嵌入式数控系统的体系结构与系统设计（上）

    2．基于多微控制器的嵌入式数控系统

    多微控制器嵌入式数控系统，使用多个嵌入式系统，各个系统能并行处理信息，适应高速度、高效率和多轴控制等的需要，一般在系统的主要功能模块和处理部件上分别采用独立的嵌入式MCU来实现，各个MCU之间通过现场总线或通信接口进行信息交换，按照每个模块承担任务的重要程度，预先安排优先顺序，优先级较高的MCU能够优先占用系统的现场总线，实现优先控制。基于多微控制器和现场总线结构的嵌入式数控系统的结构框图如图2所示。

图2 嵌入式数控系统的结构框图

    图2多微控制器结构的嵌入式数控系统硬件框图从图2可知，基于多微控制器的嵌入式数控系统的基本结构仍是由6个模块组成，只是主要模块之间的通信采用了工控现场总线进行，这就组成了基于现场总线结构的分布式系统，其中以嵌入式数控模块为核心，作为分布式系统的上位机，负责数控系统中主要的信息处理、实时控制和人机交互等工作，伺服、PLC以及主轴模块作为下位机实现系统的控制功能。

    由此可知，各个控制模块分别有各自的CPU，扩展有统一的总线接口，实现上下位机之间的通信，而显示与输入模块可以根据需要分别设计在各个模块上，且每个模块所具有的显示及输入接口可以根据需要有所不同，上位机的主界面上需要有完整的显示和输入接口，而下位机上的显示界面和输入接口可以较简单些；PLC接口板可以根据所需的开关量数扩展输入输出点数，全部的开关量由PLC板上的CPU统一调度和处理，然后通过现场总线与上位机通信。

    由于嵌入式系统的软硬件结构允许裁剪，因此在上述各个组成模块中可以根据功能需要的不同，分别配置各自的嵌入式系统结构，组成结构优化的嵌入式数控系统。

    2．2 软件结构

    嵌入式数控系统的系统控制软件和应用程序是建立在嵌入式操作系统之上通过设计开发产生的，因此数控软件模块与嵌入式操作系统的软件模块共同构成了嵌入式数控系统的软件结构，如图3所示。

图3 嵌入式数控系统的软件结构图

    如图3所示，建立在嵌入式微控制器硬件平台之上的首先是引导程序BootLoader，用于对硬件进行初始化设置，执行时钟设置、内存映射、栈点设置、中断设置等操作，然后将嵌入式操作系统的内核映像zImage解压缩到工作内存RAM区，并启动嵌入式操作系统，此后的控制权交由嵌入式系统执行。嵌入式硬件结构精简优化，需要裁剪嵌入式系统中冗余的硬件引导，禁止相应的内核模块，以提高系统的实时性能，这是嵌入式数控系统与基于工控微机的数控系统的主要区别之一。

    基于嵌入式MCU建立起来的数控硬件，是专用于数控功能模块的结构，需要编制各自的驱动程序，通过加载，添加到嵌入式系统的内核空间中，形成嵌入式数控系统的设备驱动。

    文件系统是嵌入式操作系统的组成部分，用于存储和管理嵌入式数控系统的文件。所有的系统程序和数控应用中开发的用户程序，都由文件系统管理。在嵌入式系统中，文件系统与操作系统内核一般都以压缩文件的形式，烧写在FLASH内存中，在系统引导启动时，被解压并复制到RAM区运行。

    网络接口在嵌入式系统中有重要的作用，嵌入式系统本身的软件经过定制，已经非常紧凑，没有冗余的资源用于系统软件开发，因此一般是借助于宿主微机进行程序设计，在宿主微机上开发的程序，通过交叉编译，形成映像文件，烧写到嵌入式系统的存储介质中，然后才能在嵌入式环境中运行。在宿主微机上开发数控程序时，需要经常挂载到嵌入式目标系统中，进行动态调试，这就需要结合网络接口电路，设计网口驱动程序并建立通信协议。此外，结合硬件电路，还需要开发相应的包括RS232、USB和现场总线在内的接口软件，实现功能优越的嵌入式数控的通信系统。