嵌入式数控系统的体系结构与系统设计（上）

1 概述

    从20世纪中期开始，数控技术经历了6代的发展历程，进入了当前的以工控微机为控制核心的计算机数控时代。工控微机的硬件电路针对通用的数据处理和文件管理而设计，CPU适合于复杂指令集，具有很强的数值计算、逻辑处理和控制功能，但结构复杂，在专用的控制系统中产生了不必要的硬件冗余，多余电路无法裁剪，功耗很大，结果是工作可靠性降低，数控系统的平均无故障时间(MTBF)不能达到正常的生产指标要求。此外，工控微机的硬件不是针对实时控制设计的，不能很好地满足实时控制需要。

    近年来，以ARM、MIPS等为代表的基于精简指令集(RISC)的新一代32位嵌入式微处理芯片，体积小、功耗低、主频高、实时性强、片上资源丰富、支持多数嵌入式操作系统，实现了嵌入式系统的片上集成(SoC)，其特点是软硬件可裁剪，具有多级指令执行流水线，处理速度快，具有硬件浮点运算功能等，大大增强了嵌入式系统的实时计算与控制能力，将之取代工控微机，作为数控系统的控制核心，能显著提高数控系统的可靠性和控制性能。本文研究嵌入式数控系统的体系结构，基于英特尔XscalePXA275的ARMl0微控制器，结合开源的嵌入式Linux操作系统，通过软硬件自主开发，操作系统和系统模块的裁剪设计，控制多台交流伺服电动机伺服进给和系统辅助信号等的功能控制，实现具有自主知识产权的嵌入式多轴联动数控系统的设计。

2 嵌入式数控系统的体系结构

    2．1硬件结构

    根据数控系统的功能水平，可将嵌入式数控系统分为如下两种结构。

    1．基于单微控制器的嵌入式数控系统

    单微控制器嵌入式数控系统，使用单个嵌入式系统，全部功能操作，通过集中控制、分时处理的方式执行。结构框图如图1所示。

图1 单微控制器结构的嵌入式数控系统硬件框图

    6个硬件模块的功能如下：

    (1)嵌入式数控装置。它是系统的控制核心，在嵌入式微控制器上建立有嵌入式操作系统，完成信息处理和实时控制，实现人机交互。在嵌入式操作系统的管理下，处理输入程序、执行译码、刀具补偿和速度处理，进行插补运算和位置控制；执行M、S、T等辅助功能指令，将逻辑控制信号发送给嵌入式PLC，实现系统的功能控制}在系统管理上，还要进行程序开发、调试、监控和诊断等工作。

    (2)嵌入式伺服模块。接受数控核心发出的电动机伺服控制信号，如进给脉冲和方向信号等，通过驱动电路，进行电流环、速度环和位置环的精确控制，驱动伺服电动机，实现多轴联动的轨迹控制。

    (3)嵌入式主轴模块。实现主轴调速和控制主切削运动，采用嵌入式PLC实现主轴的启动和停止，配合主轴驱动电路完成主轴的定位和伺服运动，实现系统的C轴驱动及换刀等功能。

    (4)嵌入式PLC模块18I。实现系统的开关量控制和各种逻辑控制。数控系统的开关量信号很多，包括机床控制面板(MCP)、刀位等控制信号，一般有上百至几千个开关量，仅靠嵌入式微控制器的接口扩展，资源不能满足要求，需要通过PLC的扩展模块得以实现。此外，采用PLC可以实现模／数、数，模转换，实现对模拟量的控制，易于实现伺服进给与主轴转速的倍率控制等。

    (5)显示与输入模块。通过键盘、触摸屏、手摇脉冲发生器等输入装置，输入控制指令；数控系统的实时运行状态通过LCD、指示灯等显示，实现人机友好交互。

    (6)通信模块。主要指RS232、RS485、以太网口、USB等接口模块。嵌入式系统是借助宿主微机来开发其系统软件与应用程序的，一般通过RS232接口进行超级终端显示，通过以太网进行网络文件系统(NFS)的挂载，实现嵌入式操作系统的建立和软件开发。因此通信模块对于嵌入式系统的程序输入与软件开发尤为重要。此外有了以太网口，可方便与局域网、互联网的连接，便于远程操作，实现网络化控制。

    单微控制器的嵌入式数控系统，由于只有一个中央处理单元，难于处理较为复杂的控制任务，因此控制轴数有限，响应速度较慢，一般适合于不超过4轴的经济型数控系统的控制应用。