0 引言

　　隨數(shù)著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)互操作需求也越來越迫切，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，國外已提出、建立了相應的工業(yè)標準，如OMAC、OSAC等。基于工業(yè)PC的開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)在國內(nèi)也獲得了人們的廣泛研究和應用，包括對分布式數(shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)的研究。同時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)帶來了新的需求和機會，與此相適應的是數(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)的一個資源節(jié)點，接受和執(zhí)行來自數(shù)字制造網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)、控制命令和狀態(tài)監(jiān)測。

　　目前的數(shù)控系統(tǒng)，無論是軟硬結(jié)合的還是全軟件的，無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機的單機型系統(tǒng)架構(gòu)，即系統(tǒng)以一臺計算機系統(tǒng)(通常是PC機)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機用于數(shù)控有許多的優(yōu)點，但也存在一些無法回避的問題，如PC的數(shù)控系統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)甚至DOS操作系統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)問題或者Linux操作系統(tǒng)的應用軟件支持的缺乏。其次，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)主要采用單機型的系統(tǒng)架構(gòu)，而這種單機型的數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)存在的一個顯著問題是系統(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)的擴展主要基于ISA、EISA、PCI等并行總線進行擴展，但這種擴展方式存在的問題是，一方面擴展槽有限，另一方面這種基于并行總線的擴展是緊耦合式擴展，擴展硬件模塊的研制開發(fā)比較復雜。再其次，在網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字制造環(huán)境下，機床數(shù)控系統(tǒng)已從過去一個獨立的、完整的系統(tǒng)，變成了一個相對簡單的執(zhí)行單元，數(shù)控系統(tǒng)自身的許多功能可以簡化、甚至省略。還有，隨著數(shù)控系統(tǒng)功能越來越豐富，將幾乎所有功能集成在單個計算機系統(tǒng)上將使得軟件系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)變得非常復雜，軟件耦合變得很密切，不利于互聯(lián)和互操作。

　　近來，嵌入式系統(tǒng)的性能不斷提高，價格逐漸降低，且嵌入式技術(shù)與各種通信技術(shù)密切結(jié)合，通過串行通信、現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)，可將嵌入式系統(tǒng)連成現(xiàn)場網(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ECKELMANN公司E*ENC555，但總的來說，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，對系統(tǒng)更緊湊、性價比更高、資源利用更充分、結(jié)構(gòu)靈活、易于擴展、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)

　　為了實現(xiàn)從微小化的角度提高資源利用率、通過系統(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、通過嵌入式實時操作系統(tǒng)方面的研究解決數(shù)控系統(tǒng)在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)下面臨的問題及通過嵌入式Web實現(xiàn)更便捷的遠程控制與監(jiān)測的目標，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設(shè)計，而非針對特定的對象和環(huán)境，通過選擇適當?shù)哪K可以組成一個針對特定對象和環(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不同控制對象和環(huán)境的控制系統(tǒng)一樣。此外，如何將系統(tǒng)分解為多個嵌入式控制器，每個嵌入式控制具體實現(xiàn)哪些功能，采用怎樣的實現(xiàn)技術(shù)都沒有固定的模式；同樣，各嵌入式控制器間采用什么樣的通信技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)也沒有固定的模式，所有這些都是根據(jù)實際需要而定，為了實現(xiàn)互聯(lián)、互操作，不同模塊間的互聯(lián)可定義技術(shù)標準與協(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)場調(diào)試)，用戶可通過與數(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，用戶都可以通過顯示裝置對加工代碼進行查看，同時可以看到加工過程中當前正在加工的代碼及當前加工的狀態(tài)信息。此外，它可實現(xiàn)與基于工業(yè)PC機的數(shù)控系統(tǒng)相同的功能；可通過網(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；可通過專用數(shù)控客戶端軟件實現(xiàn)數(shù)控遠程操作與監(jiān)測；也可通過通用瀏覽器實現(xiàn)數(shù)控遠程操作與監(jiān)測。

2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

　　整個系統(tǒng)主要包括數(shù)控操作與管理、顯示及鍵盤輸入裝置、插補／運動控制模塊、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，外部擴展8M字節(jié)的RAM和2M字節(jié)的E2PROM：兩個UART擴展成兩個EIA RS一485總線接口，一個與插補器／運動控制器模塊相接；在ARM芯片上還擴展了RTL8019As以太網(wǎng)接口芯片，實現(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行顯示控制；基于ARM芯片提供的通用I／O接口，開發(fā)、擴展了鍵盤輸入電路以實現(xiàn)現(xiàn)場編輯和控制功能。

　　插補器／運動控制器采用r11 32位高性能DSPTMS320C2812。它的兩個串行通信接口(SCI)被擴展成兩個RS．485總線接口，一個與數(shù)控操作與管理模塊相連，另一個與PLC模塊相連。TMS320C2812有4個通用定時器，可產(chǎn)生4個加工軸的PWM位置進給脈沖。DSP的通用定時器產(chǎn)生的PWM脈沖作為進給量加上一個I／O信號作為方向控制可用作某個加工軸的進給信號。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微處理器芯片實現(xiàn)。C805lF022 MCU的I／O端口的一個特點是其端口功能可通過軟件設(shè)定，可給嵌入式PLC的應用帶來了很大的靈活性。C8051F022微處理器的兩個串行接口被擴展為兩個RS-485總線接El，一個RS-485總線接口用于同插補器／運動控制器的通信，另一個可用于與PLC擴展模塊(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行環(huán)境和數(shù)控操作與管理應用系統(tǒng)。嵌入式軟件運行環(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)控操作與管理應用軟件系統(tǒng)主要實現(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、人機交互(外擴鍵盤、LCD顯示控制)、操作處理(如點動加工、步進加工、連續(xù)加工、加工啟停與回零等)、與插補器／運動控制器和嵌入式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)等功能運動控制主要模塊及其相互關(guān)系

　　插補／運動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，進給控制模塊首先完成進給量到相應位置控制量(如PWM脈沖寬度)的轉(zhuǎn)換，然后，通過PWM及通用I／O接口控制，產(chǎn)生最多四路獨立的進給脈沖和進給方向控制信號輸出到伺服控制系統(tǒng)(或者通過高速現(xiàn)場總線(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)進給控制模塊給定的參數(shù)，完成各運動軸PWM脈沖發(fā)生器的設(shè)定和控制，產(chǎn)生預期的PWM脈沖控制各加工軸的運動。邏輯控制模塊通過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)控遠程控制專用客戶端

　　數(shù)控遠程控制專用客戶端分為通信模塊和人機交互模塊兩部分。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；人機交互模塊包括G代碼操作、機床控制、機床狀態(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的遠程控制

　　相對于專用客戶端軟件，采用Web瀏覽器作為遠程控制與監(jiān)測客戶端具有簡單、方便、標準化、擴展性好等優(yōu)點。要在嵌入式環(huán)境下支持Web功能，需在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境實現(xiàn)Web Server功能。本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控遠程控制的需求，進行嵌入式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請求與響應；數(shù)控Web應用服務(wù)負責接收、預處理用戶通過瀏覽器提交的操作、監(jiān)控請求，并將有關(guān)請求交嵌入式數(shù)控系統(tǒng)完成，并將結(jié)果返回到瀏覽器。

3 結(jié)束語

　　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、性價比高、易擴展、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，是對現(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)字制造對遠程控制與監(jiān)測的需要。