嵌入式数控系统通信功能的实现

　　数控系统在向精密化、网络化、智能化和集成化的方向发展的同时，也在向小型化、嵌入式方向发展。嵌入式数控系统采用“量体裁衣”方式把所需功能嵌入到应用系统中，是未来数控及运动控制产品发展的方向，它是在我国占主流的经济型数控系统由16位向32位过渡的理想选择。文章介绍了嵌入式数控系统内CNC主控单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等各单元间的通信、车间级工业以太网络的通信和Intranet/Internet网络通信，并给出了关键技术实现。后继工作是对嵌入式数控机床连网应用开发的一个无线网络解决方案，使数控系统与外部的连接更快捷、安全和方便。

　　市场对数控系统要求是具有更好的柔性、适应性、扩展性，并向小型化、智能化、网络化方向发展。针对这一要求，本文提出了网络化的嵌入式数控系统，其中央数控单元不是PC计算机系统，而是嵌入式控制系统，这种嵌入式控制系统采用ARM+DSP的结构，具有运算能力强、成本低的特点，提高了系统的实时性和可靠性，实现了数控系统的小型化、网络化、智能化和集成化。嵌入式数控系统的其他单元，如伺服控制单元、PLC单元、通信单元、显示单元、数据键入单元等，也在嵌入式系统的基础上搭建，属于嵌入式系统模块。嵌入式数控系统的通信部分包含数控系统内CNC主控单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等各单元间的通信、车间级工业以太网络的通信和Intranet/Internet网络通信。

1.系统总体结构

　　本网络化嵌入式数控系统已经由武汉理工大学湖北省数字制造重点实验室和嵌入式实验室联合开发成功。其中主控系统CPU采用三星公司的 S3C44B0微控制器，系统的机床控制和插补运算等强实时任务由TI公司的32位TMS320F2812DSP芯片实现。在ARM中移植了 U2cos11实时多任务操作系统，以进行实时多任务管理，其主要任务是实现数控系统的人机界面，完成加工程序的输入、预编译、轨迹计算、速度计算和加工零件图形的模拟仿真等任务，同时提供工业以太网络接口与上层管理PC机通信，然后通过上层PC机将嵌入式数控系统连入Internet。DSP负责处理一些实时性强的机床信号，并据ARM的指令执行机床控制和插补运算等强实时任务。在ARM中生成用于插补的数据(加工数据)，并通过CAN总线发给DSP，由DSP完成插补处理。伺服单元主要接受ARM和DSP的指令对主轴电机和进给电机进行控制。

2.嵌入式数控系统通信功能的实现

　　数控系统的网络化是以Internet技术、通讯技术、数控技术和计算机技术等为基础，将远程设计、数控编程和数控加工等集成在一起，实现数控系统等数控设备的网络化和集成化。嵌入式数控系统作为网络化制造系统的基本单元，可以实现制造车间设备的集中控制管理、远程控制、远程故障诊断、网络制造、网上培训、网上营销及网上管理等功能，从而可以在全球范围内将具有不同数控类型的企业联系起来实现资源的共享和优化利用，这样不仅可以提高产品的加工质量和生产效率，还能敏捷地响应瞬息万变的市场[1]。嵌入式数控系统中的通信功能包括3个方面:数控系统内CNC主控单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等各单元间的通信、车间级工业以太网络的通信和Intranet/Internet网络通信。

　　2.1系统单元间的通信

　　系统ARM、DSP和各伺服单元之间通过CAN总线通信。CAN总线的特点决定了它非常适合架构嵌入式数控系统，首先CAN总线采用了循环冗余码校验(Cy2clicredundancy check)、框架检测( Frame check)、确认信号出错检测(ACK errors)、总线监控(Bus moNIto2ring)、位填充(Bit stuffing)等5种错误监测和纠错措施，从而达到了很高的可靠性，平均误码率小于10-13[2]。其次，CAN总线采用了独特的位仲裁技术，具有比CSMA/CD网(IEE802.3)和令牌网(IEE802.4)更高的实时性。除此之外，CAN总线的通讯速率可达1MBPS，远距离传输可达 10km，同时接口简单、安装方便，通讯控制简单。在嵌入式数控系统中，ARM、DSP和伺服单元都实现了CAN总线接口，可以作为系统的一个节点，非常方便地实现模块加入、更改和退出。

　　嵌入式数控系统的主控CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，芯片内不带CAN总线协议控制及驱动核，因此选取PHILIPS公司的 SJA1000CAN控制器以及82C250总线收发器。SJA1000支持CAN2.0A/B规约，可方便地实现与S3C44B0接口。CAN接口电路如图3所示，SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，该控制器具有多主结构、总线访问优先权、硬件滤波等特点。PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口，它可以提供总线的差动发送能力和接收能力，高速应用可达1MHz，可挂110个节点。

　　嵌入式数控系统的机床控制和插补运算等强实时任务由DSP实现。插补运算硬件采用TI公司的32位TMS320F2812芯片，其最高频率可达 150MHz，时钟周期缩短到6.67ns，完全满足数控插补算法的实时性[3]。同时2812芯片内部集成CAN总线控制器，因此外部只需接 82C250总线驱动器即可。所有进行数据传输和接受滤波的协议由芯片内部的CAN总线控制器实现，通过2812芯片内的特殊功能寄存器可配置CAN控制器访问接受到的数据以及进行数据传输。由于2812芯片可完成CAN总线协议的数据链路层和应用层的所有功能，因此可以非常方便的接入基于CAN总线的数控系统。

　　考虑到数控系统的伺服电机有直流、交流和步进电机等，伺服模块的可重构具有重大意义。伺服控制模块也通过CAN总线的形式挂接在系统中，采用DSP芯片实现。由于20MHz的时钟频率对伺服控制完全足够，考虑到成本问题，系统以TI公司生产的TMS320F243芯片作为伺服CPU，而不选用2812 芯片。243芯片是TMS320系列定点数字信号处理器产品之一，专为数字电机控制而设计，其指令执行速度是20MHz，所有指令都可以在一个50ns的单周期内执行完毕，这使得复杂控制算法的实时执行成为可能。另外在243芯片内嵌入了CAN模块，因此可以很方便地连接到CAN总线上。