0 前言

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

　　自20世紀80年代起，基于16位、32位的微處理器得到迅猛的發展。通用PC在計算能力、處理速度、人機交互和開發環境等方面都有了快速的發展。因此，許多企業、研究機構開始采用基于PC的數控技術與系統。

　　目前，基于通用PC的開放式數控技術得到迅速發展，出現了PC+NC(又可分為PC嵌入NC、NC+國家自然科學基金重點資助項目(5033020)。20060622收到初稿嵌入PC等)和PC全軟集成NC等系統結構，但是也應該看到這種基于通用PC的數控技術與系統還存在一些無法回避的問題。由于PC機最初是針對數據處理、文件管理而設計的，因此其結構相對復雜，成本較高。更為重要的是，由于PC系統的硬件不是針對實時控制設計，不能很好地滿足實時控制的要求，例如數控系統的硬件功能沒有現成的模塊可利用，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系統的操作系統也不是針對實時控制而設計的。

　　隨著網絡技術的發展，數控技術的網絡化已成為數字制造技術的發展方向。目前數控系統本身的許多計算和處理功能，除實時控制功能外，將來必將由遠程控制完成，也就是說隨著數控技術的網絡化發展，現場每一個制造設備的數控系統在整個網絡制造環境中將成為一個簡單的執行單元，或者說是網絡的一個節點。在這種趨勢下，數控技術與系統必須適應未來網絡技術和數字制造發展的需要，而嵌入式系統與工業通用PC比較，在適應網絡化方面有其獨特的優勢。

　　采用基于工業PC的數控技術平臺存在另外一個無法回避的問題就是系統的核心硬軟件沒有自主知識產權。目前工業控制機使用最多的操作系統是Windows及其硬軟件模塊并非自主開發，而嵌入式技術則可以通過硬軟件自主開發，操作系統和系統模塊的剪裁，最終形成完全具有自主知識產權的基于嵌入式的新型網絡數控系統。

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

　　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的能力，而且簡化了系統的開發。一塊嵌入式處理器芯片幾乎提供了實時控制系統所需的所有硬件功能，可以實現整個控制系統的基本功能，即所謂片上系統(System on chip，SoC)。

　　嵌入式系統發展的另一個重要趨勢是網絡化，即通過串行通信、總線技術和以太網，將嵌入式系統連成現場網絡或接入到企業網絡，乃至互聯網。在嵌入式硬軟件開發環境方面，開發工具也越來越豐富和完善，比如聯合測試行動小組(Joint testaction group，JTAG)測試工具使得硬件的調試、測試變得非常容易。在軟件方面，針對嵌入式系統，目前人們開發了許多針對實時控制而設計的嵌入式實時操作系統以及相應的軟件開發環境?？傊?，嵌入式技術具有很好的應用性、很強的適應性、資源利用充分、系統緊湊、開發和調試方便等明顯的特點。

　　正是由于嵌入式技術有以上特點，嵌入式技術受到人們的高度重視，在諸如機電控制、數字制造、檢測與傳感、實時狀態監控與故障診斷等工業領域得到越來越廣泛的應用，并成為未來數字制造發展方向之一。

　　1 嵌入式系統的模型與特點

　　嵌入式技術與系統由于資源利用充分、系統緊湊，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，從而為數控技術與系統提供了最優的性能價格比;嵌入式系統由于具有通用串行接口、多種現場總線接口和以太網接口，能夠方便地組成各種數字制造所需的網絡;采用嵌入式技術能夠實現完全自主知識產權，這對發展自主知識產權的未來新型網絡數控技術與系統創造了很好的條件。

　　1.1 嵌入式系統模型

　　嵌入式系統模型如圖1所示。從物理層面上來理解，嵌入式計算系統可以認為是一個專用的電子系統，這個專用的電子系統通常被包含在一個較復雜的非電子系統中，這就是“嵌入式”的直觀意義。一個較復雜的非電子系統可以抽象成嵌入式系統的外部環境，稱之為被嵌入的系統。整個系統中所包含的嵌入式系統一般有多個，且嵌入式系統也能直接與外界通信。

　　圖1 嵌入式系統模型系統

　　嵌入式系統可為被嵌入系統提供一個專門的服務，該服務可以是對外界輸入的響應，直接來自外界;也可以是對被嵌入系統或相鄰的嵌入式系統數據的響應。

　　現代機電控制系統，在這樣一個分布式系統中，各處理單元通過網絡連接，可構成如圖2所示的基于網絡的嵌入式系統結構。這里，網絡的概念是廣義的，可以是以某種介質互連的松耦合結構，也可以是以soc方式的片內網絡。

　　1.2 嵌入式系統的可重構功能

　　嵌入式系統的中央處理單元～般采用精簡指令集計算技術，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。這就是嵌入式系統的可重構功能。

　　由于現場的編程門陳列技術的發展，可重構技術自20世紀90年代以來得到迅速發展，并獲得廣泛應用，如在目標識別、字符模式匹配、數據壓縮和遺傳算法等方面都獲得很大成功。新發展的嵌入式可重構計算，很難說清是屬于哪一種類型的可重構，因為從虛擬器件的角度來看，它可以實現電路級、指令級、結構級和軟件級等各級的可重構;從現場可編程門陣列的技術來看，動態可重構和靜態可重構都不是問題;從IP核技術來看，既可以認為是軟件可重構，也可以是硬件可重構。

　　計算功能的實施看成是由時間和空間構成的二維結構，傳統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，實現了空間維和時間維上均可變?？芍貥嬍窃谲浖目刂葡?，利用可重用資源，重構或重組計算平臺，以適應不同的應用需求?？芍貥嫷幕A是可重用資源，在FPGA出現之前，可重構計算系統采用重組的方式，其重用資源是功能部件;FPGA出現后，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。

　　由于嵌入式系統的可重構功能以及硬軟件可剪裁的特點，從而為網絡數字控制技術與系統的設計和實現提供極大的方便，同時也使網絡數字控制系統的開放性和重用性成為可能。

　　2 嵌入式新型網絡數控系統體系結構

　　2.1 嵌入式網絡數控硬件體系結構

　　嵌入式新型網絡數控系統硬件結構如圖3所示。整個硬件體系主要包括如下部分。

　　圖3 嵌入式新型網絡數控系統硬件結構

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

　　(2)嵌入式數控單元。嵌入式數控單元是數控系統的中央控制單元，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等指令執行：通過異步串行總線(采用MOD BUS協議)將邏輯控制指令發給PLC;負責對系統的監控(如監控PLC和伺服控制系統);通過以太網與外部網絡連接，實現整個數控系統的網絡化開發、調試、運行、管理、監控和診斷等。

　　(3)嵌入式PLC。嵌入式PLC完成數控系統的各種邏輯控制，具有通用PLC的功能。該模塊通過異步串行總線與中央數控單元相連，通過MODBUS協議接受控制命令，也可通過異步串行總線報告狀態信息。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和速度環控制。一個嵌入式伺服控制模塊可以控制一個或多個軸。一個嵌入式網絡數控系統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場總線。

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

　　(6)以太網。以太網用于同車間網、企業網甚至互聯網相連。通過以太網接口，可以進行加工程序的傳送、遠程操作、狀態監控和故障診斷等。嵌入式新型網絡數控系統的最大特點是中央數字控制單元不再是～個通用的計算機系統，而是一個嵌入式計算機系統，具有運算能力強、結構靈活、成本低廉等特點。嵌入式數控系統的其他單元，如伺服控制單元、PLC單元、顯示單元等也可以是不同結構和不同層次的嵌入式系統。系統是由一系列的組態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設計，而非針對特定的對象和環境，如嵌入式中央數字控制單元、嵌入式伺服控制單元(或嵌入式運動控制系統)、嵌入式PLC單元、嵌入式顯示鍵入單元等(或人/機交互單元)。通過選擇適當的單元或模塊可以組成一個針對特定對象和環境的數控系統，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境的控制系統一樣。