嵌入式数控系统软硬件体系结构

3 应用实例

按照上述嵌入式体系结构的层次划分，本文开发了基于嵌入式PC和LINUX操作系统的嵌入式数控系统。

CPU采用嵌入式PC单元，通过PC104总线嵌入到数控主板中。在数控主板上，继承了开关量接口电路，MCP、MDI键盘接口电路，进给轴接口电路以及主轴接口电路。各接口电路由核心器件FPGA芯片集中控制。为满足CNC装置对开放性的要求，数控主板采用双FPGA设计。一个FPGA芯片负责控制开关量接口电路，MCP、MDI键盘接口电路，主轴接口电路，串行口伺服驱动装置接口电路；另一个FPGA芯片负责控制脉冲量伺服驱动装置或步进电机驱动装置接口电路，模拟量伺服驱动装置接口电路。两个FPGA芯片通过PC/104总线嵌入式PC机控制。利用FPGA芯片的灵活性，在不改变硬件电路的情况下，通过改变FPGA芯片的固件，以及两个FPGA芯片灵活搭配，可以构造出不同配置的数控装置。

操作系统是通过改造Linux内核使其成为实时操作系统。具体方法是：在Linux操作系统中嵌入一个硬件抽象层，接管所有中断和对硬件的操作。由于Linux采用整体式的模块化结构，数控系统任务中需要实时响应的任务做成数控实时模块，嵌入到Linux内核中，这些任务包括：伺服监控、PLC、位置控制等周期任务和插补这个非周期任务，刀补、译码和网络基本功能打包成数控应用程序接口。

在实时Linux软件平台的基础上，应用软件平台包含的离散点I/O控制API、传感器API、位置控制器API等接口为通用API接口。应用程序层包含的过程控制、人机界面及系统集成与配置支撑环境三部分只需要用实时Linux操作系统相关系统API替换相应的模块通信接口即可，上层应用模块可以不做修改。同时，应用软件平台具备良好的开放性，用户可自定义API来扩充系统功能支持，本文在应用平台层自定义了一个数控图形库API，用来支持数控系统的图形显示功能。

4 结语

本文提出的这种开放的嵌入式数控系统体系结构，在硬件上，标准的总线屏蔽了各功能部件差异，不同功能的数控硬件通过标准的信号规范来定义。在软件上，嵌入式实时操作系统为数控应用软件提供了系统接口，屏蔽硬件细节，提供实时、可靠、多任务的运行环境。软件体系结构总体上分层，使得体系结构清晰明了；层内按功能模块化，尽量减少模块耦合，使得软件复用性很好，有利于数控系统功能裁减和系统维护。既保证了硬件平台的开放性和稳定性，也使得软件移植和设计更加方便。