基于現場(chǎng)總線(xiàn)的可重構數控系統的研究

引言

數控系統的開(kāi)放性、可重構設計、模塊化、網(wǎng)絡(luò )化是當前數控技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。開(kāi)放式數控的技術(shù)本質(zhì)是標準化，它的目標是把復雜的數控技術(shù)產(chǎn)品體系分割開(kāi)，形成公認的模塊化構件，讓更多的廠(chǎng)商能夠參與到數控技術(shù)的廣闊市場(chǎng)中來(lái)。顯然，模塊化是開(kāi)放式控制的原始基礎和技術(shù)雛形，而實(shí)現這一目標的前提是共同制定一個(gè)產(chǎn)品的標準，準確地說(shuō)，就是制定一個(gè)共同遵循接口的標準，以實(shí)現龐大數控系統架構的分解和集成。

可重構數控的技術(shù)本質(zhì)是柔性化。其實(shí)際上和原有的柔性制造系統一脈相承，只不過(guò)加入了管理學(xué)和運籌學(xué)的技術(shù)內容。不同的是，這種管理過(guò)程不是完全由人來(lái)主導，而是在人預先定義的決策下，由控制系統本身按照某種程度的自動(dòng)化來(lái)實(shí)施的，其目標是系統實(shí)現從一種形態(tài)轉變成另一種形態(tài)。重構后的系統，可適應新的制造環(huán)境，或提供更優(yōu)化的效率，這正是柔性制造的核心內容。隨著(zhù)高集成度、高速度和具備硬件可重構能力的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gates Array，FPGA)器件的出現，利用其實(shí)現可重構數控系統是一條快速、簡(jiǎn)捷、可靠的途徑。

隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數控系統所包含的控制器、驅動(dòng)器、輸入輸出模塊、傳感器、執行器之間需要更多的信息交互。采用傳統的模擬通道和并行連線(xiàn)的方式，不僅使得數控系統整體結構復雜，而且在信息交互密集的控制任務(wù)下，實(shí)時(shí)性無(wú)法得到保證，由此造成了數控系統控制能力的不可靠。另一方面，一些已經(jīng)具備獨立性的功能模塊迫切需要建立自己的處理運算體系，需要單獨的控制器和運算器的支持，以一種全新的優(yōu)化方式和拓撲結構融入到數控系統的功能框架中，形成具備網(wǎng)絡(luò )特征的數控系統控制網(wǎng)絡(luò )，以使得數控系統在功能實(shí)現、現場(chǎng)配置、資源優(yōu)化方面適應生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和控制流程自動(dòng)化的柔性、復合型和綜合處理能力等多方面的技術(shù)和應用需求。

由此，筆者提出了一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)(Processfield bus—DP，PROFIBUS—DP)的可重構開(kāi)放式數控系統。

1基于先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器和運動(dòng)控制芯片的可重構數控系統平臺的構建

1．1 基于先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器和運動(dòng)控制芯片的數控系統的設計

由于采用精簡(jiǎn)指令集計算機(Reduced Instruc—tion Set Computer，RISC)架構的先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器(Advanced RISC Microprocessor，ARM)具有如下特點(diǎn)：①體積小、低功耗、低成本、高性能；②支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位／16位器件；③大量使用寄存器，指令執行速度更快；④大多數數據操作都在寄存器中完成；⑤尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執行效率高；⑥指令長(cháng)度固定。因而，在本系統設計中，采用ARM的全數字式的控制，可以實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的數字化與高速高精度。

為縮短開(kāi)發(fā)周期，提高控制性能和系統可靠性，在系統設計中采用了運動(dòng)控制芯片MCX314AS。MCX314AS是性能優(yōu)良、接口簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)單且工作可靠的運動(dòng)控制專(zhuān)用芯片，該芯片能夠控制4軸，并實(shí)現4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監控，可實(shí)現直線(xiàn)、圓弧和位元3種模式的軌跡插補。所有插補計算由芯片完成，且多軸插補控制功能特別突出。

系統硬件采用主從式雙CPU結構模塊化設計，分為基于A(yíng)RM和現場(chǎng)總線(xiàn)的主控模塊、基于MCX314AS的運動(dòng)控制模塊、基于FPGA的可配置模塊、交互模塊和網(wǎng)絡(luò )模塊。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤(pán)、顯示、文件存取、網(wǎng)絡(luò )通訊等管理工作；而從CPU為MCX314AS運動(dòng)控制芯片，專(zhuān)門(mén)負責完成復雜的運動(dòng)控制的處理工作。

MCX314AS與ARM的通訊是靠讀寫(xiě)總線(xiàn)上的幾個(gè)地址來(lái)進(jìn)行指令和數據的傳輸。圖1為基于這種思想開(kāi)發(fā)的數控系統結構框圖。

圖1 主輕系統結構框圖

1．2可重構制造系統的設計

可重構制造系統能夠通過(guò)重組或改變自身部件，快速調整生產(chǎn)能力和功能，以適應新的生產(chǎn)環(huán)境需要。美國國家研究委員會(huì )(National ResearchCouncil)發(fā)表了題為《2020年制造業(yè)挑戰設想》的報告，其中將可重構制造系統列為優(yōu)先考慮的領(lǐng)域之一。對一個(gè)制造系統來(lái)說(shuō)，要想滿(mǎn)足系統重構要求，它的子系統或部件應具有重構能力，而作為制造系統的關(guān)鍵單元，數控系統也必須具備重構能力。就重構角度而言，把能夠通過(guò)重組或改變自身構件，快速調整控制能力，以適應制造系統整體重構需要的數控系統稱(chēng)為可重構數控系統。在可重構數控系統的研究方面，國內外主要采用軟件的途徑，而隨著(zhù)FPGA的出現，利用其構造數控系統的控制內核，并充分利用它的硬件可重構性，實(shí)現數控系統功能的重構，是可重構數控系統硬件實(shí)現的一條途徑。

按照文獻[3]對可重構制造系統特征的定義，可重構數控系統具備模塊化、可集成、可轉換、可維護和可定制的特征。采用FPGA構建的數控系統能夠很好地體現這些特征。

(1)模塊化可對數控系統按功能劃分模塊，然后采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行邏輯描述，制成專(zhuān)門(mén)的數控IP。

(2)集成化使用專(zhuān)門(mén)的綜合軟件，將從其他IP供應商購買(mǎi)到的IP和自己開(kāi)發(fā)的數控IP集成為數控系統。

(3)可配置FPGA是基于靜態(tài)隨機存儲器(Static Random Access Memory，SRAM)編程的，而硬件描述語(yǔ)言支持參數化設計，只要模塊接口定義開(kāi)放，也可以通過(guò)修改數控IP和整合不同的IP來(lái)改變設計，下載不同的配置數據以實(shí)現柔性化的設計。

(4)可定制FPGA能夠通過(guò)裁減和重整不同的IP，實(shí)現數控系統的功能定制，滿(mǎn)足特定的加工要求，避免功能的冗余。

(5)可維護性FPGA能夠實(shí)現在系統編程和在系統重構，因而可以通過(guò)重新下載配置數據，實(shí)現系統本地或遠程升級與維護。

FPGA的上述優(yōu)點(diǎn)可滿(mǎn)足實(shí)現數控系統重構的硬件需要。當數控系統根據用戶(hù)需求對伺服驅動(dòng)或邏輯開(kāi)關(guān)量等外部硬件進(jìn)行擴展或重構后，FPGA在外部邏輯的控制下可通過(guò)對存儲于E2PROM存儲器中的FPGA配置數據重新下載，實(shí)現內部邏輯電路更新，從而使數控系統的邏輯電路也完成相應的重構。

基于FPGA的可重構設計，可按需要實(shí)時(shí)地調整系統的控制邏輯，因而可大大增加計算機數控(Computer Numerical Control，CNC)系統的柔性和現場(chǎng)可重構性。如圖2為基于FPGA的可重構系統的結構框圖，系統可實(shí)現對數控鏜床、數控鉆床、數控銑床和數控車(chē)床的重構設計。