0 引言

　　數(shù)控系統(tǒng)的開放性是目前數(shù)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)。現(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(diǎn)或者開放程度相對(duì)大一些而已。目前的研究大都著眼于基于PC 平臺(tái)的軟硬件開發(fā)，其實(shí)質(zhì)就是在PC 平臺(tái)的基礎(chǔ)上，配以一定的接口卡及人機(jī)交互界面進(jìn)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(hào)處理器具有高速運(yùn)算能力，使許多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)；加之其把實(shí)時(shí)處理能力和控制的外設(shè)功能集于一身等優(yōu)點(diǎn)，所以它在數(shù)控技術(shù)中越來越被廣泛應(yīng)用。本文提出了基于T I 公司嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器

　　TMS320F2812 的數(shù)控系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制,另外利用DSP 內(nèi)部的CAN總線控制器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)成了分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。為彌補(bǔ)單任務(wù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的不足,本系統(tǒng)移植了嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核mC/OS-II,為上層的軟件開發(fā)建立了良好的任務(wù)管理平臺(tái)和底層驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。

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(shè)計(jì)方法，定義了系統(tǒng)的總線，預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)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(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開放性要求做了良好的硬件基礎(chǔ)。

　　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(yīng)的存儲(chǔ)單元、顯示、鍵盤、外圍驅(qū)動(dòng)等電路組成，是該系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

　　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(jī)，其控制由定制的運(yùn)動(dòng)控制模塊完成。準(zhǔn)確可靠的位置和速度檢測(cè)環(huán)節(jié)是數(shù)控系統(tǒng)高速高精度的基礎(chǔ)。為此，我們采用一片CPLD 來實(shí)現(xiàn)4 倍頻計(jì)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(jī)軸倍頻信號(hào)的脈沖周期可以保持一致。為抑制長(zhǎng)距離傳輸中可能引入的干擾信號(hào)，輸出至驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)和輸入至CPLD 的編碼器反饋信號(hào)采用差分輸出方式。該方案可改善整個(gè)電路的邏輯和電氣特性，增強(qiáng)電路的抗干擾性能，從而提高整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和工作的可靠性。

　　1.3 信號(hào)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過程，可采集當(dāng)前各個(gè)控制軸坐標(biāo)位置、運(yùn)動(dòng)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(yùn)行，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及診斷。該模塊主要由TMS320F2812 片內(nèi)的ADC 和外圍的信號(hào)調(diào)理電路組成。

　　1.4 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

　　CAN（Controller Area Network）總線，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)，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(shí)刻由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到總線上，并被其他所有節(jié)點(diǎn)接受、判斷后決定是否應(yīng)用這個(gè)消息。由于其具有通信速率高、開放性好、實(shí)時(shí)性好、糾錯(cuò)能力強(qiáng)以及控制簡(jiǎn)單、傳輸可靠性高、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域中公認(rèn)為最具有應(yīng)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(gè)郵箱，占用512 字節(jié)RAM，并且所有郵箱都具有獨(dú)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(gè)可編程的接收屏蔽寄存器。所有進(jìn)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了與PC 機(jī)的RS-232 通訊，可進(jìn)行上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的層次化激活機(jī)制

　　為了保證數(shù)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，如振動(dòng)信號(hào)、刀具磨損、軸承溫度、設(shè)備振動(dòng)量和切削力等模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行在線分析，及時(shí)調(diào)整機(jī)床運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件要求嚴(yán)格，需要的傳感器網(wǎng)絡(luò)比較龐大，相對(duì)的數(shù)據(jù)采集和分析計(jì)算量很大時(shí)，單獨(dú)一臺(tái)數(shù)控設(shè)備就可能無法及時(shí)的處理現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。特別是需要進(jìn)行故障診斷和返回控制的場(chǎng)合，當(dāng)涉及的情況比較復(fù)雜，會(huì)經(jīng)常發(fā)生超出單獨(dú)設(shè)備處理能力和存儲(chǔ)能力的情況，這時(shí)有必要組建數(shù)控設(shè)備的加工通訊網(wǎng)路，利用分布式計(jì)算的思想，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理診斷返回控制分散的其他的設(shè)備中去。

　　TMS320F2812 內(nèi)部自帶了一個(gè)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(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，隨時(shí)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(cè)控網(wǎng)絡(luò)。將通訊網(wǎng)絡(luò)化處理能力和控制能力劃分為群控設(shè)備級(jí)、車間級(jí)、企業(yè)級(jí)直到互聯(lián)網(wǎng)級(jí)。單獨(dú)的設(shè)備被逐層的聯(lián)系起來，其監(jiān)控邏輯只負(fù)責(zé)本機(jī)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(jiǎn)化，在這一級(jí)，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(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，則具有更強(qiáng)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(yùn)算結(jié)構(gòu)，進(jìn)行再加工，完成現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)，但所耗費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)資源也就越大，為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)處理資源，我們提出了狀態(tài)監(jiān)控的分層激活機(jī)制。其核心原則是，采用一種可由用戶定制的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控策略，先期定義一些可能的現(xiàn)場(chǎng)診斷形式和所需的監(jiān)控處理強(qiáng)度，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需要診斷處理模塊相應(yīng)時(shí)，根據(jù)定義策略，激活相應(yīng)的處理機(jī)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(xué)習(xí)機(jī)制，記憶和歸類經(jīng)常出現(xiàn)的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)的平均效率。

3 基于mC/OS-II的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　單任務(wù)數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通常通過一個(gè)無限循環(huán)來判斷任務(wù)的標(biāo)志量，通過中斷（定時(shí)中斷和鍵盤中斷）來激活新的任務(wù)，進(jìn)入固定的任務(wù)中斷程序入口，來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度。在這種調(diào)度方式下，系統(tǒng)的大多數(shù)時(shí)間被任務(wù)等待的無限循環(huán)占據(jù)，在任務(wù)處理的過程中，其他的同等級(jí)的任務(wù)無法使用CPU 的資源，無法進(jìn)行任務(wù)之間有效的上下文切換，導(dǎo)致了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性十分不可靠。同時(shí)，如果任務(wù)在執(zhí)行過程中需要等待信號(hào)，或延時(shí)信號(hào)處理，當(dāng)這種延時(shí)不可預(yù)計(jì)的情況下，就可能占據(jù)大量的系統(tǒng)時(shí)間，造成系統(tǒng)資源的大量浪費(fèi)，導(dǎo)致無法響應(yīng)更緊急的任務(wù)，這種無限的等待情況會(huì)導(dǎo)致許多不可預(yù)計(jì)的后果。在DSP系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II將增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，并使得調(diào)試程序變得簡(jiǎn)單。在系統(tǒng)中嵌入mC/OS-II，可以把整個(gè)程序分成許多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù)，時(shí)間用完以后，任務(wù)必須交出CPU 的使用權(quán)。即使一個(gè)任務(wù)發(fā)生問題，也不會(huì)影響其他任務(wù)的運(yùn)行。mC/OS-II 優(yōu)越的技術(shù)性能，有利于數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，能夠促進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)整體性能的提升，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也使得調(diào)試程序變得容易。

　系統(tǒng)在以C/OS-II為底層軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，由 C/OS-II 提供的各種軟件平臺(tái)支持，構(gòu)建以任務(wù)管理，通信管理，中斷仲裁，堆棧管理，內(nèi)存管理，時(shí)鐘管理和網(wǎng)絡(luò)支持的軟件框架，同時(shí)在C/OS-II的基礎(chǔ)上制定合理有效的優(yōu)先級(jí)，以保證CNC 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)加工的特點(diǎn)可將任務(wù)劃分為模塊：位置控制模塊，插補(bǔ)運(yùn)算模塊，動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊，譯碼解釋模塊，交互顯示模塊，鍵盤任務(wù)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(yīng)用平臺(tái)，集成便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)的接口程序，便于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)。

4 結(jié)束語

　　基于CAN 總線構(gòu)建的層次化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模塊，保證了數(shù)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的安全可靠和產(chǎn)品的加工質(zhì)量。DSP 和CPLD 的應(yīng)用使系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，易于實(shí)現(xiàn)各種較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡控制。同時(shí)，基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)構(gòu)建的軟件體系，克服了當(dāng)前數(shù)控平臺(tái)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度，提高了系統(tǒng)的可靠性和精度。