嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展妨舟，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。將嵌入式技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來產(chǎn)生了很多理論和應(yīng)用成果伦够。但是邦叶，隨著機床加工零件復(fù)雜程度越來越大，建立嵌入式數(shù)控系統(tǒng)一致的體系架構(gòu)越來越迫切绅厘。沒有體系結(jié)構(gòu)提供通用的方法指導(dǎo)尺笼，將各式各樣的軟硬件模塊集成到數(shù)控系統(tǒng)中將是非常繁重且容易出錯的工作。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就是要為各個模塊提供集成規(guī)則和接口規(guī)范缤纽，通過這些集成規(guī)則和接口規(guī)范林下，不同的開發(fā)者能夠構(gòu)建出通用的模塊。利用通用的模塊和通用的集成規(guī)則讨绝，可以構(gòu)建不同的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)腋芜，由數(shù)控系統(tǒng)集成到工控站，由工控站再到工控網(wǎng)絡(luò)乃至更復(fù)雜的系統(tǒng)脸学。嵌入式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的靈活性花炭、可靠性、安全性和開放性驻子。美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織(nist)就致力于為各種機械控制系統(tǒng)建立一種參考體系結(jié)構(gòu)灿意。本文研究了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，并結(jié)合所做工作，介紹了這種體系結(jié)構(gòu)的一種實例缤剧。 

　　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu) 

　　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)必須包含一個可編程計算部件馅袁，也可以包含多個，構(gòu)成多cpu系統(tǒng)荒辕。嵌入式處理器或控制器種類很多汗销，比較常用的有arm、嵌入式x86抵窒、mcu等弛针，處理器是整個系統(tǒng)運算和控制中心，它的架構(gòu)越來越趨向于采用risc指令集harvard架構(gòu)李皇∠髯拢可編程計算部件，若干年前還是單指處理器或微控制器掉房，而現(xiàn)在卻增加了如fpga等其它可編程計算資源茧跋。 

　　數(shù)控系統(tǒng)要和操作人員交互，必須有一個顯示硬件蟋扩，可以是crt顯示器捉肄，但是一般嵌入式處理器中集成lcd控制器，它提供與dstn（dual-layer super twist nematic南翻，雙掃描扭曲向列液晶屏）或tft（thin film transistor常苍，薄膜晶體管液晶屏）顯示器的接口，通過這個接口可以直接驅(qū)動液晶顯示屏绵布。 

　　隨著usb移動存儲設(shè)備使用的推廣鸵丸，平臺通過usb主控制器實現(xiàn)對usb設(shè)備的支持和控制。處理器中也可能集成了usb客戶端控制器陨柴，方便實現(xiàn)usb客戶端接口瞄惑，一般通過這個接口進(jìn)行上位機與平臺間的應(yīng)用軟件調(diào)試。 

　　串口用來實現(xiàn)上下位機通信苞番，在有些伺服驅(qū)動裝置中也提供串口連接，因此锭化，也可以通過串口與驅(qū)動連接链患。 

　　外部存儲器總線接口支持各種外部存儲器：sdram、ram和閃存儲器瓶您，內(nèi)存一般選用sdram麻捻，閃存是一類非易失性存儲器，在電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息呀袱，這里用來存儲數(shù)控系統(tǒng)程序及配制數(shù)據(jù)贸毕。 

　　進(jìn)給軸接口是數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)的橋梁。就現(xiàn)階段經(jīng)常使用的伺服控制系統(tǒng)而言，進(jìn)給控制接口一般有串行式接口明棍、脈沖式接口、模擬式接口等等摊腋。 

　　主軸控制接口連接數(shù)控系統(tǒng)與主軸驅(qū)動單元沸版，它包含兩個部分：主軸速度控制輸出和主軸編碼器輸入。 

　　在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)集成的plc屬于內(nèi)置式兴蒸，它有設(shè)計靈活视粮、結(jié)構(gòu)緊湊、針對性強等特點间歌，主要完成主軸轉(zhuǎn)速的s代碼胃磷、刀具功能的t代碼以及控制主軸正反轉(zhuǎn)與啟停、主軸換檔猩肪、冷卻液開關(guān)遣睦、卡盤松緊等m代碼。 

　　傳感器接口用來檢測機床位置信息旷糟，實現(xiàn)各種控制算法的計算輸入。 

　　現(xiàn)代制造工程的發(fā)展要求數(shù)控系統(tǒng)間應(yīng)該能夠通過網(wǎng)絡(luò)互連临卿，傳遞命令和數(shù)據(jù)信息巾鹰，并行完成數(shù)控任務(wù)楷象。因此加入以太網(wǎng)模塊其摘，以便在需要時實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。 

　　上述各功能模塊通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接烘俱，實行統(tǒng)一的總線接口規(guī)范均天。該體系結(jié)構(gòu)中有些功能模塊不是每一個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)都必須的，可根據(jù)具體要求裁減绘辈。 

　　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu) 

　　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)平臺和應(yīng)用軟件兩大部分恢着。上層應(yīng)用軟件分?jǐn)?shù)控應(yīng)用程序接口(ncapi)和操作界面組件兩個層次，以分別實現(xiàn)對機床廠和用戶這兩個層次的開放财破。

　　底層模塊除了plc之外的部分是不對外開放的掰派，非系統(tǒng)開發(fā)者可以通過ncapi使用底層的功能。底層模塊完成插補任務(wù)（粗插補左痢，微直線段精插補靡羡，單段, 跳段, 并行程序段處理）;plc任務(wù)（報警處理，mst處理俊性，急停和復(fù)位處理，虛擬軸驅(qū)動程序，刀具壽命管理趟薄，突發(fā)事件處理）;位置控制任務(wù)（齒隙補償, 螺距補償荆烈，極限位置控制，位置輸出）;伺服任務(wù)（控制伺服輸出竟趾、輸入）以及公用數(shù)據(jù)區(qū)管理（系統(tǒng)中所有資源的控制信息管理）憔购。因此必須具有多任務(wù)的處理能力回象，即罚琅；任務(wù)建立；撤消东呻；調(diào)度南谈；喚醒；阻塞草吠；掛起国谬；激活；延時的處理能力燎隅；創(chuàng)建信號量程堤；釋放信號量；取信號量值的能力扁奔。 

　　上層軟件負(fù)責(zé)零件程序的編輯谍线、解釋，參數(shù)的設(shè)置暖谚，plc的狀態(tài)顯示工斤，mdi及故障顯示、加工軌跡节猿、加工程序行的顯示等票从，通過共享內(nèi)存、fifo和中斷與底層模塊進(jìn)數(shù)據(jù)交換滨嘱。上層軟件模塊包括：解釋器模塊峰鄙，mdi運行模塊，程序編輯模塊九孩，自動加工模塊先馆，參數(shù)編輯模塊，plc顯示模塊躺彬，故障診斷模塊等等煤墙。 

　　數(shù)控應(yīng)用軟件開發(fā)接口(ncapi)是為針對不同的機床和不同的要求而提供的通用接口函數(shù)宪拥，在此之上可以方便地開發(fā)出具體的數(shù)控系統(tǒng)仿野，如華中i型銑床數(shù)控系統(tǒng)，世紀(jì)星車床數(shù)控系統(tǒng)等脚作。ncapi與原華中i型提供的api接口保持一致葫哗。統(tǒng)一的api保證系統(tǒng)的可移植性和模塊的互換性；系統(tǒng)開發(fā)集成環(huán)境中的配置功能可以通過配置不同的軟件模塊實現(xiàn)系統(tǒng)性能的伸縮性卓瞻，系統(tǒng)性能的伸縮性則通過更換系統(tǒng)硬件得以保證笤吵。 

　　應(yīng)用實例 

　　按照上述嵌入式體系結(jié)構(gòu)的層次劃分，本文開發(fā)了基于嵌入式pc和linux操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)更扰。 

　　cpu采用嵌入式pc單元叹倒，通過pc104總線嵌入到數(shù)控主板中。在數(shù)控主板上装呢，繼承了開關(guān)量接口電路甩芦，mcp、mdi鍵盤接口電路乌烫，進(jìn)給軸接口電路以及主軸接口電路练歇。各接口電路由核心器件fpga芯片集中控制。為滿足cnc裝置對開放性的要求忍症，數(shù)控主板采用雙fpga設(shè)計蔑枣。一個fpga芯片負(fù)責(zé)控制開關(guān)量接口電路，mcp廉屑、mdi鍵盤接口電路萌狂，主軸接口電路，串行口伺服驅(qū)動裝置接口電路怀泊；另一個fpga芯片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進(jìn)電機驅(qū)動裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動裝置接口電路误趴。兩個fpga芯片通過pc/104總線嵌入式pc機控制霹琼。利用fpga芯片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下凉当，通過改變fpga芯片的固件枣申，以及兩個fpga芯片靈活搭配，可以構(gòu)造出不同配置的數(shù)控裝置看杭。 

　　操作系統(tǒng)是通過改造linux內(nèi)核使其成為實時操作系統(tǒng)忠藤。具體方法是：在linux操作系統(tǒng)中嵌入一個硬件抽象層楼雹，接管所有中斷和對硬件的操作模孩。由于linux采用整體式的模塊化結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)中需要實時響應(yīng)的任務(wù)做成數(shù)控實時模塊贮缅，嵌入到linux內(nèi)核中榨咐，這些任務(wù)包括：伺服監(jiān)控疫题、plc、位置控制等周期任務(wù)和插補這個非周期任務(wù)忿韧，刀補韧似、譯碼和網(wǎng)絡(luò)基本功能打包成數(shù)控應(yīng)用程序接口。 

　　在實時linux軟件平臺的基礎(chǔ)上成止，應(yīng)用軟件平臺包含的離散點i/o控制api浊笤、傳感器api、位置控制器api等接口為通用api接口揣蒿。應(yīng)用程序?qū)影倪^程控制秋胚、人機界面及系統(tǒng)集成與配置支撐環(huán)境三部分只需要用實時linux操作系統(tǒng)相關(guān)系統(tǒng)api替換相應(yīng)的模塊通信接口即可，上層應(yīng)用模塊可以不做修改千有。同時蚀弹，應(yīng)用軟件平臺具備良好的開放性，用戶可自定義api來擴充系統(tǒng)功能支持胶向，本文在應(yīng)用平臺層自定義了一個數(shù)控圖形庫api减叫，用來支持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的圖形顯示功能。 

　　結(jié)語 

　　本文提出的這種開放的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)裕坊，在硬件上包竹，標(biāo)準(zhǔn)的總線屏蔽了各功能部件差異，不同功能的數(shù)控硬件通過標(biāo)準(zhǔn)的信號規(guī)范來定義籍凝。在軟件上周瞎，嵌入式實時操作系統(tǒng)為數(shù)控應(yīng)用軟件提供了系統(tǒng)接口，屏蔽硬件細(xì)節(jié)饵蒂，提供實時声诸、可靠、多任務(wù)的運行環(huán)境退盯。軟件體系結(jié)構(gòu)總體上分層彼乌，使得體系結(jié)構(gòu)清晰明了；層內(nèi)按功能模塊化渊迁，盡量減少模塊耦合慰照，使得軟件復(fù)用性很好，有利于數(shù)控系統(tǒng)功能裁減和系統(tǒng)維護(hù)琉朽。既保證了硬件平臺的開放性和穩(wěn)定性毒租，也使得軟件移植和設(shè)計更加方便。 

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