嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件體系結構

嵌入式技術和數(shù)控技術結合起來產生了很多理論和應用成果。但是，隨著機床加工零件復雜程度越來越大，建立嵌入式數(shù)控系統(tǒng)一致的體系架構越來越迫切。沒有體系結構提供通用的方法指導，將各式各樣的軟硬件模塊集成到數(shù)控系統(tǒng)中將是非常繁重且容易出錯的工作。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結構就是要為各個模塊提供集成規(guī)則和接口規(guī)范，通過這些集成規(guī)則和接口規(guī)范，不同的開發(fā)者能夠構建出通用的模塊。利用通用的模塊和通用的集成規(guī)則，可以構建不同的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)集成到工控站，由工控站再到工控網(wǎng)絡乃至更復雜的系統(tǒng)。嵌入式數(shù)控體系結構能夠提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性、安全性和開放性。

本文研究了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結構和軟件體系結構，并結合所做工作，介紹了這種體系結構的一種實例。

1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結構

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結構如圖1所示。

圖1嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結構

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)必須包含一個可編程計算部件，也可以包含多個，構成多CPU系統(tǒng)。嵌入式處理器或控制器種類很多，比較常用的有ARM、嵌入式X86、MCU等，處理器是整個系統(tǒng)運算和控制中心，它的架構越來越趨向于采用RISC指令集Harvard架構?？删幊逃嬎悴考?，若干年前還是單指處理器或微控制器，而現(xiàn)在卻增加了如FPGA等其它可編程計算資源。

數(shù)控系統(tǒng)要和操作人員交互，必須有一個顯示硬件，可以是CRT顯示器，但是一般嵌入式處理器中集成LCD控制器，它提供與DSTN（Dual-Layer Super Twist Nematic，雙掃描扭曲向列液晶屏）或TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶屏）顯示器的接口，通過這個接口可以直接驅動液晶顯示屏。

隨著USB移動存儲設備使用的推廣，平臺通過USB主控制器實現(xiàn)對USB設備的支持和控制。處理器中也可能集成了USB客戶端控制器，方便實現(xiàn)USB客戶端接口，一般通過這個接口進行上位機與平臺間的應用軟件調試。

串口用來實現(xiàn)上下位機通信，在有些伺服驅動裝置中也提供串口連接，因此，也可以通過串口與驅動連接。

外部存儲器總線接口支持各種外部存儲器：SDRAM、RAM和閃存儲器，內存一般選用SDRAM，閃存是一類非易失性存儲器，在電源關閉后仍能保持片內信息，這里用來存儲數(shù)控系統(tǒng)程序及配制數(shù)據(jù)。

進給軸接口是數(shù)控系統(tǒng)和進給伺服系統(tǒng)的橋梁。就現(xiàn)階段經常使用的伺服控制系統(tǒng)而言，進給控制接口一般有串行式接口、脈沖式接口、模擬式接口等等。

主軸控制接口連接數(shù)控系統(tǒng)與主軸驅動單元，它包含兩個部分：主軸速度控制輸出和主軸編碼器輸入。

在數(shù)控系統(tǒng)內集成的PLC屬于內置式，它有設計靈活、結構緊湊、針對性強等特點，主要完成主軸轉速的S代碼、刀具功能的T代碼以及控制主軸正反轉與啟停、主軸換檔、冷卻液開關、卡盤松緊等M代碼。

傳感器接口用來檢測機床位置信息，實現(xiàn)各種控制算法的計算輸入。

現(xiàn)代制造工程的發(fā)展要求數(shù)控系統(tǒng)間應該能夠通過網(wǎng)絡互連，傳遞命令和數(shù)據(jù)信息，并行完成數(shù)控任務。因此加入以太網(wǎng)模塊，以便在需要時實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。

上述各功能模塊通過標準總線連接，實行統(tǒng)一的總線接口規(guī)范。該體系結構中有些功能模塊不是每一個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)都必須的，可根據(jù)具體要求裁減。

2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結構

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結構如圖2所示：

圖2嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結構