基于嵌入式的数控技术研究与实现

0 引言

　　随数着数控技术的发展，人们对数控系统的互联互操作需求也越来越迫切，这方面的工作涉及到体系结构、接口与互联协议。在与数控技术有关的开放式控制系统体系结构方面，国外已提出、建立了相应的工业标准，如OMAC、OSAC等。基于工业PC的开放式数控体系结构在国内也获得了人们的广泛研究和应用，包括对分布式数控系统体系架构的研究。同时COM、CORBA、OPC等软件组件技术也在开放式数控系统研究中获得应用。制造技术与信息技术的结合，特别是网络化数字制造技术的出现和发展，给数字控制技术带来了新的需求和机会，与此相适应的是数控技术的网络化。在网络数字制造环境下，一台制造设备成为企业甚至全球数字制造网络的一个资源节点，接受和执行来自数字制造网络的任务、控制命令和状态监测。

　　目前的数控系统，无论是软硬结合的还是全软件的，无论是基于组件的还是联网的数控系统，主要是采用基于工业通用Pc机的单机型系统架构，即系统以一台计算机系统(通常是PC机)为主，配以其它辅助控制装置，在一套系统上集成了大量的或者说几乎全部的数控功能。正如辩证法所指明的，任何事情都是一分为二的。通用工业PC机用于数控有许多的优点，但也存在一些无法回避的问题，如PC的数控系统的Windows操作系统甚至DOS操作系统的知识产权问题或者Linux操作系统的应用软件支持的缺乏。其次，基于PC的数控系统主要采用单机型的系统架构，而这种单机型的数控系统架构存在的一个显著问题是系统缺乏柔性。系统缺乏柔性主要表现在：(1)几乎所有数控功能都集成到一个系统中，因此，系统和功能一旦确定，不能依据加工需要、用户需要而改变；(2)基于工业PC的数控系统的扩展主要基于ISA、EISA、PCI等并行总线进行扩展，但这种扩展方式存在的问题是，一方面扩展槽有限，另一方面这种基于并行总线的扩展是紧耦合式扩展，扩展硬件模块的研制开发比较复杂。再其次，在网络化数字制造环境下，机床数控系统已从过去一个独立的、完整的系统，变成了一个相对简单的执行单元，数控系统自身的许多功能可以简化、甚至省略。还有，随着数控系统功能越来越丰富，将几乎所有功能集成在单个计算机系统上将使得软件系统的设计、开发变得非常复杂，软件耦合变得很密切，不利于互联和互操作。

　　近来，嵌入式系统的性能不断提高，价格逐渐降低，且嵌入式技术与各种通信技术密切结合，通过串行通信、现场总线和网络，可将嵌入式系统连成现场网络或接入到企业网络、乃至互联网；而且嵌入式软硬件开发环境、开发工具也越来越丰富和完善。因此，基于嵌入式技术的数控系统近几年也开始得到人们的重视和研究，国外已出现了基于嵌入式技术的数控系统产品，如德国ECKELMANN公司E*ENC555，但总的来说，这方面的研究才刚开始，还有许多工作要做。本文作者利用嵌入式技术、网络与通信技术的发展成果，对系统更紧凑、性价比更高、资源利用更充分、结构灵活、易于扩展、具有开放架构并能更好满足网络化数字制造环境的嵌入式数控系统进行了研究和开发。

1 嵌入式数控系统及其体系结构

　　为了实现从微小化的角度提高资源利用率、通过系统模块化和网络互联技术提高系统结构的灵活性和柔性、通过嵌入式实时操作系统方面的研究解决数控系统在实时多任务操作系统下面临的问题及通过嵌入式Web实现更便捷的远程控制与监测的目标，利用嵌入式技术、网络通信技术和数控系统相结合提出了嵌入式数控系统，该嵌入式数控系统由一系列的嵌入式控制模块组成。这些模块接通用的目标设计，而非针对特定的对象和环境，通过选择适当的模块可以组成一个针对特定对象和环境的数控系统，就像用不同PLC模块可以很方便地组合成针对不同控制对象和环境的控制系统一样。此外，如何将系统分解为多个嵌入式控制器，每个嵌入式控制具体实现哪些功能，采用怎样的实现技术都没有固定的模式；同样，各嵌入式控制器间采用什么样的通信技术实现互联也没有固定的模式，所有这些都是根据实际需要而定，为了实现互联、互操作，不同模块间的互联可定义技术标准与协议。因此该体系架构是一种开放式的架构。

　　该嵌入式数控系统有离线和在线两种工作模式。在离线工作模式下(主要用于现场调试)，用户可通过与数控操作与管理模块连接的键盘装置直接输入加工代码；而在在线工作模式下，用户可在PC上编辑自己的加工代码，然后通过网络连接以文件的方式传送到数控操作与管理模块上。在这两种模式下，用户都可以通过显示装置对加工代码进行查看，同时可以看到加工过程中当前正在加工的代码及当前加工的状态信息。此外，它可实现与基于工业PC机的数控系统相同的功能；可通过网络与企业、全球数字制造网络相联，成为其在线执行单元；可通过专用数控客户端软件实现数控远程操作与监测；也可通过通用浏览器实现数控远程操作与监测。

2 嵌入式数控系统的开发与实现

　　整个系统主要包括数控操作与管理、显示及键盘输入装置、插补／运动控制模块、嵌入式PLC、位置／速度伺服控制、数控客户端等。

　　2.1 硬件系统

　　嵌入式数控系统的硬件平台开发采用模块化的思想。数控操作与管理模块硬件采用的是32位ARM7 S3C44BOX微处理器，外部扩展8M字节的RAM和2M字节的E2PROM：两个UART扩展成两个EIA RS一485总线接口，一个与插补器／运动控制器模块相接；在ARM芯片上还扩展了RTL8019As以太网接口芯片，实现以太网连接；此外它还具有JTAG调试接口。显示器采用256色的彩色液晶显示器，由ARM芯片本身集成的显示控制功能直接进行显示控制；基于ARM芯片提供的通用I／O接口，开发、扩展了键盘输入电路以实现现场编辑和控制功能。

　　插补器／运动控制器采用r11 32位高性能DSPTMS320C2812。它的两个串行通信接口(SCI)被扩展成两个RS．485总线接口，一个与数控操作与管理模块相连，另一个与PLC模块相连。TMS320C2812有4个通用定时器，可产生4个加工轴的PWM位置进给脉冲。DSP的通用定时器产生的PWM脉冲作为进给量加上一个I／O信号作为方向控制可用作某个加工轴的进给信号。另外，TMS320C2812 DSP的CAN2.0总线接口用于同伺服控制模块相连，传送位置控制命令和获取伺服控制状态。TMS320C2812自身也具有JTAG调试接口。

　　嵌入式PLC采用C8051F022微处理器芯片实现。C805lF022 MCU的I／O端口的一个特点是其端口功能可通过软件设定，可给嵌入式PLC的应用带来了很大的灵活性。C8051F022微处理器的两个串行接口被扩展为两个RS-485总线接El，一个RS-485总线接口用于同插补器／运动控制器的通信，另一个可用于与PLC扩展模块(如果需要)的通信。

　　2.2 软件系统

　　2.2.1 数控操作与管理模块

　　数控操作与管理模块软件系统主要包括嵌入式软件运行环境和数控操作与管理应用系统。嵌入式软件运行环境包括嵌入式操作系统、嵌入式TcP／IP协议栈和嵌入式文件系统。数控操作与管理应用软件系统主要实现加工代码文件管理、加工代码编辑和编译、加工状态显示、人机交互(外扩键盘、LCD显示控制)、操作处理(如点动加工、步进加工、连续加工、加工启停与回零等)、与插补器／运动控制器和嵌入式PLC间的模块通信、故障诊断、数控专用客户端通信、嵌入式Web服务等功能运动控制主要模块及其相互关系

　　插补／运动控制模块的软件架构如图6所示，图7为其主要功能模块的相互关系。其中，进给控制模块首先完成进给量到相应位置控制量(如PWM脉冲宽度)的转换，然后，通过PWM及通用I／O接口控制，产生最多四路独立的进给脉冲和进给方向控制信号输出到伺服控制系统(或者通过高速现场总线(如CAN总线)将迸给量发给伺服控制系统)。PWM控制模块根据进给控制模块给定的参数，完成各运动轴PWM脉冲发生器的设定和控制，产生预期的PWM脉冲控制各加工轴的运动。逻辑控制模块通过485总线，将lYO逻辑控制命令(M、S、T代码)传送到PLC模块。

　　2.2.3 数控远程控制专用客户端

　　数控远程控制专用客户端分为通信模块和人机交互模块两部分。通信模块用TCP／IP协议与数控操作与管理模块传输数据信息；人机交互模块包括G代码操作、机床控制、机床状态处理、设定与登录管理及加工工件的三维显示等功能。

　　2.2.4 基于嵌入式Web的远程控制

　　相对于专用客户端软件，采用Web浏览器作为远程控制与监测客户端具有简单、方便、标准化、扩展性好等优点。要在嵌入式环境下支持Web功能，需在嵌入式系统环境实现Web Server功能。本系统根据数控远程控制的需求，进行嵌入式Web Server的自主开发。嵌入式Web位于数控操作与管理模块内，它包括嵌入式Web服务器和数控Web应用服务两部分，如图8所示。嵌入式Web服务器提供了基本的Web服务功能，即HTTP请求与响应；数控Web应用服务负责接收、预处理用户通过浏览器提交的操作、监控请求，并将有关请求交嵌入式数控系统完成，并将结果返回到浏览器。

3 结束语

　　基于嵌入式技术的数控系统体系架构不同于目前常用的基于工业Pc的数控系统体系架构，它是一种充分利用了嵌入式技术和工业通信技术最新发展的数控技术架构，基于该数控架构的数控技术具有系统紧凑、资源利用充分、性价比高、易扩展、系统可裁减，功能易定制、开放结构、易于互联互操作、即插即用、功能灵活等诸多优点，是对现有数控技术的一种创新。此外，将嵌入式Web技术用于数控技术，符合网络化数字制造对远程控制与监测的需要。