引言
市場對數控系統要求是具有更好的柔性、適應性、擴展性，并向小型化、智能化、網絡化方向發展。針對這一要求，本文提出了網絡化的嵌入式數控系統，其中央數控單元不是PC計算機系統，而是嵌入式控制系統，這種嵌入式控制系統采用ARM+DSP的結構，具有運算能力強、成本低的特點，提高了系統的實時性和可靠性，實現了數控系統的小型化、網絡化、智能化和集成化。嵌入式數控系統的其他單元，如伺服控制單元、PLC單元、通信單元、顯示單元、數據鍵入單元等，也在嵌入式系統的基礎上搭建，屬于嵌入式系統模塊。嵌入式數控系統的通信部分包含數控系統內CNC主控單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級工業以太網絡的通信和Intranet/Internet網絡通信。
1.系統總體結構
本網絡化嵌入式數控系統已經由武漢理工大學湖北省數字制造重點實驗室和嵌入式實驗室聯合開發成功。其中主控系統CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，系統的機床控制和插補運算等強實時任務由TI公司的32位TMS320F2812DSP芯片實現。在ARM中移植了U2cos11實時多任務操作系統，以進行實時多任務管理，其主要任務是實現數控系統的人機界面，完成加工程序的輸入、預編譯、軌跡計算、速度計算和加工零件圖形的模擬仿真等任務，同時提供工業以太網絡接口與上層管理PC機通信，然后通過上層PC機將嵌入式數控系統連入Internet。DSP負責處理一些實時性強的機床信號，并據ARM的指令執行機床控制和插補運算等強實時任務。在ARM中生成用于插補的數據(加工數據)，并通過CAN總線發給DSP，由DSP完成插補處理。伺服單元主要接受ARM和DSP的指令對主軸電機和進給電機進行控制。整個系統的體系結構如圖1所示。
圖1嵌入式數控系統的體系結構
2.嵌入式數控系統通信功能的實現
數控系統的網絡化是以Internet技術、通訊技術、數控技術和計算機技術等為基礎，將遠程設計、數控編程和數控加工等集成在一起，實現數控系統等數控設備的網絡化和集成化。嵌入式數控系統作為網絡化制造系統的基本單元，可以實現制造車間設備的集中控制管理、遠程控制、遠程故障診斷、網絡制造、網上培訓、網上營銷及網上管理等功能，從而可以在全球范圍內將具有不同數控類型的企業聯系起來實現資源的共享和優化利用，這樣不僅可以提高產品的加工質量和生產效率，還能敏捷地響應瞬息萬變的市場[1]。嵌入式數控系統中的通信功能包括3個方面:數控系統內CNC主控單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級工業以太網絡的通信和Intranet/Internet網絡通信，如圖2所示。
圖2嵌入式數控系統的通信結構
2.1 系統單元間的通信
系統ARM、DSP和各伺服單元之間通過CAN總線通信。CAN總線的特點決定了它非常適合架構嵌入式數控系統，首先CAN總線采用了循環冗余碼校驗(Cy2clicredundancy check) 、框架檢測( Frame check)、確認信號出錯檢測(ACK errors)、總線監控(Bus monito2ring) 、位填充(Bit stuffing)等5種錯誤監測和糾錯措施，從而達到了很高的可靠性，平均誤碼率小于10-13[2]。其次，CAN總線采用了獨特的位仲裁技術，具有比CSMA/CD網(IEE802.3)和令牌網(IEE802.4)更高的實時性。除此之外，CAN總線的通訊速率可達1MBPS，遠距離傳輸可達10km，同時接口簡單、安裝方便，通訊控制簡單。在嵌入式數控系統中，ARM、DSP和伺服單元都實現了CAN總線接口，可以作為系統的一個節點，非常方便地實現模塊加入、更改和退出。
嵌入式數控系統的主控CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，芯片內不帶CAN總線協議控制及驅動核，因此選取PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250總線收發器。SJA1000支持CAN2.0A/B規約，可方便地實現與S3C44B0接口。CAN接口電路如圖3所示，SJA1000集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，該控制器具有多主結構、總線訪問優先權、硬件濾波等特點。PCA82C250是CAN協議控制器和物理總線的接口，它可以提供總線的差動發送能力和接收能力，高速應用可達1MHz，可掛110個節點。
嵌入式數控系統的機床控制和插補運算等強實時任務由DSP實現。插補運算硬件采用TI公司的32位TMS320F2812芯片，其最高頻率可達150MHz，時鐘周期縮短到6.67ns，完全滿足數控插補算法的實時性[3]。同時2812芯片內部集成CAN總線控制器，因此外部只需接82C250總線驅動器即可。所有進行數據傳輸和接受濾波的協議由芯片內部的CAN總線控制器實現，通過2812芯片內的特殊功能寄存器可配置CAN控制器訪問接受到的數據以及進行數據傳輸。由于2812芯片可完成CAN總線協議的數據鏈路層和應用層的所有功能，因此可以非常方便的接入基于CAN總線的數控系統。
圖3嵌入式數控系統的CAN接口電路
考慮到數控系統的伺服電機有直流、交流和步進電機等，伺服模塊的可重構具有重大意義。伺服控制模塊也通過CAN總線的形式掛接在系統中，采用DSP芯片實現。由于20MHz的時鐘頻率對伺服控制完全足夠，考慮到成本問題，系統以TI公司生產的TMS320F243芯片作為伺服CPU，而不選用2812芯片。243芯片是TMS320系列定點數字信號處理器產品之一，專為數字電機控制而設計，其指令執行速度是20MHz，所有指令都可以在一個50ns的單周期內執行完畢，這使得復雜控制算法的實時執行成為可能。另外在243芯片內嵌入了CAN模塊，因此可以很方便地連接到CAN總線上。
2.2車間級工業以太網絡的通信
車間級工業以太網絡的通信的關鍵技術是以太網底層協議的實現。由于S3C44B0芯片內部沒有集成TCP/IP協議模塊，因此需要外接網絡協議芯片。嵌入式數控系統的網口部分采用了10M以太網接口芯片RTL8019AS、RJ45網絡插座和網絡變壓器，降低了干擾。以太網接口模塊與PC機中使用的網卡功能和電路結構基本一致，只是嵌入式數控系統與網絡模塊部分不是通過PCI/ISA即插即用的方式連接，而是直接與以太網接口芯片RTL8019AS的數據總線和地址總線相連。電路中采用了RTL8019AS的中斷輸出INT0(4腳)與S3C44B0X的EINT0(外部中斷源0)連接。RTL8019以中斷的方式與來報告自身的工作狀態，如發送數據包成功、接收到新的數據包、出錯異常中斷等。S3C44B0X在收到EINT0中斷后，進入相應的中斷處理程序后，對RTL8019AS內部寄存器ISR的值進行讀取，從而判斷是什么引發了中斷。由于電路的連接圖較大，這里不再給出具體的電路圖。
在開發以太網驅動程序時，只需要將要發送的數據按一定的格式寫入芯片并啟動發送命令，RTL8019AS會自動添加接收狀態、下一頁指針、以太網幀長度和校驗FCS段，并將數據包轉換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，RTL8019AS收到物理信號后將其還原成數據，按指定格式存放在芯片RAM中，以便主機程序取用。這樣RTL8019AS的工作就是完成數據包和電信號之間的相互轉換:數據包<=>電信號。RTL8019AS輸入輸出地址共32個，地址偏移量為00H4/1FH，其中00H - 0FH共16個地址，為寄存器地址，寄存器分成4頁PAGE04/PAGE3，與NE2000兼容的寄存器只有3頁( Page0-Page2)，為了保證驅動程序對所有Ne2000的網卡有效，本系統沒有使用第四頁的寄存器。以太網協議由RTL8019AS芯片硬件自動完成，對上層應用程序透明。驅動程序有3種功能:芯片初始化、收包、發包。發送數據包是先將待發送的數據包通過DMA寫操作存入網卡芯片RAM，并給出發送緩沖區首地址(TPSR0、TPSR1)和數據包長度(TBCR0，TB2CR1)，啟動發送命令，網卡芯片會自動按以太網協議完成發送并將結果寫入狀態寄存器。接收數據包時，采用中斷的方式，根據對RTL8019AS內部寄存器ISR的值進行讀取可以判斷是否收到新的數據包，如果有則通過DMA讀操作從網卡芯片RAM讀出數據。
2.3Intranet/Internet網絡通信
Intranet/Internet網絡通信是指企業內數控系統與上位計算機之間的通信，將嵌入式數控系統、上層管理PC機以及辦公用網絡經過Intranet聯在一起，然后接入外部Internet。這樣通過Intranet將企業中的MRP系統、MIS系統和辦公室的CAD/CAM系統等形成一個整體，方便快捷地與數控機床進行信息交換與控制，可在異地設計、編程，然后通過以太網傳送和共享零件加工程序，實現CAD/CAM/CNC的網絡集成。同時通過Internet將分布在不同地域的數控設備、現場設備維修工程師、設備制造企業維修工程師及領域專家組織和聯系起來，在設備與人之間、人與人之間進行快速的信息傳遞，形成一個網絡化的數控設備診斷與維修咨詢系統和視頻會議系統，對數控設備進行遠程監控和故障診斷，還可以組成網上虛擬車間(工廠)和電子商務。
系統的基于視訊技術的遠程服務提供了一個包括聲音、圖像、文本等多種媒體在內的協調工作環境，是遠程協作的重要工具。遠程監控模塊通過CCD攝像頭實時地采集數字
