嵌入式网络数控技术与系统

　　0 前言

　　数字控制技术的发展，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(CoInputer numericcontrol，CNCl，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。

　　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+国家自然科学基金重点资助项目(5033020)。20060622收到初稿嵌入PC等)和PC全软集成NC等系统结构，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。

　　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。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。

　　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。

　　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 uIlit，MPU)、微控器(Micro和数字信号处理器。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)。

　　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，并成为未来数字制造发展方向之一。

　　1 嵌入式系统的模型与特点

　　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

　　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。

　　图1 嵌入式系统模型系统

　　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。

　　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。

　　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～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。

　　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。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。

　　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。

　　2 嵌入式新型网络数控系统体系结构

　　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。

　　图3 嵌入式新型网络数控系统硬件结构

　　(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;位置迸给控制及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。

　　(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～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。