嵌入式网络数控技术与系统(上)

0 前言

　　数字控制(Numeric control,  IBC)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二随着计算机技术，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 numeric control , 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2f)世纪CU-~-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二因此，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+NCf又可分为PC嵌入NC, NC嵌入PC等)和PC全软集成1VC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Window、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fi4位嵌入式中央处理器芯片，如美国MIPS公司的MIFS}}。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,  MPL1)、微控器(Micro control unit,  MCU)和数字信号处理器(Dlaltal Sigital processing, I7SP)。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)}

　　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 testaotion 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-tintG operating system, RTDS)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。