嵌入式數控系統軟件體系結構分為系統平臺和應用軟件兩大部分。上層應用軟件分數控應用程序接口(NCAPI)和操作界面組件兩個層次，以分別實現對機床廠和用戶這兩個層次的開放。

底層模塊除了PLC之外的部分是不對外開放的，非系統開發者可以通過NCAPI使用底層的功能。底層模塊完成插補任務（粗插補，微直線段精插補，單段, 跳段, 并行程序段處理）;PLC任務（報警處理，MST處理，急停和復位處理，虛擬軸驅動程序，刀具壽命管理，突發事件處理）;位置控制任務（齒隙補償, 螺距補償，極限位置控制，位置輸出）;伺服任務（控制伺服輸出、輸入）以及公用數據區管理（系統中所有資源的控制信息管理）。因此必須具有多任務的處理能力，即；任務建立；撤消；調度；喚醒；阻塞；掛起；激活；延時的處理能力；創建信號量；釋放信號量；取信號量值的能力。

上層軟件負責零件程序的編輯、解釋，參數的設置，PLC的狀態顯示，MDI及故障顯示、加工軌跡、加工程序行的顯示等，通過共享內存、FIFO和中斷與底層模塊進數據交換。上層軟件模塊包括：解釋器模塊，MDI運行模塊，程序編輯模塊，自動加工模塊，參數編輯模塊，PLC顯示模塊，故障診斷模塊等等。
數控應用軟件開發接口(NCAPI)是為針對不同的機床和不同的要求而提供的通用接口函數，在此之上可以方便地開發出具體的數控系統，如華中I型銑床數控系統，世紀星車床數控系統等。NCAPI與原華中I型提供的API接口保持一致。統一的API保證系統的可移植性和模塊的互換性；系統開發集成環境中的配置功能可以通過配置不同的軟件模塊實現系統性能的伸縮性，系統性能的伸縮性則通過更換系統硬件得以保證。

3 應用實例

按照上述嵌入式體系結構的層次劃分，本文開發了基于嵌入式PC和LINUX操作系統的嵌入式數控系統。

CPU采用嵌入式PC單元，通過PC104總線嵌入到數控主板中。在數控主板上，繼承了開關量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，進給軸接口電路以及主軸接口電路。各接口電路由核心器件FPGA芯片集中控制。為滿足CNC裝置對開放性的要求，數控主板采用雙FPGA設計。一個FPGA芯片負責控制開關量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅動裝置接口電路；另一個FPGA芯片負責控制脈沖量伺服驅動裝置或步進電機驅動裝置接口電路，模擬量伺服驅動裝置接口電路。兩個FPGA芯片通過PC/104總線嵌入式PC機控制。利用FPGA芯片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下，通過改變FPGA芯片的固件，以及兩個FPGA芯片靈活搭配，可以構造出不同配置的數控裝置。

操作系統是通過改造Linux內核使其成為實時操作系統。具體方法是：在Linux操作系統中嵌入一個硬件抽象層，接管所有中斷和對硬件的操作。由于Linux采用整體式的模塊化結構，數控系統任務中需要實時響應的任務做成數控實時模塊，嵌入到Linux內核中，這些任務包括：伺服監控、PLC、位置控制等周期任務和插補這個非周期任務，刀補、譯碼和網絡基本功能打包成數控應用程序接口。

在實時Linux軟件平臺的基礎上，應用軟件平臺包含的離散點I/O控制API、傳感器API、位置控制器API等接口為通用API接口。應用程序層包含的過程控制、人機界面及系統集成與配置支撐環境三部分只需要用實時Linux操作系統相關系統API替換相應的模塊通信接口即可，上層應用模塊可以不做修改。同時，應用軟件平臺具備良好的開放性，用戶可自定義API來擴充系統功能支持，本文在應用平臺層自定義了一個數控圖形庫API，用來支持數控系統的圖形顯示功能。

4 結語

本文提出的這種開放的嵌入式數控系統體系結構，在硬件上，標準的總線屏蔽了各功能部件差異，不同功能的數控硬件通過標準的信號規范來定義。在軟件上，嵌入式實時操作系統為數控應用軟件提供了系統接口，屏蔽硬件細節，提供實時、可靠、多任務的運行環境。軟件體系結構總體上分層，使得體系結構清晰明了；層內按功能模塊化，盡量減少模塊耦合，使得軟件復用性很好，有利于數控系統功能裁減和系統維護。既保證了硬件平臺的開放性和穩定性，也使得軟件移植和設計更加方便。