嵌入式网络数控技术与系统

摘要：指出基于通用PC 的数控技术存在系统资源与需求不匹配、操作系统不适应于实时控制、系统的核心硬软件不具有自主知识产权等问题，认为嵌入式技术是网络数控技术与系统未来发展的方向之一。提出一种基于嵌入式技术的网络数控系统硬件和软件体系，开发与仿真环境。硬件结构由显示及输入装置、嵌入式数控单元、嵌入式可编程序逻辑控制器、嵌入式伺服控制模块、高速现场总线和以太网共同组成，软件体系结构由控制与运算软件、组态软件模块、嵌入式操作系统、辅助设计系统和控制仿真系统组成，能够实现基于通用PC 数控系统的所有功能。规划了嵌入式网络数控软件自动生成与辅助开发过程，以及嵌入式可编程序逻辑控制器辅助开发与软件生成过程。提出嵌入式新型网络数控系统中央数控单元硬件实现方案，搭建起中央数控单元先进精简指令集处理器和数字信号处理器的软件架构。基于嵌入式技术的网络数控系统的最大特点是中央数字控制单元不再是一个通用的计算机系统，而是一个嵌入式计算机系统，不但运算能力强、结构灵活和成本低廉，而且具有通用性强、可组合、易扩展、可伸缩和开放性等特点。管道切割机，相贯线切割机
关键词：网络数字控制嵌入式体系结构 先进精简指令集处理器 数字信号处理器管道切割机，相贯线切割机

0 前言

       数字控制(Numeric control，NC)技术的发展，到目前为止经历了分立元件系统、专用计算机系统和通用计算机系统等阶段。在最初的分立元件系统阶段，数控运算是由各种逻辑电路组合来实现的，这种系统的所有数控功能均由硬件系统完成。随着计算机技术，特别是微处理器技术的迅速发展，出现了基于微型或小型计算机的数控系统，这种数控系统又称为计算机数字控制系统(Computer numericcontrol，CNC)，这时的数控系统采用的计算机平台是专为数控而设计，并在20 世纪60～80 年代得到广泛的应用，但是当时全球只有少数几家技术及财力雄厚的企业(如德国的西门子、美国的GE、日本的FANUC)才有能力开发这种专用计算机数控系统。管道切割机，相贯线切割机
       自 20 世纪80 年代起，基于16 位、32 位的微处理器得到迅猛的发展。通用PC 在计算能力、处理速度、人机交互和开发环境等方面都有了快速的发展。因此，许多企业、研究机构开始采用基于(工业)PC 的数控技术与系统。目前，基于通用 PC 的开放式数控技术得到迅速发展，出现了PC+NC(又可分为PC 嵌入NC、NC嵌入 PC 等)和PC 全软集成NC 等系统结构[1-5]，但是也应该看到这种基于通用PC 的数控技术与系统还存在一些无法回避的问题。由于PC 机最初是针对数据处理、文件管理而设计的，因此其结构相对复杂，成本较高。更为重要的是，由于PC 系统的硬件不是针对实时控制设计，不能很好地满足实时控制的要求，例如数控系统的硬件功能没有现成的模块可利用，往往需要进行硬件扩展以满足实时控制的需要，同时PC 提供的不少功能是实时控制中不需要的，而且PC 系统的操作系统也不是针对实时控制而设计的。管道切割机，相贯线切割机
       随着网络技术的发展，数控技术的网络化已成为数字制造技术的发展方向[5-7]。目前数控系统本身的许多计算和处理功能，除实时控制功能外，将来必将由远程控制完成，也就是说随着数控技术的网络化发展，现场每一个制造设备的数控系统在整个网络制造环境中将成为一个简单的执行单元，或者说是网络的一个节点。在这种趋势下，数控技术与系统必须适应未来网络技术和数字制造发展的需要，而嵌入式系统与工业通用PC 比较，在适应网络化方面有其独特的优势[8]。管道切割机，相贯线切割机
       采用基于工业 PC 的数控技术平台存在另外一个无法回避的问题就是系统的核心硬软件没有自主知识产权。目前工业控制机使用最多的操作系统是Windows 及其硬软件模块并非自主开发，而嵌入式技术则可以通过硬软件自主开发，操作系统和系统模块的剪裁，最终形成完全具有自主知识产权的基于嵌入式的新型网络数控系统。管道切割机，相贯线切割机
       嵌入式系统是“嵌入到受控对象或宿主系统中的专用计算机系统”。随着计算机技术的发展，目前已出现了32 位甚至64 位嵌入式中央处理器芯片，如美国MIPS 公司的MIPS64。嵌入式系统所采用的中央处理器根据其设计目的用途，可大致分为微处理器(Micro processor unit，MPU)、微控器(Microcontrol unit，MCU)和数字信号处理器(Digital signalprocessing，DSP)。用于嵌入式系统的中央处理单元具有指令简单丰富、指令执行快等特点，且有硬件浮点运算指令，实现硬件单、双精度浮点运算，从而大大增强了嵌入式系统的计算能力。
       目前，有的嵌入式处理芯片将多种处理器(如MCU 和DSP)集成到一块芯片形成针对特定应用的专用处理芯片。这种芯片不但大大地增强了嵌入式系统的能力，而且简化了系统的开发。一块嵌入式处理器芯片几乎提供了实时控制系统所需的所有硬件功能，可以实现整个控制系统的基本功能，即所谓片上系统(System on chip，SoC)。管道切割机，相贯线切割机
       嵌入式系统发展的另一个重要趋势是网络化，即通过串行通信、总线技术和以太网，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。
       在嵌入式硬软件开发环境方面，开发工具也越来越丰富和完善，比如联合测试行动小组(Joint testaction group，JTAG)测试工具使得硬件的调试、测试变得非常容易。在软件方面，针对嵌入式系统，目前人们开发了许多针对实时控制而设计的嵌入式实时操作系统(Real-time operating system, RTOS)[9]以及相应的软件开发环境。总之，嵌入式技术具有很好的应用性、很强的适应性、资源利用充分、系统紧凑、开发和调试方便等明显的特点。
      正是由于嵌入式技术有以上特点，嵌入式技术受到人们的高度重视，在诸如机电控制、数字制造、检测与传感、实时状态监控与故障诊断等工业领域得到越来越广泛的应用[10-15]，并成为未来数字制造发展方向之一。管道切割机，相贯线切割机

1 嵌入式系统的模型与特点管道切割机，相贯线切割机

       嵌入式技术与系统由于资源利用充分、系统紧凑，以较低的成本提供了丰富的功能和卓越的性能；由于嵌入式系统能够方便地进行软硬件功能裁减，不会因此造成资源浪费，从而为数控技术与系统提供了最优的性能价格比；嵌入式系统由于具有通用串行接口、多种现场总线接口和以太网接口，能够方便地组
成各种数字制造所需的网络；采用嵌入式技术能够实现完全自主知识产权，这对发展自主知识产权的未来新型网络数控技术与系统创造了很好的条件。

1.1 嵌入式系统模型管道切割机，相贯线切割机

       嵌入式系统模型如图 1 所示。从物理层面上来理解，嵌入式计算系统可以认为是一个专用的电子系统，这个专用的电子系统通常被包含在一个较复杂的非电子系统中，这就是“嵌入式”的直观意义。一个较复杂的非电子系统可以抽象成嵌入式系统的外部环境，称之为被嵌入的系统。整个系统中所包含的嵌入式系统一般有多个，且嵌入式系统也能直接与外界通信。管道切割机，相贯线切割机

       嵌入式系统可为被嵌入系统提供一个专门的服务，该服务可以是对外界输入的响应，直接来自外界；也可以是对被嵌入系统或相邻的嵌入式系统数据的响应。管道切割机，相贯线切割机

     现代机电控制系统，在这样一个分布式系统中，各处理单元通过网络连接，可构成如图2 所示的基于网络的嵌入式系统结构。这里，网络的概念是广义的，可以是以某种介质互连的松耦合结构，也可以是以SoC 方式的片内网络，即构成NOC(Networkon chips)。管道切割机，相贯线切割机

1.2 嵌入式系统的可重构功能

      嵌入式系统的中央处理单元一般采用精简指令集计算技术, 综合比较专用芯片方法和微处理机方法，人们希望找到一种新的技术路线与方法，使它既具有专用芯片的高性能、高速度和高可靠性，又具有微处理器的高度“柔性”和强大的可编程功能。这就是嵌入式系统的可重构功能。
      由于现场的编程门陈列技术的发展，可重构技术自20 世纪90 年代以来得到迅速发展，并获得广泛应用，如在目标识别、字符模式匹配、数据压缩和遗传算法等方面都获得很大成功。新发展的嵌入式可重构计算，很难说清是属于哪一种类型的可重构，因为从虚拟器件的角度来看，它可以实现电路级、指令级、结构级和软件级等各级的可重构；从现场可编程门阵列(Field programmable gate array，FPGA)的技术来看，动态可重构和静态可重构都不是问题；从IP 核技术来看，既可以认为是软件可重构，也可以是硬件可重构。管道切割机，相贯线切割机
      计算功能的实施看成是由时间和空间构成的二维结构，传统的微处理器在空间维上是固定不变的，而在时间维上是可变的，或者说是可编程的，所以处理器的功能可以发生改变，是在于其时间维上的可变性。专用芯片的特点是功能固定，即空间维和时间维都是不可变的。嵌入式系统基于FPGA，其特点是介于两者之间，它综合了微处理器和专用芯片的特点，实现了空间维和时间维上均可变。管道切割机，相贯线切割机
      可重构是在软件的控制下，利用可重用资源，重构或重组计算平台，以适应不同的应用需求。可重构的基础是可重用资源，在FPGA 出现之前，可重构计算系统采用重组的方式，其重用资源是功能部件；FPGA 出现后，其重用资源是基本的门和线，通过配置文件，定义每个门的性质和线的连接，改变硬件的功能。从广泛的意义上讲，这种功能包含了硬软件的可重构。管道切割机，相贯线切割机
       由于嵌入式系统的可重构功能以及硬软件可剪裁的特点，从而为网络数字控制技术与系统的设计和实现提供极大的方便，同时也使网络数字控制系统的开放性和重用性成为可能。管道切割机，相贯线切割机

2 嵌入式新型网络数控系统体系结构管道切割机，相贯线切割机

2.1 嵌入式网络数控硬件体系结构
嵌入式新型网络数控系统硬件结构如图3 所示。整个硬件体系主要包括如下部分。管道切割机，相贯线切割机

        (1) 显示及输入装置。显示及输入装置实现现场人机交互，操作命令的输入，手摇脉冲输入，加工状态的显示等功能。

        (2) 嵌入式数控单元。嵌入式数控单元是数控系统的中央控制单元，完成如下功能：显示与输入装置相连，完成人机交互；加工代码的编辑或获取；编译；插补、刀补运算及间隙补偿；位置进给控制及M、S、T 等指令执行；通过异步串行总线(采用MOD BUS 协议)将逻辑控制指令发给PLC；负责对系统的监控(如监控PLC 和伺服控制系统)；通过以太网与外部网络连接，实现整个数控系统的网络化开发、调试、运行、管理、监控和诊断等。
        (3) 嵌入式PLC。嵌入式PLC 完成数控系统的各种逻辑控制，具有通用PLC 的功能。该模块通过异步串行总线与中央数控单元相连，通过MODBUS 协议接受控制命令，也可通过异步串行总线报告状态信息。嵌入式PLC 既可以由多个独立的PLC模块组成，也可以由一个PLC 主模块加几个扩展模块组成。
        (4) 嵌入式伺服控制模块。嵌入式伺服控制模块通过高速现场总线(CAN 总线)，或者通过进给脉冲和方向控制信号，接受控制系统的各轴进给命令，通过控制伺服电动机完成加工位置的控制。嵌入式伺服控制模块通常包含位置环和速度环控制。一个嵌入式伺服控制模块可以控制一个或多个轴。一个嵌入式网络数控系统可以有一个到多个相同或不同的嵌入式伺服控制模块，各嵌入式伺服控制模块都连到高速现场总线。
        (5) 高速现场总线。高速现场总线主要用于传送实时性要求很强的数据和命令，如伺服进给量，也可以传送位置、状态信息到数控单元。高速现场总线可采用CAN(Controller area network)总线。异步串行总线则主要用于数控单元与PLC模块间以及PLC模块间的命令和数据传送，总线数据交换采用MOD BUS协议。管道切割机，相贯线切割机
        (6) 以太网。以太网用于同车间网、企业网甚至互联网相连。通过以太网接口，可以进行加工程序的传送、远程操作、状态监控和故障诊断等。嵌入式新型网络数控系统的最大特点是中央数字控制单元不再是一个通用的计算机系统，而是一个嵌入式计算机系统，具有运算能力强、结构灵活、成本低廉等特点。嵌入式数控系统的其他单元，如伺服控制单元、PLC 单元、显示单元等也可以是不同结构和不同层次的嵌入式系统。系统是由一系列的组态嵌入式控制单元或模块组成，这些单元或模块按通用的目标设计，而非针对特定的对象和环境，如嵌入式中央数字控制单元、嵌入式伺服控制单元(或嵌入式运动控制系统)、嵌入式PLC 单元、嵌入式显示键入单元等(或人/机交互单元)。通过选择适当的单元或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 的I/O 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。管道切割机，相贯线切割机

2.2 嵌入式网络数控软件体系结构
        图 4 中嵌入式操作系统，采用适合于经过剪裁的嵌入式操作系统，如uC/OS 等。嵌入式操作系统既可提供现场图形显示，又可提供远程图形显示和实时控制，该操作系统是针对实时控制设计的。

       组态软件模块是针对特定的功能而设计的，按标准接口和约束开发的通用性设计，如加工代码编译模块、插补计算模块、人/机交互模块、运动控制模块和网络通信模块等。管道切割机，相贯线切割机

        控制与运算软件如数控程序、PLC程序、伺服运动控制软件等。
        辅助设计系统用于数控单元、PLC单元和伺服控制单元软件、代码的辅助开发以及代码的自动生成。对于数控单元、PLC单元和伺服控制单元，分别有相应的辅助设计系统。其中数控软件辅助开发系统，包括数控系统定义、软件自动生成和软件下载三部分。
       数控系统定义模块通过专门开发设计的数控描述语言(Numerical control description language,NCDL)对加工对象、环境、实现的功能(如插补算法等)和指标(加工精度)进行描述，对相应的嵌入式控制模块型号及组态软件模块版本进行选择。
       这里需要进行嵌入式控制模块型号的选择，是因为实现同样功能的硬件模块可能有不同功能结构，并且有多种型号；同样地，需要进行组态软件模块版本的选择，是因为实现同样功能软件模块可能有不同功能结构和特定要求，并且有多种版本。
        数控软件自动生成模块则根据NCDL描述的数控系统定义，自动生成相应的最佳组合和匹配的数控软件。数控软件下载则将生成的数控软件下载到对应的嵌入式数控系统中。管道切割机，相贯线切割机
        嵌入式新型网络数控软件自动生成与辅助开发过程见图5。管道切割机，相贯线切割机

       整个过程与 FPGA 的开发非常相似。在FPGA中，用户根据需求选择适当的FPGA 硬件，定义控制逻辑，FPGA 代码生成软件根据控制逻辑自动生成FPGA 烧断代码，然后通过FPGA 烧断系统完成FPGA 硬件内部逻辑的组合。管道切割机，相贯线切割机

      嵌入式 PLC 辅助开发系统主要包括PLC 指令或T 型图编写、运行指令编译和运行代码下载。传统的PLC 采用的是解释执行方式，即使用者按PLC指令或T 型图编写控制逻辑，然后PLC 程序对PLC指令或T 型图进行实时解释执行。本系统采用编译执行方式，即将PLC 指令或T 型图编写控制的逻辑编译为C 代码，然后编译为对应硬件的可执行代码，这样执行速度快，更适合于实时控制。嵌入式PLC辅助开发与软件生成过程见图6。嵌入式伺服控制辅助开发与软件生成过程见图7。管道切割机，相贯线切割机

       测试、验证/仿真系统为嵌入式控制模块提供增强现实仿真环境，即通过将嵌入式硬件嵌入到软件仿真环境或软、硬件仿真混合环境进行仿真，换言之，将控制硬件模块嵌入到虚拟的，或虚拟与现实混合环境进行仿真。这种仿真系统既接近现实，又调试方便。数控单元、PLC 单元和伺服控制单元有相应的控制仿真系统。对于中央数控单元、PLC 单元和伺服控制单元分别有相应的增强现实仿真环境。通过仿真可大大降低系统开发成本，减少系统开发周期。

2.3 嵌入式新型网络数控系统特点管道切割机，相贯线切割机
       这种基于信息资源的新型网络式数控系统，其网络包括多种通信网，从连接控制系统内部现场模块的现场总线网，连接不同的控制系统的车间网，到企业网、互联网，乃至个人通信网。资信息源包括分布在网上的所有计算、通信(如通信带宽)、软件、加工程序和存储资源。个人通信网也以是网络式数控系统的资源，这是因为个人通信的终端，如手机、PDA 等移动设备，都可以作为网络数控人机(远程)交互的终端。
        这种新型的网络式数控系统不再是一个将所有功能几乎全部实现在单一计算机上的、相对封闭的控制系统，也不再是一般联网了的数控系统， 而是具有如下功能特点的数控系统。管道切割机，相贯线切割机
       新型网络式数控系统基于网上所有可用信息资源而构建，并充分利用这些信息资源，实现信息资源共享。该系统可以最充分地利用各种信息资源和先进信息技术。管道切割机，相贯线切割机
       新型网络式数控系统将由现场必不可少的硬件(物理)功能模块(如检测单元、驱动单元)和网上的软件(逻辑)模块(软件程序、组件)组合集成，并且软件与硬件模块之间的耦合很低，或者说，由于网络上软件模块不依赖现场硬件环境和特性，可实现软硬件设计。
       新型网络式数控系统也是一个结合了嵌入式技术和工业通信技术、大脑在网上、即插即用的数控系统。一台数控机床只需配备现场控制必需的具有工业通信功能的嵌入式系统(如控制器、执行器和检测器)，通过工业通信插入到控制网上，获得所需其他功能。工业通信将数控系统的现场系统与车间网、企业网、互联网相联。管道切割机，相贯线切割机
       新型网络式数控系统还是一种具有多形态、多形式、多层次集成的柔性数控系统。系统的软件结构和组成功能模块动态生成并可变化，系统在硬件组成不变的情况下，软件的组成结构、功能可以根据需求，通过资源的协商与分配，动态地在网上生成、组成和变化。软件的组成、功能可随时进行更新、升级，并且一台数控机床可以对应控制网上的多个不同的网络数控系统。数控系统可以是由分布在网络上的组件组成的单控制系统；也可以是由一台数控服务器向多台数控系统提供功能的服务型数控系统；还可以是由多台数控服务器(甚至分布在不同地域)，通过资源共享，实现协同计算与控制的分布协同式数控服务网(或数控网格)，从而实现软硬件的可重构功能。管道切割机，相贯线切割机
       另外，这种新型网络数控系统具有多形式、异构人机交互界面。而这种多形式、异构的人机交互界面通过网络与数控系统相连，并且系统可并发支持多个、多种人机交互界面。管道切割机，相贯线切割机
       总之，系统具有体系、功能和实现方式上的柔性，真正具有通用性、组合性、适应性、可扩展性、可伸缩性、易用性以及结构简单和开放性等特点。

3 嵌入式数控系统实现方案管道切割机，相贯线切割机

嵌入式新型网络数控系统中央数控单元硬件实现方案如图8 所示。管道切割机，相贯线切割机

3.1 嵌入式中央数控单元

       嵌入式中央数控单元采用ARM+DSP 结构，ARM 采用32 位S3C44B0X ARM 芯片，DSP 采用32 位高性能DSP TMS320F2812，ARM 和DSP 之间通过串口交换数据。还有JTAG 硬件调试功能。中央数控单元DSP 的CAN总线接口通过CAN驱动接到CAN 总线，数据传送率可达1 MB/s。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。由于TMS320F2812 有四个通用定时器，因此，可以产生四个加工轴的PWM 位置进给脉冲。通过在ARM 上扩展RTL8019AS 芯片，与以太网相连。ARM 的一个UART 通过485 驱动连到异步串行总线，另一个UART 和DSP 的异步串口相连，由于ARM 和DSP 在同一个印制电路板上，它们之间的异步通信速率可到115 kB/s 甚至更高。
       中央数控单元的ARM 运行uC/OS 嵌入式操作系统，除插补、刀补、间隙补偿以外的其他数控主程序运行在ARM上。ARM同显示与键入装置相连，负责人机交互；将编译后的插补代码通过串口发给DSP；ARM 还负责M、S、T 等指令执行，通过异步串行总线(MOD BUS)将逻辑控制指令发给PLC；通过总线，负责系统的监控；另外ARM 还负责与外部网络连接，实现整个数控系统的网络化开发、调试、运行、管理、监控和诊断等。中央数控单元ARM 部分软件架构见图9。管道切割机，相贯线切割机

      中央数控单元的 DSP 主要负责插补、刀补、间隙补偿等运算；DSP 或者通过高速现场总线(CAN总线)将进给量发给伺服控制系统，或者通过PWM及通用I/O 接口，产生最多四路独立的进给脉冲和进给方向控制输出。DSP 可通过高速现场总线获取伺服控制的状态。中央数控单元的DSP 的软件主要模块见图10。管道切割机，相贯线切割机

3.2 显示器及键入装置管道切割机，相贯线切割机

       显示器及键入装置采用 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，因此系统的显示实现将变得非常简单。基于ARM 芯片提供的通用I/O 接口，开发、扩展了键盘、手摇脉冲发生器及其他按键输入电路。

3.3 嵌入式 PLC管道切割机，相贯线切割机
       嵌入式 PLC 由C8051F022 芯片构成的I/O 控制板。嵌入式PLC 通过485 异步串行总线(MOD BUS协议)与中央控制单元相连。本系统可实现多轴联动的直线、圆弧和多项式等多种曲线插补。管道切割机，相贯线切割机

4 结论

       (1) 嵌入式技术具有应用性好、适应性强以及并行的特点。管道切割机，相贯线切割机
       (2) 嵌入式技术与系统具有硬软件可剪裁以及软硬件协同设计的特点，从而使新型数控系统具有更好的可重构性和功能可扩展性。
       (3) 系统中将硬件嵌入到虚拟的或虚拟与现实结合的仿真环境中进行仿真系统不仅开发调试十分方便，而且节省开发费用，减少开发周期。由于嵌入式新型网络数控系统具有功能强、性能高、系统灵活等特点，能够适应不同控制对象的要求。因此这种系统不但能够实现基于通用工业PC的数控系统的所有功能，而且具有更好的性价比有更强的功能。可以肯定，这种基于嵌入式技术的新型网络数控技术与系统将是未来数控技术与系统发展一种崭新方向。

本文作者：周祖德、龙毅宏、刘泉

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