0 引言

　　數(shù)控　　數(shù)控系統(tǒng)的開放性是目前數(shù)控技術(shù)研究的熱點�，F(xiàn)階段，數(shù)控系統(tǒng)的真正開放性還很難做到，一些數(shù)控系統(tǒng)只是具備了開放式系統(tǒng)的特點或者開放程度相對大一些而已。目前的研究大都著眼于基于PC 平臺的軟硬件開發(fā)，其實質(zhì)就是在PC 平臺的基礎上，配以一定的接口卡及人機交互界面進行數(shù)控加工的專門工具，在結(jié)構(gòu)和性能上都存在很大局限性。由于嵌入式數(shù)字信號處理器具有高速運算能力，使許多復雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)；加之其把實時處理能力和控制的外設功能集于一身等優(yōu)點，所以它在數(shù)控技術(shù)中越來越被廣泛應用。本文提出了基于T I 公司嵌入式數(shù)字信號處理器

　　TMS320F2812 的數(shù)控系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)能夠獨立完成伺服電機的實時運動控制,另外利用DSP 內(nèi)部的CAN總線控制器，實現(xiàn)了數(shù)控設備檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡化，構(gòu)成了分布式測控網(wǎng)絡。為彌補單任務系統(tǒng)的軟件設計的不足,本系統(tǒng)移植了嵌入式實時內(nèi)核mC/OS-II,為上層的軟件開發(fā)建立了良好的任務管理平臺和底層驅(qū)動平臺。

1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　本系統(tǒng)采用模塊化的設計方法，定義了系統(tǒng)的總線，預留了標準的工業(yè)級接口，用戶可根據(jù)不同功能要求選擇模塊以重構(gòu)自己的系統(tǒng)。這樣的設計為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開放性要求做了良好的硬件基礎。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　1.1 主控及交互模塊

　　主控及交互模塊主要由T I 公司的T M S 3 2 0F2812 DSP 及相應的存儲單元、顯示、鍵盤、外圍驅(qū)動等電路組成，是該系統(tǒng)的硬件基礎。

　　1.2 控制電路

　　本數(shù)控系統(tǒng)采用全數(shù)字式交流伺服電機，其控制由定制的運動控制模塊完成。準確可靠的位置和速度檢測環(huán)節(jié)是數(shù)控系統(tǒng)高速高精度的基礎。為此，我們采用一片CPLD 來實現(xiàn)4 倍頻計數(shù)電路，由于在CPLD 內(nèi)的門電路和觸發(fā)器的特性完全一致，所以在相同轉(zhuǎn)速下各電機軸倍頻信號的脈沖周期可以保持一致。為抑制長距離傳輸中可能引入的干擾信號，輸出至驅(qū)動器的脈沖信號和輸入至CPLD 的編碼器反饋信號采用差分輸出方式。該方案可改善整個電路的邏輯和電氣特性，增強電路的抗干擾性能，從而提高整個數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和工作的可靠性。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　1.3 信號采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊實時地監(jiān)測數(shù)控加工過程，可采集當前各個控制軸坐標位置、運動速度、加速度、加工程序指針、系統(tǒng)增益、刀具參數(shù)等數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的可靠運行，對數(shù)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)測及診斷。該模塊主要由TMS320F2812 片內(nèi)的ADC 和外圍的信號調(diào)理電路組成。

　　1.4 網(wǎng)絡通訊模塊

　　CAN（Controller Area Network）總線，屬于現(xiàn)場總線技術(shù)范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信局域網(wǎng)絡，以半雙工的方式工作，采用基于數(shù)據(jù)的傳輸方式，消息可以在任何時刻由任何節(jié)點發(fā)送到總線上，并被其他所有節(jié)點接受、判斷后決定是否應用這個消息。由于其具有通信速率高、開放性好、實時性好、糾錯能力強以及控制簡單、傳輸可靠性高、擴展能力強、系統(tǒng)成本低等特點，已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信，是當今自動化領域中公認為最具有應用前景的技術(shù)之一。

　　CAN總線系統(tǒng)的硬件電路主要由T M S 3 2 0 -F2812、CAN 總線收發(fā)器PCA82C250 等芯片組成。TMS320F2812 中的CAN 有32 個郵箱，占用512 字節(jié)RAM，并且所有郵箱都具有獨立的接收屏蔽寄存器，都可以配置為發(fā)送或接收郵箱，且都有一個可編程的接收屏蔽寄存器。所有進行數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波的協(xié)議功能都是由CAN 控制器執(zhí)行的，通過DSP 片內(nèi)的特殊功能寄存器可配置CAN 控制器訪問接收到的數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)。因此，TMS320F2812可完成CAN 總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的所有功能。

另外，TMS320F2812 片內(nèi)有集成的SCI接口,我們通過DSP 的SCI 實現(xiàn)了與PC 機的RS-232 通訊，可進行上下位機的數(shù)據(jù)交換。

2 網(wǎng)絡監(jiān)測的層次化激活機制

　　為了保證數(shù)控設備現(xiàn)場運行的安全可靠和產(chǎn)品的加工質(zhì)量，加工車間采用傳感器對機床運行狀態(tài)，如振動信號、刀具磨損、軸承溫度、設備振動量和切削力等模擬量進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行在線分析，及時調(diào)整機床運行參數(shù)。當現(xiàn)場條件要求嚴格，需要的傳感器網(wǎng)絡比較龐大，相對的數(shù)據(jù)采集和分析計算量很大時，單獨一臺數(shù)控設備就可能無法及時的處理現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。特別是需要進行故障診斷和返回控制的場合，當涉及的情況比較復雜，會經(jīng)常發(fā)生超出單獨設備處理能力和存儲能力的情況，這時有必要組建數(shù)控設備的加工通訊網(wǎng)路，利用分布式計算的思想，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理診斷返回控制分散的其他的設備中去。

　　TMS320F2812 內(nèi)部自帶了一個CAN 總線控制器。CAN 總線能夠在工廠構(gòu)成低層的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠做到數(shù)控設備檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡化，隨時提供上層數(shù)據(jù)獲取的需要，因此，可以充分利用DSP 內(nèi)部的CAN 總線控制器，構(gòu)成分布式測控網(wǎng)絡。我們所建立的網(wǎng)絡構(gòu)架是一種層次化的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，將通訊網(wǎng)絡化處理能力和控制能力劃分為群控設備級、車間級、企業(yè)級直到互聯(lián)網(wǎng)級。單獨的設備被逐層的聯(lián)系起來，其監(jiān)控邏輯只負責本機的一些常見的故障診斷情況，軟硬件結(jié)構(gòu)可以有很大簡化，在這一級，我們用CAN 總線把數(shù)控系統(tǒng)的各功能模塊聯(lián)接起來。上一層次的網(wǎng)絡節(jié)點設備，則具有更強的處理能力和故障分析能力，能夠接受下層無法處理的數(shù)據(jù)或初步運算結(jié)構(gòu)，進行再加工，完成現(xiàn)場的分析診斷要求。隨著層次的不斷提高，診斷水平也不斷增強，但所耗費的網(wǎng)絡資源也就越大，為優(yōu)化網(wǎng)絡處理資源，我們提出了狀態(tài)監(jiān)控的分層激活機制。其核心原則是，采用一種可由用戶定制的現(xiàn)場監(jiān)控策略，先期定義一些可能的現(xiàn)場診斷形式和所需的監(jiān)控處理強度，當現(xiàn)場監(jiān)測需要診斷處理模塊相應時，根據(jù)定義策略，激活相應的處理機制，可以采用逐層向上激活的方式，也可以直接激活指定的處理層，并且建立起一種系統(tǒng)的自學習機制，記憶和歸類經(jīng)常出現(xiàn)的監(jiān)測狀態(tài)，提高狀態(tài)監(jiān)測的平均效率。

圖2 層次化激活監(jiān)控

3 基于mC/OS-II的系統(tǒng)軟件設計

　　單任務數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計結(jié)構(gòu)通常通過一個無限循環(huán)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(xiàn)任務的調(diào)度。在這種調(diào)度方式下，系統(tǒng)的大多數(shù)時間被任務等待的無限循環(huán)占據(jù)，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(tǒng)的實時性十分不可靠。同時，如果任務在執(zhí)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(jù)大量的系統(tǒng)時間，造成系統(tǒng)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。在DSP系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II將增強系統(tǒng)的可靠性，并使得調(diào)試程序變得簡單。在系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II，可以把整個程序分成許多任務，每個任務相對獨立，然后在每個任務中設置超時函數(shù)，時間用完以后，任務必須交出CPU 的使用權(quán)。即使一個任務發(fā)生問題，也不會影響其他任務的運行。mC/OS-II 優(yōu)越的技術(shù)性能，有利于數(shù)控系統(tǒng)的實時響應，能夠促進數(shù)控系統(tǒng)整體性能的提升，提高系統(tǒng)的可靠性，同時也使得調(diào)試程序變得容易。

　　如圖3所示，系統(tǒng)在以μC/OS-II為底層軟件平臺的基礎上，由μ C/OS-II 提供的各種軟件平臺支持，構(gòu)建以任務管理，通信管理，中斷仲裁，堆棧管理，內(nèi)存管理，時鐘管理和網(wǎng)絡支持的軟件框架，同時在μC/OS-II的基礎上制定合理有效的優(yōu)先級，以保證CNC 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)加工的特點可將任務劃分為模塊：位置控制模塊，插補運算模塊，動態(tài)監(jiān)控模塊，譯碼解釋模塊，交互顯示模塊，鍵盤任務模塊，文件系統(tǒng)管理模塊，通過各模塊之間的合理結(jié)合，形成系統(tǒng)的工作和應用平臺，集成便于用戶進行二次開發(fā)的接口程序，便于系統(tǒng)的維護與升級。

圖3 基于mC/OS-II的數(shù)控系統(tǒng)軟/硬件體系結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

　　基于CAN 總線構(gòu)建的層次化網(wǎng)絡監(jiān)測模塊，保證了數(shù)控設備現(xiàn)場運行的安全可靠和產(chǎn)品的加工質(zhì)量。DSP 和CPLD 的應用使系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)大為簡化，易于實現(xiàn)各種較復雜的運動軌跡控制。同時，基于實時操作系統(tǒng)構(gòu)建的軟件體系，克服了當前數(shù)控平臺的缺陷，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時調(diào)度，提高了系統(tǒng)的可靠性和精度。 

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本文標題：基于網(wǎng)絡監(jiān)測的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究

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