開(kāi)放數控系統模型的建立及實(shí)現

“NC嵌入PC”的開(kāi)放式數控系統結構模型，充分利用了PC機的豐富資源(內存空間大、硬盤(pán)容量大和高速運算功能的CPU)，使這種結構模式成為開(kāi)放數控系統的主流設計。DSP因其高速、強實(shí)時(shí)控制能力而迅速得到了廣泛的應用，但由于其有限的PWM輸出口，要實(shí)現多軸控制，單個(gè)DSP芯片就顯得鞭長(cháng)莫及。在多軸控制卡設計中，最常用的有三種設計方案：(1)采用主DSP作為主控制器，實(shí)現對多個(gè)從DSP節點(diǎn)的監控和管理，每個(gè)從DSP控制一個(gè)軸運動(dòng)，多個(gè)從DSP芯片通過(guò)總線(xiàn)與主DSP芯片進(jìn)行通訊，形成一個(gè)主從式的分布式控制結構;(2)DSP只負責復雜的控制算法，發(fā)送數據給FPGA，FPGA存儲DSP最新的脈沖寬度，發(fā)出PWM波，控制多軸運動(dòng);(3)單個(gè)DSP負責復雜的控制算法，通過(guò)輸出選擇邏輯開(kāi)關(guān)來(lái)選擇D/A通道，驅動(dòng)電機軸運動(dòng)。高速F2812 DSP芯片和大容量可編程邏輯器件FPGA的出現，使單個(gè)DSP控制多軸運動(dòng)成為可能。利用FPGA的并行性對DSP的PWM功能進(jìn)行擴展，從而可實(shí)現高精度的不同電機的多軸控制，并且FPGA和DSP都支持在系統可編程，因此大大縮短了設計周期，而且在硬件不變的情況下，可以根據需要通過(guò)修改軟件以擴展功能，體現出其良好的硬件平臺開(kāi)放性。

　　1 開(kāi)放數控系統的結構模型

　　F2812 DSP是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)處理器，系統處理能力為150MIPS，指令周期6.67ns，實(shí)時(shí)控制能力很強。兩個(gè)事件管理器模塊EVA、EVB中各有兩個(gè)通用定時(shí)器，三個(gè)完全比較單元，能夠支持8通道的16位PWM輸出。在電流環(huán)等采樣獲取中，因其頻率比較高(20kHz)，每測一次電流就重新調整新的PWM波的脈沖寬度，如果EVA、EVB同時(shí)工作，在定時(shí)器中斷響應時(shí)可能檢測不到電流的變化，這樣對于16位的DSP處理器的兩個(gè)EV只能有一個(gè)得到有效的應用。但是F2812高達150MIPS的處理能力，能夠很好的捕捉到電流的變化，定時(shí)器中斷也能得到及時(shí)響應，其EVA、EVB能夠同時(shí)得到應用。因此，一片F2812 DSP能夠很好地控制兩臺三相伺服電機和四臺步進(jìn)電機。

　　圖1為開(kāi)放數控系統的結構模型，在硬件方面實(shí)現了模塊化設計，通過(guò)ISA總線(xiàn)與PC機通訊，由PC機控制各實(shí)時(shí)模塊的協(xié)調工作。對伺服電機的驅動(dòng)信號，由F2812 DSP通過(guò)其EVA、EVB完成兩通道的PWM波形輸出，FPGA擴展PWM功能，完成另兩通道PWM的控制輸出;對步進(jìn)電機的驅動(dòng)，全部由F2812 DSP的EV完成，控制四軸聯(lián)動(dòng)。充分利用了F2812 DSP的內部資源和FPGA的速度快、多路并行、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)。

　　本數控模型包括六部分：

　　(1)DSP插補板，由DSP完成比較復雜的插補和位置控制計算，并通過(guò)事件管理器控制兩電機軸的驅動(dòng)信號的產(chǎn)生。FPGA接收DSP最新脈沖寬度，產(chǎn)生PWM控制信號，控制多種電機(步進(jìn)電動(dòng)機、直流電動(dòng)機、交流電動(dòng)機)的驅動(dòng)電路。

　　(2)位置反饋，主要用于閉環(huán)和半閉環(huán)數控系統中。半閉環(huán)系統中，用于檢測絲杠或電機軸的回轉角，間接測出機床運動(dòng)部件的位移，經(jīng)位置反饋裝置進(jìn)行處理后通過(guò)總線(xiàn)送回到控制系統和伺服系統，并與控制指令相比較，經(jīng)過(guò)位置控制計算，精確控制電機的運行。閉環(huán)系統中，直接測出工作臺的實(shí)際位置，然后通過(guò)位置控制控制電機運行。位置反饋模塊作為單獨的模塊通過(guò)總線(xiàn)與PC機進(jìn)行通訊，用戶(hù)可根據實(shí)際要求設計自己的反饋模塊，而與DSP插補板沒(méi)有關(guān)系，從而體現其開(kāi)放性。

　　(3)開(kāi)關(guān)量I/O控制和輔助功能控制。I/O控制是CNC裝置和機床驅動(dòng)部件之間傳遞信息的接口，主要用于接收各種開(kāi)關(guān)、按鈕以及機床上各行程限位開(kāi)關(guān)等信號。輔助功能也通過(guò)I/O端口實(shí)現，常用的輔助功能有程序停，主軸啟、停、轉向，冷卻泵的接通和斷開(kāi)，刀庫的起、停等。

　　(4)故障檢測功能，主要對驅動(dòng)電路、電機運行方面等進(jìn)行故障檢查，對故障的原因進(jìn)行定位和報警提示，保護硬件電路的運行。例如電流過(guò)限、短路、斷路、電壓過(guò)高或過(guò)低等硬件故障。由于DSP有錯誤自檢的功能，可以自己設計軟硬件處理故障的電路，用于保護DSP的正常運行，例如看門(mén)狗電路、 存儲器讀寫(xiě)錯誤、指令溢出、過(guò)載等錯誤。

　　(5)驅動(dòng)單元，設計三種不同電機的帶有速度控制的驅動(dòng)裝置。

　　(6)PC機功能設計，完成數據參數的輸入，運動(dòng)控制監視，手動(dòng)操作，通過(guò)總線(xiàn)與其他實(shí)時(shí)控制單元通信，提供友好的人機界面，編寫(xiě)各控制單元的通信軟件。

　　2 軟件開(kāi)放性設計

　　在軟件設計方面，許多開(kāi)放式數控系統均采用面向對象(OOP)的技術(shù)，將數控功能模塊化，構建基本類(lèi)庫。利用派生功能，當需要擴展某基類(lèi)的功能時(shí)，通過(guò)從基類(lèi)中派生出新的基類(lèi)來(lái)完成新的功能，較好地實(shí)現了軟件重用和二次開(kāi)發(fā)的功能。這種傳統的OOP技術(shù)僅僅是軟件源代碼級的可重用，它存在互操作能力差、可移植性不強、擴展不方便等缺點(diǎn)，不能很好滿(mǎn)足一個(gè)開(kāi)放式數控系統所強調的要求。在數控系統中引入COM作為底層支持可以更好的滿(mǎn)足數控系統開(kāi)放的要求。COM技術(shù)中組件的二進(jìn)制級交互保證了所構建出的數控系統具有良好的可重用性，可以快速方便地擴展，而不必再關(guān)注數控組件的內部實(shí)現，擴充功能時(shí)只需要修改或更換相關(guān)的組件而不必再重新編譯原系統，可以快速滿(mǎn)足新的生產(chǎn)需要，提高軟件的開(kāi)發(fā)效率和可維護性。

　　為了更好地實(shí)現軟件的重用性和二次開(kāi)發(fā)功能，將與底層無(wú)關(guān)的軟件功能用WDM技術(shù)實(shí)現。WDM(Windows Driver Model)是Microsoft為Windows 98和Windows 2000作業(yè)系統提供一系列I/O服務(wù)及二進(jìn)制相容設備的驅動(dòng)方式，有助于減少在Windows平臺上對硬件設定所花費的成本。在PC端，PC和運動(dòng)控制卡之間進(jìn)行中斷和I/O操作的接口采用WDM實(shí)現，將與硬件有關(guān)的操作屏蔽起來(lái)。對應用程序而言，可見(jiàn)的是一個(gè)虛擬化的設備對象，PC程序可以根據任務(wù)的實(shí)時(shí)性來(lái)選擇和控制卡的通訊方式。對于實(shí)時(shí)性要求高的緊迫任務(wù)，如緊急停車(chē)或出錯處理，應用程序可以用直接寫(xiě)端口的方式向控制卡發(fā)送中斷請求。而對于一般實(shí)時(shí)性和大批量的數據傳輸的任務(wù)，應用程序可以用與WDM進(jìn)行消息映射的方式完成，然后再完成硬件的相關(guān)操作。通過(guò)模塊化的WDM體系結構中靈活統一的接口，使操作系統可以動(dòng)態(tài)地配置不同的驅動(dòng)程序模塊來(lái)支持特定的設備。這樣更好的體現了軟件的重用性和可移植性，利于軟件的二次開(kāi)發(fā)。表1描述了軟件的層次結構。

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