目前，基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)開放式架構(gòu)的主要實現(xiàn)方式，這種實現(xiàn)方式主要是考慮利用工業(yè)PC 豐富的系統(tǒng)資源和業(yè)已標(biāo)準化的接口來簡化數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，降低數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)難度,并使設(shè)計出的數(shù)控系統(tǒng)具有一定的開放性，但這種體系結(jié)構(gòu)也存在很大的局限性，主要體現(xiàn)為: ①系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性較差; ②系統(tǒng)的開放性有限; ③工控機模式數(shù)控系統(tǒng)的成本太高。筆者提出在數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計中采用嵌入式技術(shù),即基于微控制器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，這種設(shè)計方案的優(yōu)勢在于: ①市場上可供選擇的嵌入式微控制器種類繁多，片上資源豐富，針對不同的應(yīng)用，其片上集成資源有很大不同，完全可以選擇一種片上資源和運算速度都相對非常適合數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的MCU 和DSP來構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺，這種硬件平臺的設(shè)計可以使系統(tǒng)集成度更高，體積更小，運行更穩(wěn)定; ②數(shù)控系統(tǒng)的運行是一個多任務(wù)的調(diào)度過程，特點是運行任務(wù)相對較少，但實時性要求很強，不存在冗余的任務(wù)，而采用RTOS作為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，將使數(shù)控系統(tǒng)擁有更好的多任務(wù)調(diào)度能力和更強的實時性;③嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)是一個從底層硬件到上層軟件的獨立開發(fā)過程，可以針對當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)特點和開放性的特征要求，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點，來構(gòu)建適合于嵌入式應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)開放式架構(gòu)，與基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)相比，它將有更好的穩(wěn)定性和開放性。

1 基于MCU + DSP雙CPU 架構(gòu)的硬件平臺搭建

　根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)的運行特征，針對系統(tǒng)任務(wù)運行實時性的特殊要求，以及嵌入式系統(tǒng)的特點，文中采用MCU + DSP的雙CPU 架構(gòu)來構(gòu)建嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺。 MCU 的主要功能是負責(zé)運行系統(tǒng)中與管理相關(guān)的任務(wù)，是系統(tǒng)的主控制CPU; 而DSP 主要負責(zé)運行插補運算等運算量較大、對任務(wù)的實時性要求較高的任務(wù)，專用于繁重的插補運算，減輕主控制CPU 的負擔(dān)。 本數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，MCU 選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC68K 系列的MC68F375微控制器，DSP則選用NOVA 生產(chǎn)的DSP運動控制專用芯片MCX314。

　　1.1 嵌入式微控制器MC68F375簡介

　　MC68F375是由MOTOROLA 公司推出的高速32位微控制器，它具有速度快、并行處理能力強和片上資源豐富等特點，適用于各種控制場合。 芯片支持BDM(background debug mode)模式，通過簡易的專用電纜接口，可以直接對微控制器系統(tǒng)進行仿真開發(fā); 也可采用全功能的在線仿真器進行實時開發(fā)。 同時,MC68F375非常適合運行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，使其更容易做到不死機。

　　MC68F375的片上資源主要包括: 系統(tǒng)集成模塊(SIM ) ; 8 KB 掉電保護SRAM; 8 KB 掩模ROM; 10位隊列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(QADC64) ，16路A /D 轉(zhuǎn)換模塊具有強大的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制功能; 隊列式串行通信模塊(QSMCM) ，可以方便地實現(xiàn)同步、異步通信功能; 可構(gòu)造時鐘模塊(CTM4) ，具有多種強大的定時、計數(shù)和脈沖調(diào)制功能; 時間處理單元(TPU ) ，分辨率高達250ns，可對各種事件進行快速的智能處理，同時集成PWM 算法及各種輸入捕捉算法; CAN 控制模塊( TouCAN ) ，能方便地實現(xiàn)工業(yè)自動化等場合的現(xiàn)場總線控制。

　　1.2 DSP專用運動控制芯片MCX314簡介

　　MCX314是NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，性能優(yōu)良，接口簡單，編程方便，工作可靠，可廣泛用于數(shù)控機床及機器人等領(lǐng)域的運動控制。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率最高達4MH z。 每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器,實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。

　　與通用DSP相比，MCX314更適合數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，是一種專用的運動控制芯片，主要表現(xiàn)在3方面:① 插補算法(三軸直線、平面圓弧和位模式插補)、運動控制和位置控制主要由硬件來實現(xiàn)，主控制CPU 通過接口對MCX314進行相應(yīng)的工作方式、速度和加速度的設(shè)置，然后將運動的起點和終點傳送給MCX314,之后不再需要主控制CPU 的干預(yù)就能自動完成從起點到終點的插補運動控制，減少了運行過程中與主控制CPU 頻繁的數(shù)據(jù)交換，也減少了相應(yīng)軟件的設(shè)計,縮短數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)研制周期，且能提高系統(tǒng)的運行速度; ②片上集成有專用于運動控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可簡化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性; ③與主控制CPU 之間的通訊簡單,易于協(xié)調(diào)，對主控制CPU 來說，MCX314更像是一個外圍功能芯片，通過設(shè)置一定的地址和讀寫控制字就能實現(xiàn)對MCX314的控制。

　　1.3 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的搭建

　　圖1為本文研究的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺模塊圖，以MC68F375和MCX314為硬件平臺的核心，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的功能特點和工作特性要求，分別擴展了如下多種功能模塊。

圖1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺模塊

　　(1) 擴展FLASH 模塊，MC68F375片上集成有8K字節(jié)的掩模ROM，但這對于數(shù)控系統(tǒng)的運行是遠遠不夠的，必須進行片外擴展。 在系統(tǒng)設(shè)計中，主要是在片外擴展了2片512K字節(jié)的FLASH，主要用于存儲系統(tǒng)運行所需的程序代碼，語言字庫，需要斷電和長期保存的系統(tǒng)參數(shù)、刀具參數(shù)、補償參數(shù)、機床參數(shù)以及數(shù)控加工程序等。

　　(2) 擴展RAM模塊，雖然MC68F375片上集成有8K字節(jié)的SRAM，但由于數(shù)控系統(tǒng)不同于小型的嵌入式系統(tǒng)，在運行過程中需要有充足的RAM 空間，特別是由于運算和RTOS的多任務(wù)調(diào)度以及文件系統(tǒng)的運行都將產(chǎn)生大量的堆棧、全局變量和局部變量，而且由于系統(tǒng)內(nèi)置軟PLC( PLC的內(nèi)部繼電器R、定時器T 和計數(shù)器C)的運行也將占用一部分RAM 空間，因此在數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計時，在片外擴展了2片512K字節(jié)的靜態(tài)高速RAM，用于擴展RAM空間，增強系統(tǒng)的運行效率和實時性。

　　(3) 時鐘控制模塊，也就是日歷系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)斷電時能夠長時間的保持日歷的工作狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)工作時，進行到文件相關(guān)操作時，如在數(shù)據(jù)傳輸或用戶在對系統(tǒng)進行編程、二次開發(fā)時，都需要數(shù)據(jù)以文件的形式進行存儲或傳輸，需要記錄下文件編寫的日期，以便文件系統(tǒng)的管理。

　　(4) LCD控制模塊，主要用于完成液晶顯示的控制刷新和與CPU32的數(shù)據(jù)交換，將機床的當(dāng)前狀態(tài)、系統(tǒng)信息、坐標(biāo)信息、參數(shù)信息和圖形仿真信息等通過LCD向用戶顯示出來，屬人機交互的一部分。

　　(5) 鍵盤控制模塊，它是數(shù)控系統(tǒng)交互的重要環(huán)節(jié)，鍵盤擴展電路有多種實現(xiàn)方式，設(shè)計采用CPLD 來實現(xiàn)專用鍵盤接口芯片的設(shè)計方案，這種設(shè)計方案，既保證了設(shè)計的通用性和靈活性，同時所有的鍵值判斷等可通過CPLD 編程來實現(xiàn)，最大限度節(jié)省了MC68F375的資源。

　　(6) 數(shù)據(jù)采集模塊，當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)越來越重視對現(xiàn)場加工條件和機床工作狀態(tài)的實時監(jiān)控和診斷，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計主要是基于MC68F375片上集成的16 路QADC，外加抗混濾波單元和信號調(diào)理單元。

　　(7) 主軸控制模塊，由D /A控制芯片和編碼器反饋高速輸入口組成，能夠完成對單極性和雙極性模擬變頻主軸的控制。

　　(8) 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，為了適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢和數(shù)控機床遠程控制和遠程診斷的發(fā)展需要，設(shè)計采用Realtek公司的10Mbps網(wǎng)絡(luò)通訊芯片RTL8019進行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計，為機床的網(wǎng)絡(luò)化提供了硬件基礎(chǔ)。

　　(9) CAN 總線接口，主要由CAN 總線收發(fā)器和光藕元件組成，與MC68F375 片上集成的TouCAN 模塊一起構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)CAN 總線通訊功能的硬件基礎(chǔ)。

　　(10) BDM 調(diào)試接口，用于數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段，在上位計算機上，開發(fā)人員通過BDM 可方便地對數(shù)控系統(tǒng)進行開發(fā)調(diào)試。

　　(11) COM 串行接口，主要利用MC68F375 片上集成的QSM 的SC I子模塊，外加芯片驅(qū)動電路(如MAX238等) ，構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)與個人計算機之間串行通訊的硬件基礎(chǔ)。

　　(12) I/O接口，主要完成內(nèi)置PLC對外部機床電氣的控制，電機控制輸出和其他功能模塊的對外輸出,由驅(qū)動元件、繼電器元件和光耦隔離元件等組成。通過上面對嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件框架的搭建和各個硬件功能模塊的分析可知，本文設(shè)計的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)除保留了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的功能外，特別加入了數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和CAN 總線通訊模塊，通過這3個模塊，設(shè)計出的數(shù)控系統(tǒng)能很方便地實現(xiàn)與現(xiàn)場其他設(shè)備的總線連接和網(wǎng)絡(luò)通訊，更易于實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的遠程診斷、監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造。

2 基于RTOS的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺的研究

　　以前的數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計通常通過一個無限循環(huán)來判斷任務(wù)的標(biāo)志量，通過中斷(定時中斷和鍵盤中斷)來激活新的任務(wù)，進入固定的任務(wù)中斷程序入口，來實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度。 在這種單任務(wù)且無任務(wù)運行環(huán)境調(diào)度方式下，系統(tǒng)的大多數(shù)時間被任務(wù)等待的無限循環(huán)占據(jù)了，在任務(wù)處理的過程中，其他的同等級的任務(wù)無法使用CPU 的資源，無法進行任務(wù)之間有效的上下文切換，導(dǎo)致了系統(tǒng)的實時性十分不可靠。 同時，如果任務(wù)在執(zhí)行過程中需要等待信號，或延時信號處理，當(dāng)這種延時不可預(yù)計的情況下，就可能占據(jù)大量的系統(tǒng)時間，就會造成對系統(tǒng)資源的大量浪費，導(dǎo)致無法響應(yīng)更緊急的任務(wù)，這種無限的等待情況會導(dǎo)致許多不可預(yù)計的后果。 針對單任務(wù)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)的不足，本設(shè)計在數(shù)控系統(tǒng)軟件構(gòu)建中引入基于VxWo rks嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)作為系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度基礎(chǔ)。

　　2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks特點簡介

　　VxWorks操作系統(tǒng)是美國W indR iver公司設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)( RTOS)。 系統(tǒng)具有如下特點: ① 內(nèi)核可裁剪，具有極好的伸縮性; ②成熟高效的任務(wù)調(diào)度機制，支持優(yōu)先級和時間片輪番調(diào)度法; ③ 任務(wù)間通訊手段靈活快速，支持信號量、消息隊列和互斥等多種通信方式; ④ 豐富的板級支持軟件包( BSP) ，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，減少了開發(fā)的工作量; ⑤ 強大的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)支持，簡化了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的工作,系統(tǒng)集成TCP / IP協(xié)議的支持; ⑥ 支持多種文件系統(tǒng);⑦ 具有集成開發(fā)環(huán)境TORNADO 的支持，界面友好,能夠?qū)ο到y(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和占用的時間片進行實時監(jiān)控，提高系統(tǒng)的利用率，充分發(fā)揮系統(tǒng)性能; ⑧ 功能可擴展，根據(jù)千變?nèi)f化的嵌入式應(yīng)用，除提供基本的內(nèi)核功能外，還可以根據(jù)需要加入功耗控制、嵌入式文件系統(tǒng)、嵌入式GU I系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫，用戶也可以根據(jù)自己的需要利用VxWorks的功能擴展接口，開發(fā)出自己的功能; ⑨ 內(nèi)核可剝奪性，即當(dāng)前系統(tǒng)總是運行就緒狀態(tài)下優(yōu)先級最高的任務(wù)。

　　2.2 基于VxWorks的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)層次化軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本文設(shè)計的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的層次化軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由以下3部分組成。

圖2 基于VxWorks的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

　　(1) 底層硬件驅(qū)動層。 硬件驅(qū)動程序的主要功能是為上層軟件提供良好的函數(shù)調(diào)用接口，完成對系統(tǒng)硬件資源的抽象，屏蔽掉底層的硬件細節(jié)。 通過抽象底層硬件的物理行為，使上層用戶實現(xiàn)對硬件功能的調(diào)用。 硬件驅(qū)動程序單獨分層的編程思想為系統(tǒng)的升級提供了良好的條件，當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)計發(fā)生變化時，上層軟件不用做過多的修改，仍可以通過原有的接口實現(xiàn)硬件的調(diào)用，只需要修改底層驅(qū)動就可以了。 另外，硬件驅(qū)動程序的提出能夠方便項目開發(fā)，軟硬件協(xié)同進行設(shè)計。

　　(2) 實時操作系統(tǒng)層。 設(shè)計采用了實時性操作系統(tǒng)VxWorks作為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度與開發(fā)平臺，本層的主要功能是處理由外部或內(nèi)部事件引發(fā)的中斷、設(shè)備驅(qū)動層的激活以及執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度。

　　(3) 系統(tǒng)應(yīng)用層。 它是在VxW orks的基礎(chǔ)上，通過對VxWorks的接口函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)的具體的應(yīng)用功能，如交互模塊、控制模塊等。 在本設(shè)計中，各種任務(wù)以應(yīng)用程序的形式集合在應(yīng)用層，服務(wù)于不同的功能模塊。 VxW roks根據(jù)每個任務(wù)的要求，進行資源管理，對MC68F375、MCX314、存儲器和外設(shè)的資源進行合理分配，實現(xiàn)消息管理、任務(wù)調(diào)度和異常處理等工作。 在VxW orks的支持下，每個任務(wù)都被分配一個優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級別的高低，動態(tài)切換各個任務(wù)，以保證實時性要求。

　　可以看出，設(shè)計采用分層型模塊化軟件結(jié)構(gòu)和實時性操作系統(tǒng)相結(jié)合的軟件設(shè)計方案，這種設(shè)計方法的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)軟硬件設(shè)計的并行開發(fā)，VxWorks作為系統(tǒng)的硬件驅(qū)動層與應(yīng)用層之間的橋梁,使應(yīng)用層的函數(shù)調(diào)用完全屏蔽掉了硬件細節(jié)，層與層之間只需要通過定義好的接口函數(shù)進行通訊，使得上層的軟件開發(fā)不必顧慮硬件設(shè)計。 這種軟件設(shè)計模式,實際上是軟硬件交叉進行、并行設(shè)計的過程，在設(shè)計的開始階段，通過軟硬件的協(xié)商，定義系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，一旦系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計完成，軟硬件設(shè)計就可以獨立進行了。 等軟硬件設(shè)計完成后，再集成一體進行集成測試，使系統(tǒng)的開發(fā)周期縮短到最小，極大地提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2.3 基于VxWorks的數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度機制的實現(xiàn)

　　2.3.1 數(shù)控系統(tǒng)中任務(wù)的劃分

　　數(shù)控系統(tǒng)是一個專用性很強的多任務(wù)調(diào)度運行系統(tǒng)，按照任務(wù)運行實時性強弱的劃分方法，一般將數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分為管理任務(wù)和控制任務(wù)2大類。 如圖3所示，其中控制類任務(wù)的工作與數(shù)控加工直接相連,對實時性要求高，而管理類任務(wù)的工作對實時性的要求相對較低。 系統(tǒng)的控制任務(wù)又可細分為位置控制、軌跡插補、指令譯碼、I/O 控制、誤差控制、狀態(tài)實時監(jiān)控與故障診斷等子任務(wù); 系統(tǒng)的管理任務(wù)則包括人機交互管理、顯示管理、數(shù)據(jù)管理、通信管理和網(wǎng)絡(luò)管理等子任務(wù)。 而且，在實際的開發(fā)設(shè)計中可根據(jù)需要對各個子任務(wù)進行進一步細分，形成一個任務(wù)集合，任務(wù)集合中的任務(wù)都必須根據(jù)外部事件及時被激活運行，同時結(jié)合具體的加工情況，由V xWorks統(tǒng)一調(diào)度，動態(tài)地對任務(wù)進行優(yōu)先級控制，以適應(yīng)不同加工任務(wù)的要求。當(dāng)有高優(yōu)先級的任務(wù)進入任務(wù)列表時，內(nèi)核通過優(yōu)先級搶占調(diào)度方式切換到高優(yōu)先級的任務(wù); 當(dāng)同等優(yōu)先級的多個任務(wù)進入任務(wù)列表時，內(nèi)核通過時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法實現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)控制。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)中任務(wù)的劃分

　　2.3.2 數(shù)控系統(tǒng)中多任務(wù)調(diào)度機制的實現(xiàn)

　　圖3中劃分出的數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)由VxWo rks進行統(tǒng)一調(diào)度，由前面分析可知VxW orks支持優(yōu)先級和時間片輪番調(diào)度法，現(xiàn)將圖3中的控制任務(wù)按照優(yōu)先級由高到低的順序排列如下: 位置控制、軌跡插補、誤差控制、I/O 控制、指令譯碼、實時監(jiān)控、故障診斷; 而管理任務(wù)的優(yōu)先級要比控制任務(wù)的優(yōu)先級都低，系統(tǒng)設(shè)計中對管理任務(wù)的5個子任務(wù)采用時間片輪番調(diào)度法,即它們擁有相同的優(yōu)先級，任務(wù)調(diào)度的示意如圖4所示。 在系統(tǒng)完成初始化后自動進入時間分配環(huán)中，在環(huán)中依次輪流處理各項管理任務(wù)。 在環(huán)中輪流處理各項管理任務(wù)時，只要當(dāng)前時間片結(jié)束，不論當(dāng)前任務(wù)是否完成，都要暫時釋放CPU，把CPU 讓給另一個就緒的任務(wù)，直到再次輪到該任務(wù)的時間片時，再重新占用CPU，自動跳轉(zhuǎn)到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。 而對于系統(tǒng)中的實時性強于管理任務(wù)的控制任務(wù)則按優(yōu)先級排隊，分別分配不同的優(yōu)先級，由于環(huán)外的任務(wù)優(yōu)先級均高于管理任務(wù)，環(huán)外的任務(wù)可以隨時通過優(yōu)先級搶占的任務(wù)調(diào)度方式中斷環(huán)內(nèi)的任務(wù)執(zhí)行，占用系統(tǒng)資源。 當(dāng)有多個同等級的任務(wù)進入任務(wù)就緒隊列時(如零件加工時多軸的位置控制任務(wù))，根據(jù)時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式形成新的當(dāng)前任務(wù)調(diào)度環(huán)，保證同優(yōu)先級的任務(wù)并發(fā)進行。 同理，這種任務(wù)的搶占和調(diào)度機制也適用于其他不同優(yōu)先級的任務(wù)。

圖4 基于VxW orks的數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度機制示意

3 數(shù)控系統(tǒng)引導(dǎo)型二次開發(fā)平臺理論模型的研究

　　數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)功能的強弱在一定程度上代表了其開放性的好壞，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式、設(shè)計特點和數(shù)控系統(tǒng)的功能特征，本文設(shè)計了一種適合嵌入式數(shù)控系統(tǒng)、具有引導(dǎo)功能的數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的理論模型，如圖5所示。 二次開發(fā)平臺采用一種引導(dǎo)開發(fā)的模式，借助于預(yù)先定義的各種信息庫，將使用特殊語言描述的用戶功能要求轉(zhuǎn)換成信息庫中特定策略的組合，然后通過與MCU 相匹配的代碼編譯器，將策略描述翻譯并通過計算機的并口經(jīng)由下載電纜傳送至數(shù)控系統(tǒng)的仿真開發(fā)接口。

圖5 二次開發(fā)平臺的理論模型

　　二次開發(fā)環(huán)境包括語言描述和引導(dǎo)設(shè)置2種開發(fā)方式。 語言描述方式采用結(jié)構(gòu)化的功能機制，預(yù)先定義出系統(tǒng)擴展的算法結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)算法的提示加入自己功能要求的描述。 二次開發(fā)平臺提供獨立的結(jié)構(gòu)化描述語言，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，以功能對象群組的構(gòu)成方式來完整描述數(shù)控組件對象的特定工作狀態(tài)。 語言描述方案，可以通過靈活定義的算法規(guī)范深入系統(tǒng)內(nèi)部的軟件構(gòu)成細節(jié)，適用于系統(tǒng)底層策略方案的自定義配置。 引導(dǎo)設(shè)置采用開發(fā)向?qū)У男问揭詧D形化詢問界面來定制用戶的擴展需求，一般用于較為簡單的擴展開發(fā)。

4 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

　　成功搭建出了以MC68F375+ MCX314為基礎(chǔ)的硬件開發(fā)平臺，規(guī)劃出了以嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)VxWorks為核心的層次化系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)和任務(wù)調(diào)度機制，開發(fā)出了TDNCM4 數(shù)控系統(tǒng)原型機，該系統(tǒng)能用于控制車床、鉆銑床，可控制4個進給軸和1個模擬主軸三軸聯(lián)動，具有直線插補和平面圓弧插補、螺旋線插補和空間圓弧( C IP) 插補等控制方式，能進行螺紋加工、變距螺紋加工等，可通過Internet進行數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)化制造，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于TDNC-M40A 四軸加工中心的設(shè)計上，如圖6 所示。 經(jīng)實驗證明，該數(shù)控機床工作穩(wěn)定，性能可靠，主軸轉(zhuǎn)速最高可達6 000 r/m in，切削進給X、Y、Z 可達0~10 000mm /m in，定位精度X、Y、Z 可達? 0.005mm，重復(fù)定位精度X、Y、Z 可達? 0.003 mm，目前已被應(yīng)用于天津大學(xué)數(shù)字化制造與測控技術(shù)研究所的一般金屬切削加工和工業(yè)陶瓷加工的實驗。

圖6 TDNC-M40A四軸加工中心

5 結(jié) 語

　　本系統(tǒng)設(shè)計的最大特點是將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計中來，針對基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)在穩(wěn)定性、實時性等方面的不足，提出利用控制性能更加穩(wěn)定和優(yōu)異的MCU 以及運算性能更加強大的專用DSP芯片，為雙CPU 架構(gòu)構(gòu)建嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺,利用性能優(yōu)異的嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWo rks作為數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)來統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)運行的各個任務(wù)，使系統(tǒng)擁有了更佳的實時性和穩(wěn)定性，初步研究了數(shù)控系統(tǒng)引導(dǎo)型二次開發(fā)平臺的理論模型，開發(fā)設(shè)計出TDNCM4數(shù)控系統(tǒng)的原型機，探索出了一條數(shù)控技術(shù)研究和開發(fā)的新渠道-嵌入式數(shù)控技術(shù)。