并编写相应的底层驱动程序,给系统应用程序提供接口。
✧对现有Linux进行裁剪、定制及实时化改造，并移植linux到系统的硬件平台.
✧对任务模块进行划分，编写相应的应用程序。
✧对整套系统进行联网调试,实现异地传输和网络加工等验证.
✧研究新的高效的插补算法。
预期研究成果:
本课题研究基于ARM920T和RT—linux技术，构成嵌入式网络化数控平台的解决方案，以解决CNC机床或制造系统作为独立运行或局部自动化信息孤岛，以及基于PC的开放式数控不可能实现真正的开发性的要求，而且也存在硬件底层和操作系统“黑匣子”问题以及软硬件知识产权方面的争议，给二次开发带来很大难度等问题.该系统的设计不仅要求实现数控系统网络化，开放化，高实时性;而且强调软硬件自由开放并且具有自主知识产权的数控平台。
预期成果包括：
✧设计开发出具有网络功能和二次开发能力的硬件主控平台.
✧确立一个可行的插补算法实现方案.
✧开发出能够保证系统的稳定性和实时性的具有自主知识产权的Linux操作系统.
✧开发出功能强大，人机界面友好的应用程序，并给用户留有二次开发的接口。
✧实现异地传输和网络加工。
✧高水平的研究论文4至5篇。
应用前景：
✧使数控机床具有自主知识产权，能够达到精度、功能等要求，并在网络环境支持下与工程设计、管理信息系统直接连接的一个有加工能力的结点。
✧为企业间信息资源的异地共享、互操作、跨平台访问提供了实现的可能性。
✧数控设备联网不仅为单件、中小批量常规零件或复杂零件提供了高效的自动化加工手段，而且为整个制造系统的协调、优化和控制提供基本的手段。
✧企业网络直接连接集成到企业信息系统中，使企业计划层和制造层间信息资源进行交互，对市场变化做出快速响应.
✧系统硬件和软件的开放性,便于用户的二次开发.
✧实现信息集成、资源共享、节约资源、降低成本,提供了生产效率。
6
三、拟采取的研究方法和技术路线（包括研究工作的总体安排和进度理论分析、计
算、实验方法和步骤及其可行性论证,可能遇到的问题和解决办法）。
年度研究计划及预测进展
2004年度：
✧ARM整套体系结构的研究和驱动程序的编写。
✧对插补算法的基础研究。
✧熟悉linux底层的驱动开发和应用软件的开发。
✧主控平台的硬件设计，调试.
✧Linux进行裁剪、定制及实时化改造
✧插补算法进行板上移植和调试。
2005年度：
✧开发出能保证系统的稳定性和实时性的具有自主知识产权的Linux操作系统。
✧Linux操作系统在ARM平台上的稳定性和实时性的验证。
✧整套系统的网络特性验证.
✧应用程序稳定性的测试运行。
✧对整套系统进行联网调试,实现异地传输和网络加工等验证。
✧实际控制机床的试验。
研究方法和技术路线
本研究基于ARM920T和RT—Linux的技术，构建嵌入式网络化数控平台解决方案。
采用ARM加自主开发的多轴运动控制器组成的开放式数控硬件平台。
利用RT—Linux的强实时性和稳定性,构建数控实时多任务Linux操作系统软件平台。
开发具有自主产权、能够达到精度、功能等要求的开放式数控平台.
✧利用ARM920T高的性能价格比、稳定性、速度以及低功耗等特点，构成数控硬件主控平台.
✧利用数控硬件主控平台和自主开发的多轴运动控制卡构成整套数控系统。
✧利用RT-Linux的强实时性和稳定性，构建数控实时多任务Linux操作系统软件平台。
✧裁剪Linux内核，移植TCP/IP协议栈，对Linux内核进行实时化改造，建立Linux－Arm的交叉编译环境.
✧编写硬件初始化和启动的系统Bootloader程序。
✧对插补算法进行研究，确立一个可实施的插补算法实现方案。
✧自主设计的多轴运动卡，可以同时控制多轴伺服电机联动，运动控制卡采用DSP和CPLD技术，由于CPLD具有现场可编程能力，可以根据实际需求进行功能定制.
✧我们根据不同的控制场合,选择好的控制算法以适应复杂多变的高精度机床控制场合。
实验方案及可行性分析：
现有ARM720T的开发板，ARM920T的开发板和自主设计的多轴运动控制卡，前期的驱动程序和linux裁剪工作可以在ARM开发平台上进行调试，插补和控制算法在多轴运动控制卡进行调试和试验，但由于已有开发板没有提供网络接口和移植TCP/IP协议栈，所以无法满足实际数控平台对网络化的需求,所以必须自行设计一套网络化数控平台的硬件环境。
现已经积累了多层电路板的设计和仿真、ARM和DSP底层程序的开发以及对LINUX内核的裁剪、移植等技术，对整套网络化数控平台的开发打下前提基础.
通过以往的研究工作和工程实践已经取得的成果，所认识到的问题，在目前的理论水平和技术条件下,上述的工作是有基础的，方案也是完全可行的。
拟解决的关键问题：
✧linux操作系统移植到数控硬件平台的稳定性和实时性.
✧提高插补算法的计算效率，以实现系统的实时性要求。
✧选择合适的控制算法,提高控制系统的精度和稳定性。
✧网络化数控平台的电气特性的设计.
✧网络传输效率的调整。
已经对上述关键问题进行了专项研究,如果获得资助，将进一步深入研究，使之产品化。
7
四、实现本项目预期目标已具备的条件（包括过去的研究工作基础，现有的主要仪
器设备，研究技术人员及协作条件，从其他渠道已得到、已申请的经费情况及金额等）。
申请者近年来做了大量的对现有机床以及数控机床联网改造方案的实施，成功实现过NC嵌入PC式的开放式数控系统开发。
该系统采用了通用工业PC＋运动控制卡（Ni运动控制卡）的方式,操作系统使用Windows2000server。
系统联网采用通用的工业标准TCP/IP协议作为网络通讯协议,利用数控系统的网络服务功能，对网络中设备总体情况和具体某台设备的运行情况进行监控。
另外，监控系统采用了设备主动上报和定时查询的策略，辅以开放的网络拓扑结构,在一定程度上实现了数控系统在网络中的“即插即用”,实现了远程零件加工,现场数据和视频收集的功能,达到了数控机床的网络化的改造目标。
另外对交流感应电动机的伺服控制系统进行了研究，开发了一种基于数字信号处理器的伺服
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