基于嵌入式PC和LINUX操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：朱志紅，楊凡，周會(huì)成

嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，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(lái)產(chǎn)生了很多理論和應(yīng)用成果。但是，隨著機(jī)床加工零件復(fù)雜程度越來(lái)越大，建立嵌入式數(shù)控系統(tǒng)一致的體系架構(gòu)越來(lái)越迫切。沒(méi)有體系結(jié)構(gòu)提供通用的方法指導(dǎo)，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(cuò)的工作。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就是要為各個(gè)模塊提供集成規(guī)則和接口規(guī)范，通過(guò)這些集成規(guī)則和接口規(guī)范，不同的開(kāi)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，可以構(gòu)建不同的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，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)。嵌入式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性、安全性和開(kāi)放性。美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織（NIST）就致力于為各種機(jī)械控制系統(tǒng)建立一種參考體系結(jié)構(gòu)。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(shí)例。

1 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)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1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(gè)可編程計(jì)算部件，也可以包含多個(gè)，構(gòu)成多CPU系統(tǒng)。嵌入式處理器或控制器種類(lèi)很多，比較常用的有ARM、嵌入式X86、MCU等，處理器是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算和控制中心，它的架構(gòu)越來(lái)越趨向于采用RISC指令集Harvard架構(gòu)。可編程計(jì)算部件，若干年前還是單指處理器或微控制器，而現(xiàn)在卻增加了如FPGA等其它可編程計(jì)算資源。

數(shù)控系統(tǒng)要和操作人員交互，必須有一個(gè)顯示硬件，可以是CRT顯示器，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，雙掃描扭曲向列液晶屏）或TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶屏）顯示器的接口，通過(guò)這個(gè)接口可以直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。

隨著USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備使用的推廣，平臺(tái)通過(guò)USB主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)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，方便實(shí)現(xiàn)USB客戶端接口，一般通過(guò)這個(gè)接口進(jìn)行上位機(jī)與平臺(tái)間的應(yīng)用軟件調(diào)試。

串口用來(lái)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信，在有些伺服驅(qū)動(dòng)裝置中也提供串口連接，因此，也可以通過(guò)串口與驅(qū)動(dòng)連接。

外部存儲(chǔ)器總線接口支持各種外部存儲(chǔ)器：SDRAM、RAM和閃存儲(chǔ)器，內(nèi)存一般選用SDRAM，閃存是一類(lèi)非易失性存儲(chǔ)器，在電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息，這里用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)控系統(tǒng)程序及配制數(shù)據(jù)。

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、脈沖式接口、模擬式接口等等。

主軸控制接口連接數(shù)控系統(tǒng)與主軸驅(qū)動(dòng)單元，它包含兩個(gè)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，它有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要完成主軸轉(zhuǎn)速的S代碼、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、冷卻液開(kāi)關(guān)、卡盤(pán)松緊等M代碼。

傳感器接口用來(lái)檢測(cè)機(jī)床位置信息，實(shí)現(xiàn)各種控制算法的計(jì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)互連，傳遞命令和數(shù)據(jù)信息，并行完成數(shù)控任務(wù)。因此加入以太網(wǎng)模塊，以便在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。

上述各功能模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線連接，實(shí)行統(tǒng)一的總線接口規(guī)范。該體系結(jié)構(gòu)中有些功能模塊不是每一個(gè)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)都必須的，可根據(jù)具體要求裁減。

2 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)如圖2所示：

圖2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(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分。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(gè)層次，以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床廠和用戶這兩個(gè)層次的開(kāi)放。

底層模塊除了PLC之外的部分是不對(duì)外開(kāi)放的，非系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)NCAPI使用底層的功能。底層模塊完成插補(bǔ)任務(wù)（粗插補(bǔ)，微直線段精插補(bǔ)，單段， 跳段， 并行程序段處理）;PLC任務(wù)（報(bào)警處理，MST處理，急停和復(fù)位處理，虛擬軸驅(qū)動(dòng)程序，刀具壽命管理，突發(fā)事件處理）;位置控制任務(wù)（齒隙補(bǔ)償， 螺距補(bǔ)償，極限位置控制，位置輸出）;伺服任務(wù)（控制伺服輸出、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）。因此必須具有多任務(wù)的處理能力，即；任務(wù)建立；撤消；調(diào)度；喚醒；阻塞；掛起；激活；延時(shí)的處理能力；創(chuàng)建信號(hào)量；釋放信號(hào)量；取信號(hào)量值的能力。

上層軟件負(fù)責(zé)零件程序的編輯、解釋，參數(shù)的設(shè)置，PLC的狀態(tài)顯示，MDI及故障顯示、加工軌跡、加工程序行的顯示等，通過(guò)共享內(nèi)存、FIFO和中斷與底層模塊進(jìn)數(shù)據(jù)交換。上層軟件模塊包括：解釋器模塊，MDI運(yùn)行模塊，程序編輯模塊，自動(dòng)加工模塊，參數(shù)編輯模塊，PLC顯示模塊，故障診斷模塊等等。

數(shù)控應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)接口（NCAPI）是為針對(duì)不同的機(jī)床和不同的要求而提供的通用接口函數(shù)，在此之上可以方便地開(kāi)發(fā)出具體的數(shù)控系統(tǒng)，如華中I型銑床數(shù)控系統(tǒng)，世紀(jì)星車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)等。NCAPI與原華中I型提供的API接口保持一致。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(kāi)發(fā)集成環(huán)境中的配置功能可以通過(guò)配置不同的軟件模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的伸縮性，系統(tǒng)性能的伸縮性則通過(guò)更換系統(tǒng)硬件得以保證。

3 應(yīng)用實(shí)例

按照上述嵌入式體系結(jié)構(gòu)的層次劃分，本文開(kāi)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)。

CPU采用嵌入式PC單元，通過(guò)PC104總線嵌入到數(shù)控主板中。在數(shù)控主板上，繼承了開(kāi)關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤(pán)接口電路，進(jìn)給軸接口電路以及主軸接口電路。各接口電路由核心器件FPGA芯片集中控制。為滿足CNC裝置對(duì)開(kāi)放性的要求，數(shù)控主板采用雙FPGA設(shè)計(jì)。一個(gè)FPGA芯片負(fù)責(zé)控制開(kāi)關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤(pán)接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口電路；另一個(gè)FPGA芯片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動(dòng)裝置或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口電路。兩個(gè)FPGA芯片通過(guò)PC/104總線嵌入式PC機(jī)控制。利用FPGA芯片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下，通過(guò)改變FPGA芯片的固件，以及兩個(gè)FPGA芯片靈活搭配，可以構(gòu)造出不同配置的數(shù)控裝置。

操作系統(tǒng)是通過(guò)改造Linux內(nèi)核使其成為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。具體方法是：在Linux操作系統(tǒng)中嵌入一個(gè)硬件抽象層，接管所有中斷和對(duì)硬件的操作。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(shí)時(shí)響應(yīng)的任務(wù)做成數(shù)控實(shí)時(shí)模塊，嵌入到Linux內(nèi)核中，這些任務(wù)包括：伺服監(jiān)控、PLC、位置控制等周期任務(wù)和插補(bǔ)這個(gè)非周期任務(wù)，刀補(bǔ)、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(shí)時(shí)Linux軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟件平臺(tái)包含的離散點(diǎn)I/O控制API、傳感器API、位置控制器API等接口為通用API接口。應(yīng)用程序?qū)影倪^(guò)程控制、人機(jī)界面及系統(tǒng)集成與配置支撐環(huán)境三部分只需要用實(shí)時(shí)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。同時(shí)，應(yīng)用軟件平臺(tái)具備良好的開(kāi)放性，用戶可自定義API來(lái)擴(kuò)充系統(tǒng)功能支持，本文在應(yīng)用平臺(tái)層自定義了一個(gè)數(shù)控圖形庫(kù)API，用來(lái)支持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的圖形顯示功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的這種開(kāi)放的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在硬件上，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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)規(guī)范來(lái)定義。在軟件上，嵌入式實(shí)時(shí)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)，提供實(shí)時(shí)、可靠、多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。軟件體系結(jié)構(gòu)總體上分層，使得體系結(jié)構(gòu)清晰明了；層內(nèi)按功能模塊化，盡量減少模塊耦合，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)。既保證了硬件平臺(tái)的開(kāi)放性和穩(wěn)定性，也使得軟件移植和設(shè)計(jì)更加方便。

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