嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)平臺和應(yīng)用軟件兩大部分。上層應(yīng)用軟件分?jǐn)?shù)控應(yīng)用程序接口(NCAPI)和操作界面組件兩個層次，以分別實現(xiàn)對機床廠和用戶這兩個層次的開放。

底層模塊除了PLC之外的部分是不對外開放的，非系統(tǒng)開發(fā)者可以通過NCAPI使用底層的功能。底層模塊完成插補任務(wù)（粗插補，微直線段精插補，單段, 跳段, 并行程序段處理）;PLC任務(wù)（報警處理，MST處理，急停和復(fù)位處理，虛擬軸驅(qū)動程序，刀具壽命管理，突發(fā)事件處理）;位置控制任務(wù)（齒隙補償, 螺距補償，極限位置控制，位置輸出）;伺服任務(wù)（控制伺服輸出、輸入）以及公用數(shù)據(jù)區(qū)管理（系統(tǒng)中所有資源的控制信息管理）。因此必須具有多任務(wù)的處理能力，即；任務(wù)建立；撤消；調(diào)度；喚醒；阻塞；掛起；激活；延時的處理能力；創(chuàng)建信號量；釋放信號量；取信號量值的能力。

上層軟件負(fù)責(zé)零件程序的編輯、解釋，參數(shù)的設(shè)置，PLC的狀態(tài)顯示，MDI及故障顯示、加工軌跡、加工程序行的顯示等，通過共享內(nèi)存、FIFO和中斷與底層模塊進數(shù)據(jù)交換。上層軟件模塊包括：解釋器模塊，MDI運行模塊，程序編輯模塊，自動加工模塊，參數(shù)編輯模塊，PLC顯示模塊，故障診斷模塊等等。
數(shù)控應(yīng)用軟件開發(fā)接口(NCAPI)是為針對不同的機床和不同的要求而提供的通用接口函數(shù)，在此之上可以方便地開發(fā)出具體的數(shù)控系統(tǒng)，如華中I型銑床數(shù)控系統(tǒng)，世紀(jì)星車床數(shù)控系統(tǒng)等。NCAPI與原華中I型提供的API接口保持一致。統(tǒng)一的API保證系統(tǒng)的可移植性和模塊的互換性；系統(tǒng)開發(fā)集成環(huán)境中的配置功能可以通過配置不同的軟件模塊實現(xiàn)系統(tǒng)性能的伸縮性，系統(tǒng)性能的伸縮性則通過更換系統(tǒng)硬件得以保證。

3 應(yīng)用實例

按照上述嵌入式體系結(jié)構(gòu)的層次劃分，本文開發(fā)了基于嵌入式PC和LINUX操作系統(tǒng)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。

CPU采用嵌入式PC單元，通過PC104總線嵌入到數(shù)控主板中。在數(shù)控主板上，繼承了開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，進給軸接口電路以及主軸接口電路。各接口電路由核心器件FPGA芯片集中控制。為滿足CNC裝置對開放性的要求，數(shù)控主板采用雙FPGA設(shè)計。一個FPGA芯片負(fù)責(zé)控制開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅(qū)動裝置接口電路；另一個FPGA芯片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動裝置接口電路。兩個FPGA芯片通過PC/104總線嵌入式PC機控制。利用FPGA芯片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下，通過改變FPGA芯片的固件，以及兩個FPGA芯片靈活搭配，可以構(gòu)造出不同配置的數(shù)控裝置。

操作系統(tǒng)是通過改造Linux內(nèi)核使其成為實時操作系統(tǒng)。具體方法是：在Linux操作系統(tǒng)中嵌入一個硬件抽象層，接管所有中斷和對硬件的操作。由于Linux采用整體式的模塊化結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)中需要實時響應(yīng)的任務(wù)做成數(shù)控實時模塊，嵌入到Linux內(nèi)核中，這些任務(wù)包括：伺服監(jiān)控、PLC、位置控制等周期任務(wù)和插補這個非周期任務(wù)，刀補、譯碼和網(wǎng)絡(luò)基本功能打包成數(shù)控應(yīng)用程序接口。

在實時Linux軟件平臺的基礎(chǔ)上，應(yīng)用軟件平臺包含的離散點I/O控制API、傳感器API、位置控制器API等接口為通用API接口。應(yīng)用程序?qū)影倪^程控制、人機界面及系統(tǒng)集成與配置支撐環(huán)境三部分只需要用實時Linux操作系統(tǒng)相關(guān)系統(tǒng)API替換相應(yīng)的模塊通信接口即可，上層應(yīng)用模塊可以不做修改。同時，應(yīng)用軟件平臺具備良好的開放性，用戶可自定義API來擴充系統(tǒng)功能支持，本文在應(yīng)用平臺層自定義了一個數(shù)控圖形庫API，用來支持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的圖形顯示功能。

4 結(jié)語

本文提出的這種開放的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在硬件上，標(biāo)準(zhǔn)的總線屏蔽了各功能部件差異，不同功能的數(shù)控硬件通過標(biāo)準(zhǔn)的信號規(guī)范來定義。在軟件上，嵌入式實時操作系統(tǒng)為數(shù)控應(yīng)用軟件提供了系統(tǒng)接口，屏蔽硬件細(xì)節(jié)，提供實時、可靠、多任務(wù)的運行環(huán)境。軟件體系結(jié)構(gòu)總體上分層，使得體系結(jié)構(gòu)清晰明了；層內(nèi)按功能模塊化，盡量減少模塊耦合，使得軟件復(fù)用性很好，有利于數(shù)控系統(tǒng)功能裁減和系統(tǒng)維護。既保證了硬件平臺的開放性和穩(wěn)定性，也使得軟件移植和設(shè)計更加方便。