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嵌入式数控系统介绍


第一章 嵌入式数控系统介绍

随着嵌入式处理器的广泛使用, 数控装置中也采用了嵌入式 微处理器,这种数控系统在市场上被称为嵌入式数控系统。采用 了嵌入式处理器的数控装置和先前的数控装置在功能上相似,不 过由于嵌入式处理器强大的计算能力和扩展能力,嵌入式数控系 统的计算速度更快,与外界的接口也更丰富。图1所示为嵌入式数 控系统的结构框图

1 嵌入式数控系统结构框图

嵌入式处理器是整个系统运算和控制中心, 种类很多, 比较常用 的有 ARM、嵌入式 X86、MCU 等。可编程计算部件是指现场可编程门 阵列(FPGA) 、数字信号处理器(DSP)等可编程计算资源。嵌入式处 理器中集成了 LCD 控制器,它提供与液晶显示器的接口,通过这个接 口可以直接驱动液晶显示屏。 嵌入式处理器中还集成了 USB 客户端控 制器,方便实现 USB 客户端接口。嵌入式处理器中的以太网模块还可 以实现数控系统的联网功能。
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1.1 嵌入式系统的定义 定义可从几方面来理解嵌入式系统: ◆嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的,它必须与具 体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上 述三个面向的含义,即嵌入式系统是与应用紧密结合的,它具有很强 的专用性,必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 ◆嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和 各个行业的具体应用相结合后的产物, 这一点就决定了它必然是一个 技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以, 介入嵌入式系统行业,必须有一个正确的定位。 ◆嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪,满足应用系 统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以,如果能建立相对通用 的软硬件基础,然后在其上开发出适应各种需要的系统,是一个比较 好的发展模式。 实际上,嵌入式系统本身是一个外延极广的名词,凡是与产品结 合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统, 而且有 时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时,某种程 度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统。 一般而言,嵌入式系统的构架可以分成四个部分:处理器、存储 器、输入输出(I/O)和软件 。

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嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极 其广阔,从最初的4位处理器,目前仍在大规模应用的8位单片机, 到最新的受到广泛青睐的 32 位,64 位嵌入式 CPU。 1.2 嵌入式系统的特点 1.2.1 嵌入式系统的重要特征 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面: 一 是芯片技术的发展,使得单个芯片具有更强的处理能力,而且使集成 多种接口已经成为可能, 众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方 面。另一方面的原因就是应用的需要,由于对产品可靠性、成本、更 新换代要求的提高, 使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计 算机实现的应用中脱颖而出,成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义,我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征: 1. 系统内核小。 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的, 系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如 Enea 公司的 OSE 分布式系统,内核只有 5K,而 Windows 的内核?简 直没有可比性。 2.专用性强。嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬 件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植,即使在同一品 牌、 同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修 改。同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编 译下载要和系统相结合, 这种修改和通用软件的“升级”是完全两个 概念。
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3.系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显 区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系 统成本,同时也利于实现系统安全。 4.高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软 件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。 5. 嵌入式软件开发要想走向标准化, 就必须使用多任务的操作 系统。 6.嵌入式系统开发需要开发工具和环境。 1.3 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成, 所以其分类也可以从硬 件和软件进行划分。 1.3.1 基于硬件的视觉 从硬件方面来讲, 各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中 的最核心的部分, 而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超 过 1000 种,流行体系结构包括 MCU,MPU 等 30 多个系列。鉴于嵌入 式系统广阔的发展前景, 很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理 器, 并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋 势,其中从单片机、DSP 到 FPGA 有着各式各样的品种,速度越来越 快,性能越来越强,价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间 可以从 64kB 到 16MB,处理速度最快可以达到 2000 MIPS,封装从 8 个引脚到 144 个引脚不等。 根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类:
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1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的 CPU 演变而来的。 它的特征 是具有 32 位以上的处理器,具有较高的性能,当然其价格也相应较 高。 在实际嵌入式应用中, 只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件, 去除其他的冗余功能部分, 这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应 用的特殊要求。 和工业控制计算机相比, 嵌入式微处理器具有体积小、 重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有 Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM 系列等。 2.嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机,从 70 年代末单片机出现 到今天,虽然已经经过了 20 多年的历史,但这种8位的电子器件目 前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串 行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM 等各种必要功 能和外设。和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化, 体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目 前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富, 适合于控制,因此称微控制器。 3.嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

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DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和 指令算法方面进行了特殊设计, 具有很高的编译效率和指令的执行速 度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上 DSP 获得了大规模的应 用。 目前最为广泛应用的是 TI 的 TMS320C2000/C5000 系列,另外如 Intel 的 MCS-296 和 Siemens 的 TriCore 也有各自的应用范围。 4.嵌入式片上系统(System On Chip) SoC 追求产品系统最大包容的集成器件,是目前嵌入式应用领域 的热门话题之一。SOC 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直 接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 1.3.2 基于软件的视觉 从软件方面划分,主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系 统的软件主要有两大类:实时系统和分时系统。其中实时系统又分为 两类:硬实时系统和软实时系统。 当然,除了上述分类之外,还有许多其他分类方法,比如从应用 方面分为工业应用和消费电子等,在这里就不一一累述了。

第二章 嵌入式系统的历史
2.1 嵌入式系统的发展 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的,但是这个概念并非 新近才出现。 从 20 世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的

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嵌入式微处理器,微控制器的大规模应用,嵌入式系统已经有了 近 30 年的发展历史。 作为一个系统,往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支 撑下逐渐趋于稳定和成熟,嵌入式系统也不例外。 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70 年代单片机的出 现,使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品 可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能:更容易使用、更 快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点,但是 这时的应用只是使用8位的芯片,执行一些单线程的程序,还谈 不上“系统”的概念。 从 80 年代早期开始,嵌入式系统的程序员开始用商业级的 “操作系统”编写嵌入式应用软件,这使得可以获取更短的开发 周期,更低的开发资金和更高的开发效率,“嵌入式系统”真正 出现了。确切点说,这个时候的操作系统是一个实时核,这个实 时核包含了许多传统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通 讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著 名的有 Ready System 公司的 VRTX、 Integrated System Incorporation (ISI) 的 PSOS 和 IMG 的 VxWorks 、 QNX 公司的 QNX 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点:它们均采用 占先式的调度,响应的时间很短,任务执行的时间可以确定;系 统内核很小,具有可裁剪,可扩充和可移植性,可以移植到各种 处理器上;较强的实时和可靠性,适合嵌入式应用。这些嵌入式
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实时多任务操作系统的出现,使得应用开发人员得以从小范围的 开发解放出来,同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 90 年代以后, 随着对实时性要求的提高, 软件规模不断上升, 实时核逐渐发展为实时多任务操作系统( RTOS ),并作为一种软 件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司 看到了嵌入式系统的广阔发展前景,开始大力发展自己的嵌入式 操作系统。除了上面的几家老牌公司以外,还出现了 Palm OS , WinCE ,嵌入式 Linux ,Lynx ,Nucleux,以及国内的 Hopen ,Delta Os 等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔,相 信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。 在中国嵌入式系统领域,比较认同的嵌入式系统概念是:嵌 入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可 裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严 格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件 设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用 于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 2.2 未来嵌入式系统的发展趋势 信息时代, 数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机, 为嵌入式市场展现了美好的前景,同时也对嵌入式生产厂商提出 了新的挑战, 从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势:

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1.嵌入式开发是一项系统工程,因此要求嵌入式系统厂商不 仅要提供嵌入式软硬件系统本身,同时还需要提供强大的硬件开 发工具和软件包支持。 2.网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提 高日益提高,使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微 波炉等功能不再单一,结构更加复杂。 这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能,为了满足 应用功能的升级,设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信号处理器 DSP 增强处理能力,同时增 加功能接口,如 USB,扩展总线类型,如 CAN BUS ,加强对多媒体、 图形等的处理,逐步实施片上系统( SOC)的概念。 3.网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求,必然要求硬件 上提供各种网络通信接口。、 4.精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本。 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备,为了减低功耗 和成本,需要设计者尽量精简系统内核,只保留和系统功能紧密 相关的软硬件,利用最低的资源实现最适当的功能。 5.提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备能与用户亲密接触,最重要的因素就是它能提供 非常友好的用户界面。图像界面,灵活的控制方式,使得人们感

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觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入 式软件设计者要在图形界面,多媒体技术上痛下苦功。

第三章 嵌入式系统的应用领域
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以 包括: 1. 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前 已经有大量的 8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中,网络化是 提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径,如工业过程 控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化 工系统。 2. 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式 系统技术已经获得了广泛的应用,内嵌 GPS 模块, GSM 模块的移 动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。 3. 信息家电 这将称为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络 化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在 家里,也可以通过电话线、网络进行远程控制。 4. 家庭智能管理系统

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水、电、煤气表的远程自动抄表,安全防火、防盗系统,其 中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查,并实现更高,更 准确和更安全的性能。目前在服务领域,如远程点菜器等已经体 现了嵌入式系统的优势。 5.POS 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡 (Contactless Smartcard, CSC) 发行 系统,公共电话卡发行系统,自动售货机,各种智能 ATM 终端将 全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下。 6. 环境工程与自然 水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全, 地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。在很多环 境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。 7. 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更 加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服 务领域获得更广泛的应用。

第四章 嵌入式就业前景分析
嵌入式是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪, 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用 计算机系统。由于嵌入式系统通常具有低功耗、体积小、集成度高等 特点,因此随着消费家电的智能化和廉价微处理器的出现,嵌入式系
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统将在日常生活里形成更大的应用领域。嵌入式就业广泛,嵌入式人 才社会需求量大。

1.嵌入式软件开发应用领域 嵌入式系统是当前最热门、最具发展前途的 IT 应用领域之一。 包括手机、电子字典、可视电话、数字相机、数字摄像机、U-Disk、 机顶盒、高清电视、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备 或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等都是 典型的嵌入式系统。因此,通过嵌入式培训成为专业的嵌入式技术人 才,其职业发展空间较大。 2.嵌入式软件开发人才需求
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目前国内嵌入式人才极度匮乏,权威部门统计,我国目前嵌入式软件 人才缺口每年为40万人左右。供不应求使得嵌入式人才身价上涨, 而且,越有专业经验,就业竞争力就越大。因此,IT 专业人士通过培 训掌握嵌入式技术,就能成为炙手可热的专业人才,其培训回报有保 障。 3.嵌入式软件开发就业方向 由于3G 持续升温,这方面的人才也保持了供不应求的势头。据悉, 目前国内3G 核心嵌入式人才不足万人,其中华为约5000-6000人,中 兴通讯、大唐各约2000人,以区区万人的阵容去争夺据称有上千亿元 的市场,3G 嵌入式工程师的身价由此可见一斑。在近期的人气职位 榜上,电信行业嵌入式工程师行市走高,嵌入式研发工程师、嵌入式 技术支持工程师都高居前五位。 4.嵌入式就业方向 硬件方向,对硬件比较了解,有一定的硬件功底,主要是搞硬件 设计,有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件,如 BootLoader、 Board Support Package(像 PC 的 BIOS 一样,往下驱 动硬件,往上支持操作系统) ,最初级的硬件驱动程序等。 软件方向的开发,这占社会需求的主要方面,主要从事嵌入式操 作系统和应用软件的开发。完成嵌入式培训后,可以从事消费电子、 安全安防、汽车电子、医疗电子、电信等行业的计算机应用设计开发 岗位就业,担任嵌入式产品及应用系统的设计与开发工程师,从事嵌 入式技术的应用项目设计开发、产品维护与技术服务等工作。
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总 结
数控系统作为现化制造业的核心技术, 是衡量一个国家制造业水 平的重要标志之一, 受到各国的普遍重视, 特别是发达国家。 自20 世 纪80 年代以来,国际上的数控技术和市场基本上被日本、德国和美 国等少数公司所垄断。考虑到我国机床数控系统当前的具体情况,研 制一款拥有自主知识产权的嵌入式机床控制系统, 对于提高我国中高 档数控系统的技术水平具有十分重要的意义。 本文从嵌入式数控系统 硬件平台和软件平台的总体结构及其功能设计的角度对嵌入式数控 系统进行了详细的设计研究,对于我国嵌入式数控系统的开发与应 用,是一次有益的尝试与探索,是值得推广和借鉴的。

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[参考文献]

[1] 田泽.嵌入式系统设计开发与应用 [M].北京:北京航空航天大学出版社,2005. [2] 石宏,蔡光启,史家顺.开放式数控系统的现状与发展[J].机械制造,2005,43( 6 ) : 1 8 - 2 1 . [3] 李宏胜.现代数控系统的技术特点与发展趋势[ J ] .制造业自动化,2002,24( 1 1 ) : 1 - 2 , 6 . [4] 金晟,傅建中,陈子辰.基于 ARM 的嵌入式数控系统设计[J].机电工程,2005,( 2 ) : 5 6 - 5 8 .

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