嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)①

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)的數(shù)字控制技術(shù)取得了較大程度上的進(jìn)步，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及工業(yè)水平的提高做出重要貢獻(xiàn)。就數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，它已經(jīng)經(jīng)歷了多個(gè)階段，主要有分立元件系統(tǒng)階段、專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)階段以及通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)階段。單就目前使用較為光廣泛的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，它存在著一定程度的弊端，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)資源與需求不匹配、操作系統(tǒng)難以與實(shí)時(shí)控制相適應(yīng)等。針對(duì)這一情況，本文提出了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行研究與分析。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制 嵌入式體系結(jié)構(gòu) 數(shù)字信號(hào)處理器

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（a）-0009-02

1 嵌入式系統(tǒng)的模型與特點(diǎn)

1.1 嵌入式系統(tǒng)模型

圖1顯示的主要是嵌入式系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)。

如果從物理層面的角度對(duì)其進(jìn)行一定程度上的分析，可以將嵌入式計(jì)算系統(tǒng)理解成一個(gè)專用的電子系統(tǒng)，一般情況下，這一專用的電子系統(tǒng)都處于一個(gè)非電子系統(tǒng)環(huán)境之下，且這一系統(tǒng)環(huán)境具有一定的復(fù)雜性。至于這兩種系統(tǒng)的關(guān)系，可以對(duì)其進(jìn)行一定程度的抽象化處理，即具有復(fù)雜性的非電子系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的外部環(huán)境，我們將其稱為被嵌入的系統(tǒng)。就一般狀況而言，整個(gè)系統(tǒng)之中所包含的嵌入式系統(tǒng)為多個(gè)，同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)能夠與外界進(jìn)行直接的通信。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它能夠提供一個(gè)專門(mén)的服務(wù)給被嵌入系統(tǒng)，這一服務(wù)主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面，這一服務(wù)可以表現(xiàn)為對(duì)外界輸入的響應(yīng)；另一方面，這一服務(wù)也可以是對(duì)被嵌入系統(tǒng)或者與之相鄰的嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)的響應(yīng)。就如現(xiàn)代機(jī)電控制系統(tǒng)，對(duì)于這一系統(tǒng)而言，它是一種分布式的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)環(huán)境之下，各個(gè)處理單元都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定程度上的連接的。圖2顯示的主要是基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的可重構(gòu)功能

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，其中央處理單元一般都是對(duì)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算技術(shù)進(jìn)行一定程度上的采用，通過(guò)對(duì)專用芯片方法以及微處理機(jī)方法進(jìn)行一定程度上的對(duì)比分析，人們更希望探索出一套針對(duì)性較強(qiáng)且行之有效的新路線與新方法，使其兼?zhèn)鋵Ｓ眯酒椒ㄒ约拔⑻幚頇C(jī)方法的優(yōu)點(diǎn)，即既能夠表現(xiàn)出專用芯片的高性能、高速度以及高可靠性，同時(shí)又具備微處理機(jī)的強(qiáng)大編成功能。

對(duì)于可重構(gòu)而言，它主要指的是在軟件控制的環(huán)境之下，通過(guò)對(duì)可重用資源進(jìn)行一定程度上的利用，并由此來(lái)對(duì)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行有效的重構(gòu)與重組，這樣一來(lái)，就能夠?qū)Ω鞣N不同的需求進(jìn)行有效的實(shí)現(xiàn)?？芍赜觅Y源在可重構(gòu)之中有著基礎(chǔ)性的地位與作用，較早的可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)采用的主要是重組的方式，在這一系統(tǒng)環(huán)境之下，重用資源主要擔(dān)當(dāng)?shù)氖枪δ懿考慕巧?；但是，?dāng)FPGA出現(xiàn)之后，重用資源的身份發(fā)生了一定程度上的改變，重用資源由原先的功能部件變成最為基本的門(mén)和線，通過(guò)對(duì)文件進(jìn)行一定程度上的配置，就可以對(duì)每個(gè)門(mén)的性質(zhì)以及線的連接進(jìn)行有效的定義，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件功能的改變。從廣義的范圍來(lái)看，這種功能包含了硬件軟件的可重構(gòu)。而對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它具有可重構(gòu)功能，除此之外，其硬軟件又具有一定程度的可剪裁特點(diǎn)，這樣一來(lái)，就為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字控制技術(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了便利。

2 嵌入式新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

圖3顯示的主要是嵌入式新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

從圖3中，我們可以發(fā)現(xiàn)它主要包含了如下模塊。

（1）顯示及輸入裝置：通過(guò)對(duì)顯示及輸入裝置進(jìn)行一定程度上的使用，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互、輸入操作命令、手搖脈沖輸入、加工狀態(tài)顯示等功能進(jìn)行有效的實(shí)現(xiàn)。

（2）嵌入式數(shù)控單元：嵌入式數(shù)控單元在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)之中有著十分重要的地位與作用，因?yàn)樗钦麄€(gè)數(shù)控系統(tǒng)的中央控制單元，能夠?qū)θ缦鹿δ苓M(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)：顯示裝置與輸入裝置的連接、完成人機(jī)交互、編輯并獲取相關(guān)的加工代碼等。

（3）嵌入式PLC：這一部分的主要作用是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制進(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)。這一模塊通過(guò)異步串行總線與中央數(shù)控單元進(jìn)行一定程度上的連接，并對(duì)MODBUS協(xié)議進(jìn)行運(yùn)用，并由此來(lái)接受控制命令。

（4）以太網(wǎng)。對(duì)于以太網(wǎng)而言，它在系統(tǒng)之中的主要作用是對(duì)同車(chē)間網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)乃至是互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效連接。通過(guò)對(duì)以太網(wǎng)接口進(jìn)行一定程度上的使用，可以進(jìn)行加工程序的傳送、遠(yuǎn)程操作、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等。

2.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

（1）組態(tài)軟件模塊：只所以要對(duì)這一模塊進(jìn)行一定程度上的設(shè)計(jì)，主要是為了滿足一些特定的功能。在這設(shè)計(jì)的過(guò)程之中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)接口以及約束開(kāi)發(fā)的通用性設(shè)計(jì)進(jìn)行了參考。主要包含如下幾個(gè)模塊：加工代碼編譯模塊、插補(bǔ)計(jì)算模塊、人/機(jī)交互模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等。

（2）輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)：對(duì)于輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)而言，其主要作用是數(shù)控單元、PLC單元和伺服控制單元軟件、代碼的輔助開(kāi)發(fā)以及代碼的自動(dòng)生成。

（3）控制仿真系統(tǒng)：控制仿真系統(tǒng)能夠提供一個(gè)仿真環(huán)境，即通過(guò)將嵌入式硬件嵌入到軟件仿真環(huán)境或軟、硬件仿真混合環(huán)境進(jìn)行一定程度上的仿真。

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