嵌入式數控系統軟硬件體系結構介紹

嵌入式技術和數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，建立嵌入式數控系統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控系統中將是非常繁重且容易出錯的工作。

嵌入式數控系統體系結構就是要為各個模塊提供集成規則和接口規范，通過這些集成規則和接口規范，不同的開發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則，可以構建不同的嵌入式數控系統，由數控系統集成到工控站，由工控站再到工控網絡乃至更復雜的系統。嵌入式數控體系結構能夠提高系統的靈活性、可靠性、安全性和開放性。

本文研究了嵌入式數控系統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 嵌入式數控系統硬件體系結構

嵌入式數控系統硬件體系結構如圖1所示。

圖1嵌入式數控系統硬件體系結構

嵌入式數控系統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。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。可編程計算部件，若干年前還是單指處理器或微控制器，而現在卻增加了如FPGA等其它可編程計算資源。

數控系統要和操作人員交互，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，這里用來存儲數控系統程序及配制數據。

進給軸接口是數控系統和進給伺服系統的橋梁。就現階段經常使用的伺服控制系統而言，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控系統與主軸驅動單元，它包含兩個部分：主軸速度控制輸出和主軸編碼器輸入。

在數控系統內集成的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，實現各種控制算法的計算輸入。

現代制造工程的發展要求數控系統間應該能夠通過網絡互連，傳遞命令和數據信息，并行完成數控任務。因此加入以太網模塊，以便在需要時實現數控系統的聯網。

上述各功能模塊通過標準總線連接，實行統一的總線接口規范。該體系結構中有些功能模塊不是每一個嵌入式數控系統都必須的，可根據具體要求裁減。

2 嵌入式數控系統軟件體系結構

嵌入式數控系統軟件體系結構如圖2所示：

圖2嵌入式數控系統軟件體系結構