0 引言

　　隨數(shù)著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)互操作需求也越來(lái)越迫切，這方面的工作涉及到體系結(jié)構(gòu)、接口與互聯(lián)協(xié)議。在與數(shù)控技術(shù)有關(guān)的開放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)方面，國(guó)外已提出、建立了相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如OMAC、OSAC等。基于工業(yè)PC的開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)也獲得了人們的廣泛研究和應(yīng)用，包括對(duì)分布式數(shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)的研究。同時(shí)COM、CORBA、OPC等軟件組件技術(shù)也在開放式數(shù)控系統(tǒng)研究中獲得應(yīng)用。制造技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合，特別是網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字制造技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，給數(shù)字控制技術(shù)帶來(lái)了新的需求和機(jī)會(huì)，與此相適應(yīng)的是數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字制造環(huán)境下，一臺(tái)制造設(shè)備成為企業(yè)甚至全球數(shù)字制造網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，接受和執(zhí)行來(lái)自數(shù)字制造網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)、控制命令和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　目前的數(shù)控系統(tǒng)，無(wú)論是軟硬結(jié)合的還是全軟件的，無(wú)論是基于組件的還是聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)，主要是采用基于工業(yè)通用Pc機(jī)的單機(jī)型系統(tǒng)架構(gòu)，即系統(tǒng)以一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(通常是PC機(jī))為主，配以其它輔助控制裝置，在一套系統(tǒng)上集成了大量的或者說(shuō)幾乎全部的數(shù)控功能。正如辯證法所指明的，任何事情都是一分為二的。通用工業(yè)PC機(jī)用于數(shù)控有許多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些無(wú)法回避的問(wèn)題，如PC的數(shù)控系統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)甚至DOS操作系統(tǒng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題或者Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件支持的缺乏。其次，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)主要采用單機(jī)型的系統(tǒng)架構(gòu)，而這種單機(jī)型的數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)存在的一個(gè)顯著問(wèn)題是系統(tǒng)缺乏柔性。系統(tǒng)缺乏柔性主要表現(xiàn)在：(1)幾乎所有數(shù)控功能都集成到一個(gè)系統(tǒng)中，因此，系統(tǒng)和功能一旦確定，不能依據(jù)加工需要、用戶需要而改變；(2)基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)的擴(kuò)展主要基于ISA、EISA、PCI等并行總線進(jìn)行擴(kuò)展，但這種擴(kuò)展方式存在的問(wèn)題是，一方面擴(kuò)展槽有限，另一方面這種基于并行總線的擴(kuò)展是緊耦合式擴(kuò)展，擴(kuò)展硬件模塊的研制開發(fā)比較復(fù)雜。再其次，在網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字制造環(huán)境下，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)已從過(guò)去一個(gè)獨(dú)立的、完整的系統(tǒng)，變成了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的執(zhí)行單元，數(shù)控系統(tǒng)自身的許多功能可以簡(jiǎn)化、甚至省略。還有，隨著數(shù)控系統(tǒng)功能越來(lái)越豐富，將幾乎所有功能集成在單個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上將使得軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)變得非常復(fù)雜，軟件耦合變得很密切，不利于互聯(lián)和互操作。

　　近來(lái)，嵌入式系統(tǒng)的性能不斷提高，價(jià)格逐漸降低，且嵌入式技術(shù)與各種通信技術(shù)密切結(jié)合，通過(guò)串行通信、現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)，可將嵌入式系統(tǒng)連成現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)或接入到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、乃至互聯(lián)網(wǎng)；而且嵌入式軟硬件開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具也越來(lái)越豐富和完善。因此，基于嵌入式技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)近幾年也開始得到人們的重視和研究，國(guó)外已出現(xiàn)了基于嵌入式技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，如德國(guó)ECKELMANN公司E*ENC555，但總的來(lái)說(shuō)，這方面的研究才剛開始，還有許多工作要做。本文作者利用嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展成果，對(duì)系統(tǒng)更緊湊、性價(jià)比更高、資源利用更充分、結(jié)構(gòu)靈活、易于擴(kuò)展、具有開放架構(gòu)并能更好滿足網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字制造環(huán)境的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開發(fā)。

1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)從微小化的角度提高資源利用率、通過(guò)系統(tǒng)模塊化和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性和柔性、通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方面的研究解決數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)下面臨的問(wèn)題及通過(guò)嵌入式Web實(shí)現(xiàn)更便捷的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，利用嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合提出了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)由一系列的嵌入式控制模塊組成。這些模塊接通用的目標(biāo)設(shè)計(jì)，而非針對(duì)特定的對(duì)象和環(huán)境，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)哪K可以組成一個(gè)針對(duì)特定對(duì)象和環(huán)境的數(shù)控系統(tǒng)，就像用不同PLC模塊可以很方便地組合成針對(duì)不同控制對(duì)象和環(huán)境的控制系統(tǒng)一樣。此外，如何將系統(tǒng)分解為多個(gè)嵌入式控制器，每個(gè)嵌入式控制具體實(shí)現(xiàn)哪些功能，采用怎樣的實(shí)現(xiàn)技術(shù)都沒(méi)有固定的模式；同樣，各嵌入式控制器間采用什么樣的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)也沒(méi)有固定的模式，所有這些都是根據(jù)實(shí)際需要而定，為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操作，不同模塊間的互聯(lián)可定義技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。因此該體系架構(gòu)是一種開放式的架構(gòu)。

　　該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)有離線和在線兩種工作模式。在離線工作模式下(主要用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試)，用戶可通過(guò)與數(shù)控操作與管理模塊連接的鍵盤裝置直接輸入加工代碼；而在在線工作模式下，用戶可在PC上編輯自己的加工代碼，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接以文件的方式傳送到數(shù)控操作與管理模塊上。在這兩種模式下，用戶都可以通過(guò)顯示裝置對(duì)加工代碼進(jìn)行查看，同時(shí)可以看到加工過(guò)程中當(dāng)前正在加工的代碼及當(dāng)前加工的狀態(tài)信息。此外，它可實(shí)現(xiàn)與基于工業(yè)PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)相同的功能；可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)、全球數(shù)字制造網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，成為其在線執(zhí)行單元；可通過(guò)專用數(shù)控客戶端軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控遠(yuǎn)程操作與監(jiān)測(cè)；也可通過(guò)通用瀏覽器實(shí)現(xiàn)數(shù)控遠(yuǎn)程操作與監(jiān)測(cè)。

2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

　　整個(gè)系統(tǒng)主要包括數(shù)控操作與管理、顯示及鍵盤輸入裝置、插補(bǔ)／運(yùn)動(dòng)控制模塊、嵌入式PLC、位置／速度伺服控制、數(shù)控客戶端等。

　　2.1 硬件系統(tǒng)

　　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)開發(fā)采用模塊化的思想。數(shù)控操作與管理模塊硬件采用的是32位ARM7 S3C44BOX微處理器，外部擴(kuò)展8M字節(jié)的RAM和2M字節(jié)的E2PROM：兩個(gè)UART擴(kuò)展成兩個(gè)EIA RS一485總線接口，一個(gè)與插補(bǔ)器／運(yùn)動(dòng)控制器模塊相接；在ARM芯片上還擴(kuò)展了RTL8019As以太網(wǎng)接口芯片，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接；此外它還具有JTAG調(diào)試接口。顯示器采用256色的彩色液晶顯示器，由ARM芯片本身集成的顯示控制功能直接進(jìn)行顯示控制；基于ARM芯片提供的通用I／O接口，開發(fā)、擴(kuò)展了鍵盤輸入電路以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)編輯和控制功能。

　　插補(bǔ)器／運(yùn)動(dòng)控制器采用r11 32位高性能DSPTMS320C2812。它的兩個(gè)串行通信接口(SCI)被擴(kuò)展成兩個(gè)RS．485總線接口，一個(gè)與數(shù)控操作與管理模塊相連，另一個(gè)與PLC模塊相連。TMS320C2812有4個(gè)通用定時(shí)器，可產(chǎn)生4個(gè)加工軸的PWM位置進(jìn)給脈沖。DSP的通用定時(shí)器產(chǎn)生的PWM脈沖作為進(jìn)給量加上一個(gè)I／O信號(hào)作為方向控制可用作某個(gè)加工軸的進(jìn)給信號(hào)。另外，TMS320C2812 DSP的CAN2.0總線接口用于同伺服控制模塊相連，傳送位置控制命令和獲取伺服控制狀態(tài)。TMS320C2812自身也具有JTAG調(diào)試接口。

　　嵌入式PLC采用C8051F022微處理器芯片實(shí)現(xiàn)。C805lF022 MCU的I／O端口的一個(gè)特點(diǎn)是其端口功能可通過(guò)軟件設(shè)定，可給嵌入式PLC的應(yīng)用帶來(lái)了很大的靈活性。C8051F022微處理器的兩個(gè)串行接口被擴(kuò)展為兩個(gè)RS-485總線接El，一個(gè)RS-485總線接口用于同插補(bǔ)器／運(yùn)動(dòng)控制器的通信，另一個(gè)可用于與PLC擴(kuò)展模塊(如果需要)的通信。

　　2.2 軟件系統(tǒng)

　　2.2.1 數(shù)控操作與管理模塊

　　數(shù)控操作與管理模塊軟件系統(tǒng)主要包括嵌入式軟件運(yùn)行環(huán)境和數(shù)控操作與管理應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式軟件運(yùn)行環(huán)境包括嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式TcP／IP協(xié)議棧和嵌入式文件系統(tǒng)。數(shù)控操作與管理應(yīng)用軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)加工代碼文件管理、加工代碼編輯和編譯、加工狀態(tài)顯示、人機(jī)交互(外擴(kuò)鍵盤、LCD顯示控制)、操作處理(如點(diǎn)動(dòng)加工、步進(jìn)加工、連續(xù)加工、加工啟停與回零等)、與插補(bǔ)器／運(yùn)動(dòng)控制器和嵌入式PLC間的模塊通信、故障診斷、數(shù)控專用客戶端通信、嵌入式Web服務(wù)等功能運(yùn)動(dòng)控制主要模塊及其相互關(guān)系

　　插補(bǔ)／運(yùn)動(dòng)控制模塊的軟件架構(gòu)如圖6所示，圖7為其主要功能模塊的相互關(guān)系。其中，進(jìn)給控制模塊首先完成進(jìn)給量到相應(yīng)位置控制量(如PWM脈沖寬度)的轉(zhuǎn)換，然后，通過(guò)PWM及通用I／O接口控制，產(chǎn)生最多四路獨(dú)立的進(jìn)給脈沖和進(jìn)給方向控制信號(hào)輸出到伺服控制系統(tǒng)(或者通過(guò)高速現(xiàn)場(chǎng)總線(如CAN總線)將迸給量發(fā)給伺服控制系統(tǒng))。PWM控制模塊根據(jù)進(jìn)給控制模塊給定的參數(shù)，完成各運(yùn)動(dòng)軸PWM脈沖發(fā)生器的設(shè)定和控制，產(chǎn)生預(yù)期的PWM脈沖控制各加工軸的運(yùn)動(dòng)。邏輯控制模塊通過(guò)485總線，將lYO邏輯控制命令(M、S、T代碼)傳送到PLC模塊。

　　2.2.3 數(shù)控遠(yuǎn)程控制專用客戶端

　　數(shù)控遠(yuǎn)程控制專用客戶端分為通信模塊和人機(jī)交互模塊兩部分。通信模塊用TCP／IP協(xié)議與數(shù)控操作與管理模塊傳輸數(shù)據(jù)信息；人機(jī)交互模塊包括G代碼操作、機(jī)床控制、機(jī)床狀態(tài)處理、設(shè)定與登錄管理及加工工件的三維顯示等功能。

　　2.2.4 基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程控制

　　相對(duì)于專用客戶端軟件，采用Web瀏覽器作為遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)客戶端具有簡(jiǎn)單、方便、標(biāo)準(zhǔn)化、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。要在嵌入式環(huán)境下支持Web功能，需在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)Web Server功能。本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控遠(yuǎn)程控制的需求，進(jìn)行嵌入式Web Server的自主開發(fā)。嵌入式Web位于數(shù)控操作與管理模塊內(nèi)，它包括嵌入式Web服務(wù)器和數(shù)控Web應(yīng)用服務(wù)兩部分，如圖8所示。嵌入式Web服務(wù)器提供了基本的Web服務(wù)功能，即HTTP請(qǐng)求與響應(yīng)；數(shù)控Web應(yīng)用服務(wù)負(fù)責(zé)接收、預(yù)處理用戶通過(guò)瀏覽器提交的操作、監(jiān)控請(qǐng)求，并將有關(guān)請(qǐng)求交嵌入式數(shù)控系統(tǒng)完成，并將結(jié)果返回到瀏覽器。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　基于嵌入式技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)不同于目前常用的基于工業(yè)Pc的數(shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)，它是一種充分利用了嵌入式技術(shù)和工業(yè)通信技術(shù)最新發(fā)展的數(shù)控技術(shù)架構(gòu)，基于該數(shù)控架構(gòu)的數(shù)控技術(shù)具有系統(tǒng)緊湊、資源利用充分、性價(jià)比高、易擴(kuò)展、系統(tǒng)可裁減，功能易定制、開放結(jié)構(gòu)、易于互聯(lián)互操作、即插即用、功能靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)的一種創(chuàng)新。此外，將嵌入式Web技術(shù)用于數(shù)控技術(shù)，符合網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字制造對(duì)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)的需要。