嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來產(chǎn)生了很多理論和應(yīng)用成果。但是，隨著機(jī)床加工零件復(fù)雜程度越來越大，建立嵌入式數(shù)控系統(tǒng)一致的體系架構(gòu)越來越迫切。沒有體系結(jié)構(gòu)提供通用的方法指導(dǎo)，將各式各樣的軟硬件模塊集成到數(shù)控系統(tǒng)中將是非常繁重且容易出錯(cuò)的工作。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就是要為各個(gè)模塊提供集成規(guī)則和接口規(guī)范，通過這些集成規(guī)則和接口規(guī)范，不同的開發(fā)者能夠構(gòu)建出通用的模塊。利用通用的模塊和通用的集成規(guī)則，可以構(gòu)建不同的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)集成到工控站，由工控站再到工控網(wǎng)絡(luò)乃至更復(fù)雜的系統(tǒng)。嵌入式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性、安全性和開放性。

本文研究了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，并結(jié)合所做工作，介紹了這種體系結(jié)構(gòu)的一種實(shí)例。

1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)必須包含一個(gè)可編程計(jì)算部件，也可以包含多個(gè)，構(gòu)成多CPU系統(tǒng)。嵌入式處理器或控制器種類很多，比較常用的有ARM、嵌入式X86、MCU等，處理器是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算和控制中心，它的架構(gòu)越來越趨向于采用RISC指令集Harvard架構(gòu)。可編程計(jì)算部件，若干年前還是單指處理器或微控制器，而現(xiàn)在卻增加了如FPGA等其它可編程計(jì)算資源。

數(shù)控系統(tǒng)要和操作人員交互，必須有一個(gè)顯示硬件，可以是CRT顯示器，但是一般嵌入式處理器中集成LCD控制器，它提供與DSTN（Dual-Layer Super Twist Nematic，雙掃描扭曲向列液晶屏）或TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶屏）顯示器的接口，通過這個(gè)接口可以直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏。

隨著USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備使用的推廣，平臺(tái)通過USB主控制器實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備的支持和控制。處理器中也可能集成了USB客戶端控制器，方便實(shí)現(xiàn)USB客戶端接口，一般通過這個(gè)接口進(jìn)行上位機(jī)與平臺(tái)間的應(yīng)用軟件調(diào)試。

串口用來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信，在有些伺服驅(qū)動(dòng)裝置中也提供串口連接，因此，也可以通過串口與驅(qū)動(dòng)連接。

外部存儲(chǔ)器總線接口支持各種外部存儲(chǔ)器：SDRAM、RAM和閃存儲(chǔ)器，內(nèi)存一般選用SDRAM，閃存是一類非易失性存儲(chǔ)器，在電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息，這里用來存儲(chǔ)數(shù)控系統(tǒng)程序及配制數(shù)據(jù)。

進(jìn)給軸接口是數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)的橋梁。就現(xiàn)階段經(jīng)常使用的伺服控制系統(tǒng)而言，進(jìn)給控制接口一般有串行式接口、脈沖式接口、模擬式接口等等。

主軸控制接口連接數(shù)控系統(tǒng)與主軸驅(qū)動(dòng)單元，它包含兩個(gè)部分：主軸速度控制輸出和主軸編碼器輸入。

在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)集成的PLC屬于內(nèi)置式，它有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、針對性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要完成主軸轉(zhuǎn)速的S代碼、刀具功能的T代碼以及控制主軸正反轉(zhuǎn)與啟停、主軸換檔、冷卻液開關(guān)、卡盤松緊等M代碼。

傳感器接口用來檢測機(jī)床位置信息，實(shí)現(xiàn)各種控制算法的計(jì)算輸入。

現(xiàn)代制造工程的發(fā)展要求數(shù)控系統(tǒng)間應(yīng)該能夠通過網(wǎng)絡(luò)互連，傳遞命令和數(shù)據(jù)信息，并行完成數(shù)控任務(wù)。因此加入以太網(wǎng)模塊，以便在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。

上述各功能模塊通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接，實(shí)行統(tǒng)一的總線接口規(guī)范。該體系結(jié)構(gòu)中有些功能模塊不是每一個(gè)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)都必須的，可根據(jù)具體要求裁減。

2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)