基于FreeRTOS和emWin图形库的工业机械臂示教器软件设计

来源:用户上传      作者:杨亮亮　窦岩杰　张晖

　　摘 要：为了解决工业机械臂示教器软件设计成本高、界面不友好等问题，采用基于ARM Cortex-M7内核的STM32H743为主控芯片，并运用实时操作系统FreeRTOS和emWin图形库设计了一种液晶显示的工业机械臂示教器软件。该示教器软件使用emWin图形库进行软件界面的设计与搭建，采用FreeRTOS操作系统来满足软件多任务的运行，并且能够实现多任务之间的通信与同步，再通过LwIP中UDP协议实现示教器与运动控制卡之间的通信，从而实现示教功能。实验结果表明，该示教器软件显示稳定，性能可靠，界面人机交互功能友好，具有实用价值。
　　关键词：FreeRTOS;emWin图形库;移植;LwIP;示教器软件
　　中图分类号：TP23 文献标识码：A
　　Design of Software for Industrial Manipulator Teaching Pendant
　　based on FreeRTOS and emWin Graphics Library
　　YANG Liangliang， DOU Yanjie， ZHANG Hui
　　Abstract： Aiming at the high software design cost and unfriendly interface of the teaching pendant for industrial manipulator， this paper proposes to use a STM32H743 based on the ARM Cortex-M7 core as the main control chip， and design teaching pendant software of LCD display for industrial manipulator by using a real-time operating system FreeRTOS and emWin graphics library. The emWin graphics library in the teaching pendant software is used to design and build the software interface. The FreeRTOS operating system is used for the multi-task operation of the software， and multi-task communication and synchronization can be achieved. Then the UDP protocol in LwIP is used to realize communication between teaching pendant software and a motion control card， so as to implement the teaching function. Finally， experimental results show that the proposed software has stable display， reliable performance， friendly man-machine interaction and practical value.
　　Keywords： FreeRTOS; emWin graphics library; transplantation; LwIP; teaching pendant software
　　1 引言（Introduction）
　　随着现代制造业的发展和“中国制造2025”战略的推进，智能化制造水平不断提升，制造业对工业机械臂的需求越来越大。工业机械臂的主要应用场景有机械加工、码垛、焊接、喷漆等，目前国内工业机械臂在这些场景的运用过程中主要通过示教再现的方式进行控制[1-2]。
　　常见的工业机械臂示教器软件一般基于嵌入式系统进行开发设计，目前主流的嵌入式操作系统有μC/OS-III、FreeRTOS、RT-Thread等，相比μC/OS-III等商用收费的操作系统，FreeRTOS是一源码公开的免费实时操作系统，能够很方便地移植到各种微型处理器上，并且降低了开发成本。嵌入式中人机交互GUI图形界面软件有Qt、UCGUI等，由于软件运行环境不同或者图形用户界面软件功能有限，因此很难达到完美的效果[3-4]。图形软件库emWin提供的接口函数使得嵌入式图形界面开发变得更加容易，设计简单，对开发要求低并且资源丰富[5-6]。
　　通过上述分析，为了降低软件的开发成本、周期与资源需求等，采用FreeRTOS与emWin组合的方式开发嵌入式机械臂示教器软件，既能够保证实现多任务运行，又能够提供一个友好的人机交互界面。以ARM Cortex-M7内核芯片STM32H743作为工业机械臂示教器软件的主控芯片，集成RGB接口的7 寸GT911电容屏进行液晶显示，在实时操作系统FreeRTOS上建立多任务，并通过emWin图形库搭建GUI界面，再选用LAN8720A作为网口通信PHY层芯片，实现上位机示教器软件与下位机运动控制卡之间的UDP网络通信，从而满足工业机械臂示教器软件的设计要求。
　　2 FreeRTOS操作系统和emWin图形库（FreeRTOS operating system and emWin graphics library）
　　2.1 FreeRTOS操作系统
　　FreeRTOS是一款可移植的、开放源代码的微型实时内核，它免费下载，免版税，并可用于商业应用。它为多种不同的处理器架构和开发工具提供移植包，并且提供多个例程用来展示内核特性，加快学习进程，并允许“开箱即用”式的开发。作为一款轻量级操作系统，FreeRTOS提供了任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录等功能，可基本满足较小系统的需要[7]。

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