嵌入式數控系統軟硬件體系結構

嵌入式數控系統軟件體系結構分為系統平臺和應用軟件兩大部分。上層應用軟件分數控應用程序接口(NCAPI)和操作界面組件兩個(gè)層次，以分別實(shí)現對機床廠(chǎng)和用戶(hù)這兩個(gè)層次的開(kāi)放。

底層模塊除了PLC之外的部分是不對外開(kāi)放的，非系統開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)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(xiàn)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，急停和復位處理，虛擬軸驅動(dòng)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）以及公用數據區管理（系統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；調度；喚醒；阻塞；掛起；激活；延時(shí)的處理能力；創(chuàng )建信號量；釋放信號量；取信號量值的能力。

上層軟件負責零件程序的編輯、解釋?zhuān)瑓档脑O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(guò)共享內存、FIFO和中斷與底層模塊進(jìn)數據交換。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(dòng)加工模塊，參數編輯模塊，PLC顯示模塊，故障診斷模塊等等。
數控應用軟件開(kāi)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，在此之上可以方便地開(kāi)發(fā)出具體的數控系統，如華中I型銑床數控系統，世紀星車(chē)床數控系統等。NCAPI與原華中I型提供的API接口保持一致。統一的API保證系統的可移植性和模塊的互換性；系統開(kāi)發(fā)集成環(huán)境中的配置功能可以通過(guò)配置不同的軟件模塊實(shí)現系統性能的伸縮性，系統性能的伸縮性則通過(guò)更換系統硬件得以保證。

3 應用實(shí)例

按照上述嵌入式體系結構的層次劃分，本文開(kāi)發(fā)了基于嵌入式PC和LINUX操作系統的嵌入式數控系統。

CPU采用嵌入式PC單元，通過(guò)PC104總線(xiàn)嵌入到數控主板中。在數控主板上，繼承了開(kāi)關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤(pán)接口電路，進(jìn)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(mǎn)足CNC裝置對開(kāi)放性的要求，數控主板采用雙FPGA設計。一個(gè)FPGA芯片負責控制開(kāi)關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤(pán)接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅動(dòng)裝置接口電路；另一個(gè)FPGA芯片負責控制脈沖量伺服驅動(dòng)裝置或步進(jìn)電機驅動(dòng)裝置接口電路，模擬量伺服驅動(dòng)裝置接口電路。兩個(gè)FPGA芯片通過(guò)PC/104總線(xiàn)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(guò)改變FPGA芯片的固件，以及兩個(gè)FPGA芯片靈活搭配，可以構造出不同配置的數控裝置。

操作系統是通過(guò)改造Linux內核使其成為實(shí)時(shí)操作系統。具體方法是：在Linux操作系統中嵌入一個(gè)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構，數控系統任務(wù)中需要實(shí)時(shí)響應的任務(wù)做成數控實(shí)時(shí)模塊，嵌入到Linux內核中，這些任務(wù)包括：伺服監控、PLC、位置控制等周期任務(wù)和插補這個(gè)非周期任務(wù)，刀補、譯碼和網(wǎng)絡(luò )基本功能打包成數控應用程序接口。

在實(shí)時(shí)Linux軟件平臺的基礎上，應用軟件平臺包含的離散點(diǎn)I/O控制API、傳感器API、位置控制器API等接口為通用API接口。應用程序層包含的過(guò)程控制、人機界面及系統集成與配置支撐環(huán)境三部分只需要用實(shí)時(shí)Linux操作系統相關(guān)系統API替換相應的模塊通信接口即可，上層應用模塊可以不做修改。同時(shí)，應用軟件平臺具備良好的開(kāi)放性，用戶(hù)可自定義API來(lái)擴充系統功能支持，本文在應用平臺層自定義了一個(gè)數控圖形庫API，用來(lái)支持數控系統的圖形顯示功能。

4 結語(yǔ)

本文提出的這種開(kāi)放的嵌入式數控系統體系結構，在硬件上，標準的總線(xiàn)屏蔽了各功能部件差異，不同功能的數控硬件通過(guò)標準的信號規范來(lái)定義。在軟件上，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統為數控應用軟件提供了系統接口，屏蔽硬件細節，提供實(shí)時(shí)、可靠、多任務(wù)的運行環(huán)境。軟件體系結構總體上分層，使得體系結構清晰明了；層內按功能模塊化，盡量減少模塊耦合，使得軟件復用性很好，有利于數控系統功能裁減和系統維護。既保證了硬件平臺的開(kāi)放性和穩定性，也使得軟件移植和設計更加方便。