目前，基于PC 的開放式數控系統是數控技術開放式架構的主要實現方式，這種實現方式主要是考慮利用工業PC 豐富的系統資源和業已標準化的接口來簡化數控系統的設計，降低數控系統開發的技術難度,并使設計出的數控系統具有一定的開放性，但這種體系結構也存在很大的局限性，主要體現為: ①系統實時性和穩定性較差，基于PC 的數控系統的操作系統多采用通用操作系統，與RTOS相比，其在任務調度的實時性和系統運行的穩定性上都比較差; ②系統的開放性有限，無論是PC 嵌入NC 的結構，還是NC嵌入PC 的結構，其開放性特征都是基于PC 固有的開放特征，沒有針對數控加工的特點而進行單獨的定義; ③工控機模式數控系統的成本太高，一臺能滿足數控加工要求的計算機至少需要投資數千元再配上價格昂貴的運動控制卡，使得成本很難降低。
另一方面，進入20世紀90年代以來，嵌入式計算機應用技術獲得了飛速發展。 各種高性能的嵌入式微控制器MCU 層出不窮，與以前相比，嵌入式微控制器的CPU 運算速度大大提高，處理數據寬度不斷加大,更重要的是片上集成資源越來越豐富; 與此同時，出現了很多高效率、高可靠性和高穩定性的內核可裁減的嵌入式實時操作系統(RTOS) ，如VxW orks、LC /OS-Ⅱ等，這就使嵌入式系統在生活和生產的很多領域都得到了廣泛的應用，如汽車工業、宇航工業等。 基于以上分析，筆者提出在數控系統的設計中采用嵌入式技術,即基于微控制器的嵌入式數控系統，這種設計方案的優勢在于: ①市場上可供選擇的嵌入式微控制器種類繁多，片上資源豐富，針對不同的應用，其片上集成資源有很大不同，完全可以選擇一種片上資源和運算速度都相對非常適合數控系統設計的MCU 和DSP來構建數控系統的硬件平臺，這種硬件平臺的設計可以使系統集成度更高，體積更小，運行更穩定; ②數控系統的運行是一個多任務的調度過程，特點是運行任務相對較少，但實時性要求很強，不存在冗余的任務，而采用RTOS作為嵌入式數控系統的操作系統，將使數控系統擁有更好的多任務調度能力和更強的實時性;③嵌入式數控系統的開發是一個從底層硬件到上層軟件的獨立開發過程，可以針對當今數控系統特點和開放性的特征要求，根據嵌入式系統的特點，來構建適合于嵌入式應用的數控系統開放式架構，與基于PC 的數控系統相比，它將有更好的穩定性和開放性。
1 基于MCU + DSP雙CPU 架構的硬件平臺搭建
根據數控系統多任務的運行特征，針對系統任務運行實時性的特殊要求，以及嵌入式系統的特點，文中采用MCU + DSP的雙CPU 架構來構建嵌入式數控系統的硬件平臺。 MCU 的主要功能是負責運行系統中與管理相關的任務，是系統的主控制CPU; 而DSP 主要負責運行插補運算等運算量較大、對任務的實時性要求較高的任務，專用于繁重的插補運算，減輕主控制CPU 的負擔。 本數控系統的設計，MCU 選用MOTOROLA公司生產的MC68K 系列的MC68F375微控制器，DSP則選用NOVA 生產的DSP運動控制專用芯片MCX314。
1.1 嵌入式微控制器MC68F375簡介
MC68F375是由MOTOROLA 公司推出的高速32位微控制器，它具有速度快、并行處理能力強和片上資源豐富等特點，適用于各種控制場合。 芯片支持BDM(background debug mode)模式，通過簡易的專用電纜接口，可以直接對微控制器系統進行仿真開發; 也可采用全功能的在線仿真器進行實時開發。 同時,MC68F375非常適合運行多用戶、多任務操作系統，使其更容易做到不死機。
MC68F375的片上資源主要包括: 系統集成模塊(SIM ) ; 8 KB 掉電保護SRAM; 8 KB 掩模ROM; 10位隊列式的模數轉換器(QADC64) ，16路A /D 轉換模塊具有強大的數模轉換控制功能; 隊列式串行通信模塊(QSMCM) ，可以方便地實現同步、異步通信功能; 可構造時鐘模塊(CTM4) ，具有多種強大的定時、計數和脈沖調制功能; 時間處理單元(TPU ) ，分辨率高達250ns，可對各種事件進行快速的智能處理，同時集成PWM 算法及各種輸入捕捉算法; CAN 控制模塊( TouCAN ) ，能方便地實現工業自動化等場合的現場總線控制。
1.2 DSP專用運動控制芯片MCX314簡介
MCX314是NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，性能優良，接口簡單，編程方便，工作可靠，可廣泛用于數控機床及機器人等領域的運動控制。芯片能與8位或16位數據總線接口，通過命令、數據和狀態等寄存器實現4軸3聯動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，實現直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率最高達4MH z。 每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立設置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數器和狀態比較寄存器,實現位置的閉環控制。
與通用DSP相比，MCX314更適合數控系統的設計，是一種專用的運動控制芯片，主要表現在3方面:① 插補算法(三軸直線、平面圓弧和位模式插補)、運動控制和位置控制主要由硬件來實現，主控制CPU 通過接口對MCX314進行相應的工作方式、速度和加速度的設置，然后將運動的起點和終點傳送給MCX314,之后不再需要主控制CPU 的干預就能自動完成從起點到終點的插補運動控制，減少了運行過程中與主控制CPU 頻繁的數據交換，也減少了相應軟件的設計,縮短數控系統的開發研制周期，且能提高系統的運行速度; ②片上集成有專用于運動控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可簡化數控系統的硬件設計，提高系統運行的穩定性; ③與主控制CPU 之間的通訊簡單,易于協調，對主控制CPU 來說，MCX314更像是一個外圍功能芯片，通過設置一定的地址和讀寫控制字就能實現對MCX314的控制。
1.3 嵌入式數控系統硬件平臺的搭建
圖1為本文研究的嵌入式數控系統硬件平臺模塊圖，以MC68F375和MCX314為硬件平臺的核心，根據數控系統的功能特點和工作特性要求，分別擴展了如下多種功能模塊。
圖1 嵌入式數控系統硬件平臺模塊
(1) 擴展FLASH 模塊，MC68F375片上集成有8K字節的掩模ROM，但這對于數控系統的運行是遠遠不夠的，必須進行片外擴展。 在系統設計中，主要是在片外擴展了2片512K字節的FLASH，主要用于存儲系統運行所需的程序代碼，語言字庫，需要斷電和長期保存的系統參數、刀具參數、補償參數、機床參數以及數控加工程序等。
(2) 擴展RAM模塊，雖然MC68F375片上集成有8K字節的SRAM，但由于數控系統不同于小型的嵌入式系統，在運行過程中需要有充足的RAM 空間，特別是由于運算和RTOS的多任務調度以及文件系統的運行都將產生大量的堆棧、全局變量和局部變量，而且由于系統內置軟PLC( PLC的內部繼電器R、定時器T 和計數器C)的運行也將占用一部分RAM 空間，因此在數控系統設計時，在片外擴展了2片512K字節的靜態高速RAM，用于擴展RAM空間，增強系統的運行效率和實時性。
(3) 時鐘控制模塊，也就是日歷系統，需要在系統斷電時能夠長時間的保持日歷的工作狀態。 當系統工作時，進行到文件相關操作時，如在數據傳輸或用戶在對系統進行編程、二次開發時，都需要數據以文件的形式進行存儲或傳輸，需要記錄下文件編寫的日期，以便文件系統的管理。
(4) LCD控制模塊，主要用于完成液晶顯示的控制刷新和與CPU32的數據交換，將機床的當前狀態、系統信息、坐標信息、參數信息和圖形仿真信息等通過LCD向用戶顯示出來，屬人機交互的一部分。
(5) 鍵盤控制模塊，它是數控系統交互的重要環節，鍵盤擴展電路有多種實現方式，設計采用CPLD 來實現專用鍵盤接口芯片的設計方案，這種設計方案，既保證了設計的通用性和靈活性，同時所有的鍵值判斷等可通過CPLD 編程來實現，最大限度節省了MC68F375的資源。
(6) 數據采集模塊，當今的數控系統越來越重視對現場加工條件和機床工作狀態的實時監控和診斷，本系統數據采集模塊設計主要是基于MC68F375片上集成的16 路QADC，外加抗混濾波單元和信號調理單元。
(7) 主軸控制模塊，由D /A控制芯片和編碼器反饋高速輸入口組成，能夠完成對單極性和雙極性模擬變頻主軸的控制。
(8) 網絡通訊模塊，為了適應數控系統網絡化的發展趨勢和數控機床遠程控制和遠程診斷的發展需要，設計采用Realtek公司的10Mbps網絡通訊芯片RTL8019進行系統網絡接口模塊的設計，為機床的網絡化提供了硬件基礎。
(9) CAN 總線接口，主要由CAN 總線收發器和光藕元件組成，與MC68F375 片上集成的TouCAN 模塊一起構成數控系統CAN 總線通訊功能的硬件基礎。
(10) BDM 調試接口，用于數控系統的開發調試階段，在上位計算機上，開發人員通過BDM 可方便地對數控系統進行開發調試。
(11) COM 串行接口，主要利用MC68F375 片上集成的QSM 的SC I子模塊，外加芯片驅動電路(如MAX238等) ，構成數控系統與個人計算機之間串行通訊的硬件基礎。
(12) I/O接口，主要完成內置PLC對外部機床電氣的控制，電機控制輸出和其他功能模塊的對外輸出,由驅動元件、繼電器元件和光耦隔離元件等組成。通過上面對嵌入式數控系統硬件框架的搭建和各個硬件功能模塊的分析可知，本文設計的嵌入式數控系統除保留了傳統數控系統的功能外，特別加入了數據采集模塊、網絡通訊模塊和CAN 總線通訊模塊，通過這3個模塊，設計出的數控系統能很方便地實現與現場其他設備的總線連接和網絡通訊，更易于實現數控設備的遠程診斷、監控以及網絡化和數字化制造。
2 基于RTOS的嵌入式數控系統軟件平臺的研究
以前的數控系統的軟件結構設計通常通過一個無限循環來判斷任務的標志量，通過中斷(定時中斷和鍵盤中斷)來激活新的任務，進入固定的任務中斷程序入口，來實現任務的調度。 在這種單任務且無任務運行環境調度方式下，系統的大多數時間被任務等待的無限循環占據了，在任務處理的過程中，其他的同等級的任務無法使用CPU 的資源，無法進行任務之間有效的上下文切換，導致了系統的實時性十分不可靠。 同時，如果任務在執行過程中需要等待信號，或延時信號處理，當這種延時不可預計的情況下，就可能占據大量的系統時間，就會造成對系統資源的大量浪費，導致無法響應更緊急的任務，這種無限的等待情況會導致許多不可預計的后果。 針對單任務系統的軟件架構的不足，本設計在數控系統軟件構建中引入基于VxWo rks嵌入式實時多任務操作系統(RTOS)作為系統的任務調度基礎。
2.1 嵌入式實時操作系統VxWorks特點簡介
VxWorks操作系統是美國W indR iver公司設計開發的一種嵌入式實時操作系統( RTOS)。 系統具有如下特點: ① 內核可裁剪，具有極好的伸縮性; ②成熟高效的任務調度機制，支持優先級和時間片輪番調度法; ③ 任務間通訊手段靈活快速，支持信號量、消息隊列和互斥等多種通信方式; ④ 豐富的板級支持軟件包( BSP) ，縮短了系統開發周期，減少了開發的工作量; ⑤ 強大的網絡開發支持，簡化了網絡開發的工作,系統集成TCP / IP協議的支持; ⑥ 支持多種文件系統;⑦ 具有集成開發環境TORNADO 的支持，界面友好,能夠對系統的任務調度和占用的時間片進行實時監控，提高系統的利用率，充分發揮系統性能; ⑧ 功能可擴展，根據千變萬化的嵌入式應用，除提供基本的內核功能外，還可以根據需要加入功耗控制、嵌入式文件系統、嵌入式GU I系統和嵌入式數據庫，用戶也可以根據自己的需要利用VxWorks的功能擴展接口，開發出自己的功能; ⑨ 內核可剝奪性，即當前系統總是運行就緒狀態下優先級最高的任務。
2.2 基于VxWorks的嵌入式數控系統層次化軟件體系結構設計
本文設計的嵌入式數控系統的層次化軟件體系結構如圖2所示，它由以下3部分組成。
圖2 基于VxWorks的嵌入式數控系統軟件體系結構
(1) 底層硬件驅動層。 硬件驅動程序的主要功能是為上層軟件提供良好的函數調用接口，完成對系統硬件資源的抽象，屏蔽掉底層的硬件細節。 通過抽象底層硬件的物理行為，使上層用戶實現對硬件功能的調用。 硬件驅動程序單獨分層的編程思想為系統的升級提供了良好的條件，當系統硬件設計發生變化時，上層軟件不用做過多的修改，仍可以通過原有的接口實現硬件的調用，只需要修改底層驅動就可以了。 另外，硬件驅動程序的提出能夠方便項目開發，軟硬件協同進行設計。
(2) 實時操作系統層。 設計采用了實時性操作系統VxWorks作為系統任務調度與開發平臺，本層的主要功能是處理由外部或內部事件引發的中斷、設備驅動層的激活以及執行任務的調度。
(3) 系統應用層。 它是在VxW orks的基礎上，通過對VxWorks的接口函數的系統調用，實現系統的具體的應用功能，如交互模塊、控制模塊等。 在本設計中，各種任務以應用程序的形式集合在應用層，服務于不同的功能模塊。 VxW roks根據每個任務的要求，進行資源管理，對MC68F375、MCX314、存儲器和外設的資源進行合理分配，實現消息管理、任務調度和異常處理等工作。 在VxW orks的支持下，每個任務都被分配一個優先級，根據優先級別的高低，動態切換各個任務，以保證實時性要求。
可以看出，設計采用分層型模塊化軟件結構和實時性操作系統相結合的軟件設計方案，這種設計方法的優勢在于可以實現軟硬件設計的并行開發，VxWorks作為系統的硬件驅動層與應用層之間的橋梁,使應用層的函數調用完全屏蔽掉了硬件細節，層與層之間只需要通過定義好的接口函數進行通訊，使得上層的軟件開發不必顧慮硬件設計。 這種軟件設計模式,實際上是軟硬件交叉進行、并行設計的過程，在設計的開始階段，通過軟硬件的協商，定義系統的總體設計方案，一旦系統的體系結構設計完成，軟硬件設計就可以獨立進行了。 等軟硬件設計完成后，再集成一體進行集成測試，使系統的開發周期縮短到最小，極大地提高了嵌入式系統的開發效率。
2.3 基于VxWorks的數控系統多任務調度機制的實現
2.3.1 數控系統中任務的劃分
數控系統是一個專用性很強的多任務調度運行系統，按照任務運行實時性強弱的劃分方法，一般將數控系統的任務劃分為管理任務和控制任務2大類。 如圖3所示，其中控制類任務的工作與數控加工直接相連,對實時性要求高，而管理類任務的工作對實時性的要求相對較低。 系統的控制任務又可細分為位置控制、軌跡插補、指令譯碼、I/O 控制、誤差控制、狀態實時監控與故障診斷等子任務; 系統的管理任務則包括人機交互管理、顯示管理、數據管理、通信管理和網絡管理等子任務。 而且，在實際的開發設計中可根據需要對各個子任務進行進一步細分，形成一個任務集合，任務集合中的任務都必須根據外部事件及時被激活運行，同時結合具體的加工情況，由V xWorks統一調度，動態地對任務進行優先級控制，以適應不同加工任務的要求。當有高優先級的任務進入任務列表時，內核通過優先級搶占調度方式切換到高優先級的任務; 當同等優先級的多個任務進入任務列表時，內核通過時間片輪轉調度法實現多任務的并發控制。
圖3 數控系統中任務的劃分
2.3.2 數控系統中多任務調度機制的實現
圖3中劃分出的數控系統任務由VxWo rks進行統一調度，由前面分析可知VxW orks支持優先級和時間片輪番調度法，現將圖3中的控制任務按照優先級由高到低的順序排列如下: 位置控制、軌跡插補、誤差控制、I/O 控制、指令譯碼、實時監控、故障診斷; 而管理任務的優先級要比控制任務的優先級都低，系統設計中對管理任務的5個子任務采用時間片輪番調度法,即它們擁有相同的優先級，任務調度的示意如圖4所示。 在系統完成初始化后自動進入時間分配環中，在環中依次輪流處理各項管理任務。 在環中輪流處理各項管理任務時，只要當前時間片結束，不論當前任務是否完成，都要暫時釋放CPU，把CPU 讓給另一個就緒的任務，直到再次輪到該任務的時間片時，再重新占用CPU，自動跳轉到斷點處繼續執行。 而對于系統中的實時性強于管理任務的控制任務則按優先級排隊，分別分配不同的優先級，由于環外的任務優先級均高于管理任務，環外的任務可以隨時通過優先級搶占的任務調度方式中斷環內的任務執行，占用系統資源。 當有多個同等級的任務進入任務就緒隊列時(如零件加工時多軸的位置控制任務)，根據時間片輪轉調度方式形成新的當前任務調度環，保證同優先級的任務并發進行。 同理，這種任務的搶占和調度機制也適用于其他不同優先級的任務。
圖4 基于VxW orks的數控系統任務調度機制示意
3 數控系統引導型二次開發平臺理論模型的研究
數控系統二次開發功能的強弱在一定程度上代表了其開放性的好壞，根據嵌入式系統的結構模式、設計特點和數控系統的功能特征，本文設計了一種適合嵌入式數控系統、具有引導功能的數控系統二次開發平臺的理論模型，如圖5所示。 二次開發平臺采用一種引導開發的模式，借助于預先定義的各種信息庫，將使用特殊語言描述的用戶功能要求轉換成信息庫中特定策略的組合，然后通過與MCU 相匹配的代碼編譯器，將策略描述翻譯并通過計算機的并口經由下載電纜傳送至數控系統的仿真開發接口。
圖5 二次開發平臺的理論模型
二次開發環境包括語言描述和引導設置2種開發方式。 語言描述方式采用結構化的功能機制，預先定義出系統擴展的算法結構，用戶只需根據算法的提示加入自己功能要求的描述。 二次開發平臺提供獨立的結構化描述語言，采用面向對象的編程思想，以功能對象群組的構成方式來完整描述數控組件對象的特定工作狀態。 語言描述方案，可以通過靈活定義的算法規范深入系統內部的軟件構成細節，適用于系統底層策略方案的自定義配置。 引導設置采用開發向導的形式以圖形化詢問界面來定制用戶的擴展需求，一般用于較為簡單的擴展開發。
4 數控系統的設計實現
成功搭建出了以MC68F375+ MCX314為基礎的硬件開發平臺，規劃出了以嵌入式實時操作系統(RTOS)VxWorks為核心的層次化系統軟件體系結構和任務調度機制，開發出了TDNCM4 數控系統原型機，該系統能用于控制車床、鉆銑床，可控制4個進給軸和1個模擬主軸三軸聯動，具有直線插補和平面圓弧插補、螺旋線插補和空間圓弧( C IP) 插補等控制方式，能進行螺紋加工、變距螺紋加工等，可通過Internet進行數據傳輸和網絡化制造，并將該系統應用于TDNC-M40A 四軸加工中心的設計上，如圖6 所示。 經實驗證明，該數控機床工作穩定，性能可靠，主軸轉速最高可達6 000 r/m in，切削進給X、Y、Z 可達0~10 000mm /m in，定位精度X、Y、Z 可達? 0.005mm，重復定位精度X、Y、Z 可達? 0.003 mm，目前已被應用于天津大學數字化制造與測控技術研究所的一般金屬切削加工和工業陶瓷加工的實驗。
圖6 TDNC-M40A四軸加工中心
5 結 語
本系統設計的最大特點是將嵌入式技術應用到數控系統的設計中來，針對基于PC 的數控系統在穩定性、實時性等方面的不足，提出利用控制性能更加穩定和優異的MCU 以及運算性能更加強大的專用DSP芯片，為雙CPU 架構構建嵌入式數控系統的硬件平臺,利用性能優異的嵌入式實時操作系統VxWo rks作為數控系統的操作系統來統一調度系統運行的各個任務，使系統擁有了更佳的實時性和穩定性，初步研究了數控系統引導型二次開發平臺的理論模型，開發設計出TDNCM4數控系統的原型機，探索出了一條數控技術研究和開發的新渠道-嵌入式數控技術。
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本文標題：基于嵌入式技術的數控系統開發設計
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