0 前言

　　數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，到目前為止經(jīng)歷了分立元件系統(tǒng)、專用計算機系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)等階段。在最初的分立元件系統(tǒng)階段，數(shù)控運算是由各種邏輯電路組合來實現(xiàn)的，這種系統(tǒng)的所有數(shù)控功能均由硬件系統(tǒng)完成。隨著計算機技術(shù)，特別是微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了基于微型或小型計算機的數(shù)控系統(tǒng)，這種數(shù)控系統(tǒng)又稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)(CoInputer numericcontrol，CNCl，這時的數(shù)控系統(tǒng)采用的計算機平臺是專為數(shù)控而設(shè)計，并在20世紀(jì)60～80年代得到廣泛的應(yīng)用，但是當(dāng)時全球只有少數(shù)幾家技術(shù)及財力雄厚的企業(yè)(如德國的西門子、美國的GE、日本的FANUC)才有能力開發(fā)這種專用計算機數(shù)控系統(tǒng)。

　　自20世紀(jì)80年代起，基于16位、32位的微處理器得到迅猛的發(fā)展。通用PC在計算能力、處理速度、人機交互和開發(fā)環(huán)境等方面都有了快速的發(fā)展。因此，許多企業(yè)、研究機構(gòu)開始采用基于PC的數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)。

　　目前，基于通用PC的開放式數(shù)控技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了PC+NC(又可分為PC嵌入NC、NC+國家自然科學(xué)基金重點資助項目(5033020)。20060622收到初稿嵌入PC等)和PC全軟集成NC等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是也應(yīng)該看到這種基于通用PC的數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)還存在一些無法回避的問題。由于PC機最初是針對數(shù)據(jù)處理、文件管理而設(shè)計的，因此其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高。更為重要的是，由于PC系統(tǒng)的硬件不是針對實時控制設(shè)計，不能很好地滿足實時控制的要求，例如數(shù)控系統(tǒng)的硬件功能沒有現(xiàn)成的模塊可利用，往往需要進行硬件擴展以滿足實時控制的需要，同時Pc提供的不少功能是實時控制中不需要的，而且PC系統(tǒng)的操作系統(tǒng)也不是針對實時控制而設(shè)計的。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化已成為數(shù)字制造技術(shù)的發(fā)展方向。目前數(shù)控系統(tǒng)本身的許多計算和處理功能，除實時控制功能外，將來必將由遠(yuǎn)程控制完成，也就是說隨著數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，現(xiàn)場每一個制造設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)在整個網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境中將成為一個簡單的執(zhí)行單元，或者說是網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點。在這種趨勢下，數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)必須適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字制造發(fā)展的需要，而嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)通用PC比較，在適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化方面有其獨特的優(yōu)勢。

　　采用基于工業(yè)PC的數(shù)控技術(shù)平臺存在另外一個無法回避的問題就是系統(tǒng)的核心硬軟件沒有自主知識產(chǎn)權(quán)。目前工業(yè)控制機使用最多的操作系統(tǒng)是Windows及其硬軟件模塊并非自主開發(fā)，而嵌入式技術(shù)則可以通過硬軟件自主開發(fā)，操作系統(tǒng)和系統(tǒng)模塊的剪裁，最終形成完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于嵌入式的新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)是“嵌入到受控對象或宿主系統(tǒng)中的專用計算機系統(tǒng)”。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)了32位甚至64位嵌入式中央處理器芯片，如美國MIPS公司的MIPS64。嵌入式系統(tǒng)所采用的中央處理器根據(jù)其設(shè)計目的用途，可大致分為微處理器(Micro processor uIlit，MPU)、微控器(Micro和數(shù)字信號處理器。用于嵌入式系統(tǒng)的中央處理單元具有指令簡單豐富、指令執(zhí)行快等特點，且有硬件浮點運算指令，實現(xiàn)硬件單、雙精度浮點運算，從而大大增強了嵌入式系統(tǒng)的計算能力。

　　目前，有的嵌入式處理芯片將多種處理器集成到一塊芯片形成針對特定應(yīng)用的專用處理芯片。這種芯片不但大大地增強了嵌入式系統(tǒng)的能力，而且簡化了系統(tǒng)的開發(fā)。一塊嵌入式處理器芯片幾乎提供了實時控制系統(tǒng)所需的所有硬件功能，可以實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的基本功能，即所謂片上系統(tǒng)(System on chip，SoC)。

　　嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的另一個重要趨勢是網(wǎng)絡(luò)化，即通過串行通信、總線技術(shù)和以太網(wǎng)，將嵌入式系統(tǒng)連成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)或接入到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，乃至互聯(lián)網(wǎng)。在嵌入式硬軟件開發(fā)環(huán)境方面，開發(fā)工具也越來越豐富和完善，比如聯(lián)合測試行動小組(Joint testaction group，JTAG)測試工具使得硬件的調(diào)試、測試變得非常容易。在軟件方面，針對嵌入式系統(tǒng)，目前人們開發(fā)了許多針對實時控制而設(shè)計的嵌入式實時操作系統(tǒng)以及相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境。總之，嵌入式技術(shù)具有很好的應(yīng)用性、很強的適應(yīng)性、資源利用充分、系統(tǒng)緊湊、開發(fā)和調(diào)試方便等明顯的特點。

　　正是由于嵌入式技術(shù)有以上特點，嵌入式技術(shù)受到人們的高度重視，在諸如機電控制、數(shù)字制造、檢測與傳感、實時狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷等工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，并成為未來數(shù)字制造發(fā)展方向之一。

　　1 嵌入式系統(tǒng)的模型與特點

　　嵌入式技術(shù)與系統(tǒng)由于資源利用充分、系統(tǒng)緊湊，以較低的成本提供了豐富的功能和卓越的性能;由于嵌入式系統(tǒng)能夠方便地進行軟硬件功能裁減，不會因此造成資源浪費，從而為數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)提供了最優(yōu)的性能價格比;嵌入式系統(tǒng)由于具有通用串行接口、多種現(xiàn)場總線接口和以太網(wǎng)接口，能夠方便地組成各種數(shù)字制造所需的網(wǎng)絡(luò);采用嵌入式技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)，這對發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的未來新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)創(chuàng)造了很好的條件。

　　1.1 嵌入式系統(tǒng)模型

　　嵌入式系統(tǒng)模型如圖1所示。從物理層面上來理解，嵌入式計算系統(tǒng)可以認(rèn)為是一個專用的電子系統(tǒng)，這個專用的電子系統(tǒng)通常被包含在一個較復(fù)雜的非電子系統(tǒng)中，這就是“嵌入式”的直觀意義。一個較復(fù)雜的非電子系統(tǒng)可以抽象成嵌入式系統(tǒng)的外部環(huán)境，稱之為被嵌入的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)中所包含的嵌入式系統(tǒng)一般有多個，且嵌入式系統(tǒng)也能直接與外界通信。

　　圖1 嵌入式系統(tǒng)模型系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)可為被嵌入系統(tǒng)提供一個專門的服務(wù)，該服務(wù)可以是對外界輸入的響應(yīng)，直接來自外界;也可以是對被嵌入系統(tǒng)或相鄰的嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)的響應(yīng)。

　　現(xiàn)代機電控制系統(tǒng)，在這樣一個分布式系統(tǒng)中，各處理單元通過網(wǎng)絡(luò)連接，可構(gòu)成如圖2所示的基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這里，網(wǎng)絡(luò)的概念是廣義的，可以是以某種介質(zhì)互連的松耦合結(jié)構(gòu)，也可以是以soc方式的片內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

　　1.2 嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能

　　嵌入式系統(tǒng)的中央處理單元～般采用精簡指令集計算技術(shù)，綜合比較專用芯片方法和微處理機方法，人們希望找到一種新的技術(shù)路線與方法，使它既具有專用芯片的高性能、高速度和高可靠性，又具有微處理器的高度“柔性”和強大的可編程功能。這就是嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能。

　　由于現(xiàn)場的編程門陳列技術(shù)的發(fā)展，可重構(gòu)技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來得到迅速發(fā)展，并獲得廣泛應(yīng)用，如在目標(biāo)識別、字符模式匹配、數(shù)據(jù)壓縮和遺傳算法等方面都獲得很大成功。新發(fā)展的嵌入式可重構(gòu)計算，很難說清是屬于哪一種類型的可重構(gòu)，因為從虛擬器件的角度來看，它可以實現(xiàn)電路級、指令級、結(jié)構(gòu)級和軟件級等各級的可重構(gòu);從現(xiàn)場可編程門陣列的技術(shù)來看，動態(tài)可重構(gòu)和靜態(tài)可重構(gòu)都不是問題;從IP核技術(shù)來看，既可以認(rèn)為是軟件可重構(gòu)，也可以是硬件可重構(gòu)。

　　計算功能的實施看成是由時間和空間構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的微處理器在空間維上是固定不變的，而在時間維上是可變的，或者說是可編程的，所以處理器的功能可以發(fā)生改變，是在于其時間維上的可變性。專用芯片的特點是功能固定，即空間維和時間維都是不可變的。嵌入式系統(tǒng)基于FPGA，其特點是介于兩者之間，它綜合了微處理器和專用芯片的特點，實現(xiàn)了空間維和時間維上均可變。可重構(gòu)是在軟件的控制下，利用可重用資源，重構(gòu)或重組計算平臺，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。可重構(gòu)的基礎(chǔ)是可重用資源，在FPGA出現(xiàn)之前，可重構(gòu)計算系統(tǒng)采用重組的方式，其重用資源是功能部件;FPGA出現(xiàn)后，其重用資源是基本的門和線，通過配置文件，定義每個門的性質(zhì)和線的連接，改變硬件的功能。從廣泛的意義上講，這種功能包含了硬軟件的可重構(gòu)。

　　由于嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能以及硬軟件可剪裁的特點，從而為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制技術(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供極大的方便，同時也使網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制系統(tǒng)的開放性和重用性成為可能。

　　2 嵌入式新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　2.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控硬件體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個硬件體系主要包括如下部分。

　　圖3 嵌入式新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　(1)顯示及輸入裝置。顯示及輸入裝置實現(xiàn)現(xiàn)場人機交互，操作命令的輸入，手搖脈沖輸入，加工狀態(tài)的顯示等功能。

　　(2)嵌入式數(shù)控單元。嵌入式數(shù)控單元是數(shù)控系統(tǒng)的中央控制單元，完成如下功能：顯示與輸入裝置相連，完成人機交互;加工代碼的編輯或獲取;編譯;插補、刀補運算及間隙補償;位置迸給控制及M、S、T等指令執(zhí)行：通過異步串行總線(采用MOD BUS協(xié)議)將邏輯控制指令發(fā)給PLC;負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的監(jiān)控(如監(jiān)控PLC和伺服控制系統(tǒng));通過以太網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)整個數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)、調(diào)試、運行、管理、監(jiān)控和診斷等。

　　(3)嵌入式PLC。嵌入式PLC完成數(shù)控系統(tǒng)的各種邏輯控制，具有通用PLC的功能。該模塊通過異步串行總線與中央數(shù)控單元相連，通過MODBUS協(xié)議接受控制命令，也可通過異步串行總線報告狀態(tài)信息。嵌入式PLC既可以由多個獨立的PLC模塊組成，也可以由一個PLC主模塊加幾個擴展模塊組成。

　　(4)嵌入式伺服控制模塊。嵌入式伺服控制模塊通過高速現(xiàn)場總線(CAN總線)，或者通過進給脈沖和方向控制信號，接受控制系統(tǒng)的各軸進給命令，通過控制伺服電動機完成加工位置的控制。嵌入式伺服控制模塊通常包含位置環(huán)和速度環(huán)控制。一個嵌入式伺服控制模塊可以控制一個或多個軸。一個嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)可以有一個到多個相同或不同的嵌入式伺服控制模塊，各嵌入式伺服控制模塊都連到高速現(xiàn)場總線。

　　(5)高速現(xiàn)場總線。高速現(xiàn)場總線主要用于傳送實時性要求很強的數(shù)據(jù)和命令，如伺服進給量，也可以傳送位置、狀態(tài)信息到數(shù)控單元。高速現(xiàn)場總線可采用總線。異步串行總線則主要用于數(shù)控單元與PLC模塊間以及PLc模塊間的命令和數(shù)據(jù)傳送，總線數(shù)據(jù)交換采用MOD BUS協(xié)議。

　　(6)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)用于同車間網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)相連。通過以太網(wǎng)接口，可以進行加工程序的傳送、遠(yuǎn)程操作、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等。嵌入式新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的最大特點是中央數(shù)字控制單元不再是～個通用的計算機系統(tǒng)，而是一個嵌入式計算機系統(tǒng)，具有運算能力強、結(jié)構(gòu)靈活、成本低廉等特點。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的其他單元，如伺服控制單元、PLC單元、顯示單元等也可以是不同結(jié)構(gòu)和不同層次的嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)是由一系列的組態(tài)嵌入式控制單元或模塊組成，這些單元或模塊按通用的目標(biāo)設(shè)計，而非針對特定的對象和環(huán)境，如嵌入式中央數(shù)字控制單元、嵌入式伺服控制單元(或嵌入式運動控制系統(tǒng))、嵌入式PLC單元、嵌入式顯示鍵入單元等(或人/機交互單元)。通過選擇適當(dāng)?shù)膯卧蚰K可以組成一個針對特定對象和環(huán)境的數(shù)控系統(tǒng)，就像用不同PLC的I/O模塊可以很方便地組合成針對不同控制對象和環(huán)境的控制系統(tǒng)一樣。