[导读]可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制时可靠性高，使用方便，在大多数数控机床，特别是经济型数控机床中，要求的输入输出点数不多的情况下得到广泛应用。在兼用PC 机系统资源的情况下，采用Windows 的分时性，没有考虑到实时的开发用途，其系统调用的效率不高，不能满足数控系统高实时场合PLC 控制的实时性要求。

　　数控机床，特别是经济型数控机床中，要求的输入输出点数不多的情况下得到广泛应用。在兼用PC 机系统资源的情况下，采用Windows 的分时性，没有考虑到实时的开发用途，其系统调用的效率不高，不能满足数控系统高实时场合控制的实时性要求。

　　作为一运行在目标机上的高性能、可裁减的

　　嵌入式实时操作系统，目前以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域。

　　本文基于操作系统，提出了基于的嵌入式实时设计的方法与应用，利用的性、模块化和可扩展性的系统结构特性以及多线程/多任务的系统来达到高实时要求的控制，在保时性的同时，实现多点位、复杂功能的系统控制目标。

　　1、传统系统的结构

　　相比较传统的的基于通用工业 PC 的工业，其数控系统嵌入式硬件包括：

　　人机界面、数控代码处理、轨迹划、参数管理以及控制都通过工控机由软件来实现，不需要的NC 控制器，减少了数控系统对硬件的依赖，有利于提高系统的性。I/O 输入输出信息通过PC 机I/O 接口卡实现主机与

　　伺服接口模块和I/O 接口模块之间的信息交换，PC 机I/O 接口卡基于ISA或PCI 的总线。虽然其相较最初的单片机的控制加入了工业PC 来拓展其性，但是由于没有充分利用PC 机系统资源，而开发和运行都采用的非实时多任务操作系统(如Windows，Linux)时，其设计没有考虑到实时的开发用途，其系统调用的效率不高，数控系统控制不能满足一些高精度场合的实时性要求。

　　2、基于嵌入式系统的实时系统结构

　　嵌入式实时系统，一般由开发系统和实时运行系统两部分组成，是相互而又密不可分的两个系统，可以分别单独运行。开发系统基于PC 机，建立在Windows 操作系统平台之上，提供了应用程序的编写及其编译调试。开发系统与实时运行系统的通讯一般通过RS232 接口来实现。如果嵌入式操作系统提供网络服务，也可以通过

　　以太网、Modbus 或CAN 总线进行通讯。应用程序编写完并编译调试无误后通过RS232 或TCP/IP 通信协议下载到嵌入式系统。实时运行系统则用于完成系统配置、输入信号处理、循环调用程序及控制信号输出等操作，并且可以通过

　　现场总线或TCP/IP 通信协议与硬件层(I/O)实现通信。

　　为了更好地支持实时运行系统，嵌入式系统一般要引入操作系统，嵌入式操作系统(如Windows CE，等)为实时运行系统提供了启动代码、串行通讯接口、内存操作(malloc/free)、ANSI 标准库、1ms 的时钟滴答、调试接口等服务。如果实时运行系统整合了相应的功能，系统也可以不引入操作系统。我们所采用的嵌入式实时系统体系结构如图2所示，其实时操作系统采用。

　　了其通信性能，实时能力大大提高，同时此结构具有完全性，高度兼容性，极佳的可扩展性，使得自动控制系统的设计不受硬件的，可以有效地提高的运行速度和可靠性，并且支持多任务的控制策略。另外相应的从嵌入式处理的设计与和方面，也做了相应的优化处理。

　　3、基于PPC 的嵌入式处理器设计

　　系统运行在基于PPC 的处理器上，并作了一些有关以适应实时的现场总线的通信要求。主要包括4 个主要模块(如图3)：PowerPC 核心，系统接口单元(SIU)，通信处理模块(CPM)和快速以太网控制器(FEC)。

　　系统接口单元(SIU)集成几乎所有32-bit 处理器系统的常用功能。采用32 位内部总线，可以支持8，16 或32 位的外设和存储器，同时SIU 提供功耗管理、复位控制、PowerPC减、PowerPC 时钟基准以及实时时钟等功能。其内存控制器可以控制多达8 个存储体，同时只需通过很少的电就可实现与DRAM，SRAM，Flash 以及其它外围设备的无缝连接，同时DRAM 接口支持8，16 和32 位的端口，DRAM 控制器提供页模式下的突发传送访问;提供4 个16 位通用定时器或者2 个32 位定时器;同时系统集成单元集成了总线、软件看门狗、系统节电模式、时钟合成、实时时钟、复位控制以及支持IEEE 1149.1 调试方式JTAG等。

　　通信处理模块(CPM)具有更强大的通信处理能力，拥有的简单指令集通信处理器(RISC)，能够完成低层次任务以及DMA 控制，使得PowerPC 内核能够空闲出来处理高层次的实时任务，从而降低了系统频率，减少功耗。

　　内嵌的 FEC 模块与IEEE 802.3 兼容，支持10-和100-Mbps 连接。不仅完成了以太网协议中的MAC 控制功能，并且使用了突发传送DMA，从而减少了系统总线的负荷。而FEC内部接的收和发送FIFO 通过将所有的冲突碰撞局部化到FEC 内部而进一步减轻总线的负荷。FEC 采用的发送缓存描述符和接收缓存描述符来完成具体的收发存取。可支持Modbus，CAN，EIP 等现场总线的应用。

　　4、的

　　即Board Support

　　PACkage，通常指针对具体的硬件平台，用户所编写的启动代码和部分设备驱动程序的集合。是一个内核运行的基础。

　　4.1与的层次关系

　　在中，将简单描述成介于底层硬件和之间的一个软件接口。它的主要功能是系统加电后初始化目标硬件，初始化OS，及提供部分硬件的驱动程序如时钟、中断、串口驱动等。其与内核、驱动程序及应用程序之间的关系如图4：

　　如图可见为上层软件与底层硬件之间进行交互的桥梁，为上层提供统一接口。中包括的驱动程序与具体的硬件相关，在移植到不同的硬件系统的时候，要修改相关的驱动。

　　4.2的特点

　　在众多的商用嵌入式实时操作系统中，是使用极为广泛的一种操作系统，它实时性强，占用空间小，提供丰富的网络协议，有众多的调试手段。

　　的可以按功能分为两大部分。

　　1)目标系统的系统引导部分：主要是目标系统启动时的硬件初始化，在目标系统上电后开始执行，主要是配置处理器的工作状态，初始化系统的内存等，这部分的程序一般只在系统引导时执行，为操作系统运行提供硬件。

　　2)目标系统的设备驱动程序：主要是驱动目标系统配置的各种设备，包括字符型设备、块存储设备、网络设备等，这些设备驱动程序完成对硬件的配置，操作系统通过设备驱动程序来访问硬件，从而完成读取数据和的交互等。

　　在实际应用中，为了获得更好的稳定性和执行效率，许多设备驱动程序会直接和应用程序在一起，而不是由操作系统来管理。

　　4.3的设计与修改

　　WRS 提供了大量预制的，支持许多商业主版或估板的，减少了开发时间。

　　宏观来看，包括两部分：

　　初始化部分：CPU 初始化;目标板初始化;操作系统的初始化。

　　驱动程序部分：一般要包括时钟、中断、串口驱动。

　　具体来看，包括源文件、头文件、派生文件。主要需要修改源码中的以下目录中：

　　/target/config/all

　　几个重要文件的功用如下：

　　1)bootConfig.c：引导ROM 映像的主要初始化和控制文件。

　　2)bootI

　　NIt.c：引导ROM 映像的第二阶段的初始化代码。实现romStart 函数--romInit.s中的romInit()函数执行完后跳转到romStart()，执行解压缩，代码/数据段从rom 拷到ram。

　　3)usrConfig.c：映像的主要初始化代码。

　　/target/config/comps/vxworks：实时内核基本模块描述(cdf)文件。

　　/target/config/comps/src：实时内核模块配置文件。供usrconfig.c 使用。

　　/target/config/bspname 该目录下的文件就是要编写的文件。

　　由于系统开发的硬件相关性和处理器系列的多样性，不可能有一种通用的程序或方法来解决每一种处理器的问题，所以必须具体问题具体分析，不断实践，才能使程序运行达到比较高的效率。

　　5、总结与展望

　　嵌入式系统已经成为历史发展的必然，其极佳的可扩展性，对多种硬件的支持，同时能够提高的运行速度和可靠性，并且支持多任务的控制策略，对的性能有了很大的提高。新型的基于的嵌入式实时具有很高的性能价格比，具有市场竞争优势，有助于我国企业发展本国市场，发展自主产业的。

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