基于嵌入式的数控技术研究与实现

0 引言

　　随数着数控技术的发展，人们对数控系统的互联互操作需求也越来越迫切，这方面的工作涉及到体系结构、接口与互联协议。在与数控技术有关的开放式控制系统体系结构方面，国外已提出、建立了相应的工业标准，如OMAC、OSAC等。基于工业PC的开放式数控体系结构在国内也获得了人们的广泛研究和应用，包括对分布式数控系统体系架构的研究。同时COM、CORBA、OPC等软件组件技术也在开放式数控系统研究中获得应用。制造技术与信息技术的结合，特别是网络化数字制造技术的出现和发展，给数字控制技术带来了新的需求和机会，与此相适应的是数控技术的网络化。在网络数字制造环境下，一台制造设备成为企业甚至全球数字制造网络的一个资源节点，接受和执行来自数字制造网络的任务、控制命令和状态监测。

　　目前的数控系统，无论是软硬结合的还是全软件的，无论是基于组件的还是联网的数控系统，主要是采用基于工业通用Pc机的单机型系统架构，即系统以一台计算机系统(通常是PC机)为主，配以其它辅助控制装置，在一套系统上集成了大量的或者说几乎全部的数控功能。正如辩证法所指明的，任何事情都是一分为二的。通用工业PC机用于数控有许多的优点，但也存在一些无法回避的问题，如PC的数控系统的Windows操作系统甚至DOS操作系统的知识产权问题或者Linux操作系统的应用软件支持的缺乏。其次，基于PC的数控系统主要采用单机型的系统架构，而这种单机型的数控系统架构存在的一个显著问题是系统缺乏柔性。系统缺乏柔性主要表现在：(1)几乎所有数控功能都集成到一个系统中，因此，系统和功能一旦确定，不能依据加工需要、用户需要而改变；(2)基于工业PC的数控系统的扩展主要基于ISA、EISA、PCI等并行总线进行扩展，但这种扩展方式存在的问题是，一方面扩展槽有限，另一方面这种基于并行总线的扩展是紧耦合式扩展，扩展硬件模块的研制开发比较复杂。再其次，在网络化数字制造环境下，机床数控系统已从过去一个独立的、完整的系统，变成了一个相对简单的执行单元，数控系统自身的许多功能可以简化、甚至省略。还有，随着数控系统功能越来越丰富，将几乎所有功能集成在单个计算机系统上将使得软件系统的设计、开发变得非常复杂，软件耦合变得很密切，不利于互联和互操作。

　　近来，嵌入式系统的性能不断提高，价格逐渐降低，且嵌入式技术与各种通信技术密切结合，通过串行通信、现场总线和网络，可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；而且嵌入式软硬件开发环境、开发工具也越来越丰富和完善。因此，基于嵌入式技术的数控系统近几年也开始得到人们的重视和研究，国外已出现了基于嵌入式技术的数控系统产品，如德国ECKELMANN公司E*ENC555，但总的来说，这方面的研究才刚开始，还有许多工作要做。本文作者利用嵌入式技术、网络与通信技术的发展成果，对系统更紧凑、性价比更高、资源利用更充分、结构灵活、易于扩展、具有开放架构并能更好满足网络化数字制造环境的嵌入式数控系统进行了研究和开发。

1 嵌入式数控系统及其体系结构

　　为了实现从微小化的角度提高资源利用率、通过系统模块化和网络互联技术提高系统结构的灵活性和柔性、通过嵌入式实时操作系统方面的研究解决数控系统在实时多任务操作系统下面临的问题及通过嵌入式Web实现更便捷的远程控制与监测的目标，利用嵌入式技术、网络通信技术和数控系统相结合提出了嵌入式数控系统，其体系结构如图1所示。该嵌入式数控系统由一系列的嵌入式控制模块组成。这些模块接通用的目标设计，而非针对特定的对象和环境，通过选择适当的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。此外，如何将系统分解为多个嵌入式控制器，每个嵌入式控制具体实现哪些功能，采用怎样的实现技术都没有固定的模式；同样，各嵌入式控制器间采用什么样的通信技术实现互联也没有固定的模式，所有这些都是根据实际需要而定，为了实现互联、互操作，不同模块间的互联可定义技术标准与协议。因此该体系架构是一种开放式的架构。

图1嵌人式数控系统

　　该嵌入式数控系统有离线和在线两种工作模式。在离线工作模式下(主要用于现场调试)，用户可通过与数控操作与管理模块连接的键盘装置直接输入加工代码；而在在线工作模式下，用户可在PC上编辑自己的加工代码，然后通过网络连接以文件的方式传送到数控操作与管理模块上。在这两种模式下，用户都可以通过显示装置对加工代码进行查看，同时可以看到加工过程中当前正在加工的代码及当前加工的状态信息。此外，它可实现与基于工业PC机的数控系统相同的功能；可通过网络与企业、全球数字制造网络相联，成为其在线执行单元；可通过专用数控客户端软件实现数控远程操作与监测；也可通过通用浏览器实现数控远程操作与监测。