串行總線(xiàn)的計算機數控系統

1 前言

　　在計算機系統中，總線(xiàn)接口對整個(gè)系統的性能和功能都有直接影響，有關(guān)專(zhuān)家預測，在下一世紀里，串行總線(xiàn)將逐漸取代并行總線(xiàn)。

　　在數控系統中，個(gè)人計算機技術(shù)與數控技術(shù)越來(lái)越緊密地結合，由此而產(chǎn)生的具有開(kāi)放性的PCNC數控系統，正在取代傳統形式的數控系統，并成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。計算機總線(xiàn)結構的變革，必將影響數控系統的體系結構，串行總線(xiàn)的應用將極大地改變現有的傳統數控系統的結構形式。

2 串行總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

　　同并行總線(xiàn)相比，串行總線(xiàn)具有許多優(yōu)點(diǎn)。串行總線(xiàn)連接引腳數量少，連接簡(jiǎn)單，成本較低，系統可靠性高。串行總線(xiàn)對系統體系結構具有重大的影響，它的應用有助于數據流計算機體系結構的實(shí)現。

　　對于高速計算機系統，串行總線(xiàn)比并行總線(xiàn)更容易使用。在并行總線(xiàn)中，傳輸數據的各個(gè)位必須處于一個(gè)時(shí)鐘周期內的相同位置，頻率越高，對器件的傳輸性能和電路結構要求越嚴格，系統設計難度加大，致使系統成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行總線(xiàn)時(shí)，數據的各個(gè)位是串行傳輸的。在串行總線(xiàn)設計時(shí)，既可以嵌入時(shí)鐘信號作為同步信號，也可以采用鎖相環(huán)的時(shí)鐘恢復方式；同并行總線(xiàn)相比，串行總線(xiàn)的傳輸線(xiàn)效應比較容易處理，從而降低設計難度和系統成本。

　　另外，以串行信息包為基礎的系統，不需要編寫(xiě)驅動(dòng)程序。當斷開(kāi)任何一根互連線(xiàn)，對全部信息包進(jìn)行解碼時(shí)，串行總線(xiàn)將這些信息包移入存儲器并中斷處理器，這是一種局部的中斷或事件。隨后微處理器將查看這些信息包，而不需要用驅動(dòng)程序進(jìn)行上述工作。系統將成為一種信息傳遞系統，而不是事件驅動(dòng)系統。

　　外圍串行總線(xiàn)方式，如IEEE-1394/火線(xiàn)和USB（通用串行總線(xiàn)），已能成功應用。某些供應商準備采用某種串行總線(xiàn)方式替代PCI（外圍器件互連）系統總線(xiàn)。例如，Intel公司在1998年秋季披露，下一代I/O（NGI/O）串行總線(xiàn)能替代個(gè)人計算機中的PCI總線(xiàn)。

　　為了適應串行總線(xiàn)系統的要求，一些從事前沿技術(shù)研究的計算機公司，如Mercury Computer Systems公司正在研究光學(xué)底板及光學(xué)接口等技術(shù)?？梢灶A料，光學(xué)鏈路將會(huì )在串行總線(xiàn)系統中發(fā)揮重要作用。

3 國外數控系統總線(xiàn)接口的發(fā)展概況

　　在數控系統行業(yè)中，世界上最大的數控系統生產(chǎn)廠(chǎng)日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列數控系統，便是一種串行總線(xiàn)結構形式的數控系統。該系列數控系統以其獨特的結構、優(yōu)良的性能引起了關(guān)注。其中配備18i系統的鉆削中心已在我國銷(xiāo)售。

　　根據日本FANUC公司提供的資料，我們以15i系統為例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

　　15i系統是目前世界上最高性能的CNC數控系統，最多可進(jìn)行24軸控制，可控制5軸機床完成如航空部件，模具等零件的高速、高精度加工。插補精度為1nm（被稱(chēng)為NANO插補），改進(jìn)加減速控制（Fine HPCC），適應高速、高精度加工的要求。

　　傳統數控系統和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線(xiàn)，系統連接比較復雜。15i系統與各軸伺服單元是通過(guò)高速串行總線(xiàn)連接的，僅需一根光纜就可以連接8臺伺服單元。另外通過(guò)一根電纜即可與I/O模塊相連，I/O模塊可以擴展。操作單元采用14“彩色液晶顯示觸摸屏，用戶(hù)的機床操作可在觸摸屏上進(jìn)行，大大簡(jiǎn)化了電氣配線(xiàn)，整個(gè)系統連接非常簡(jiǎn)單，從而降低了成本和維修難度，提高了可靠性和靈活性。

　　該系列產(chǎn)品在市場(chǎng)中具有很強的競爭力，在未來(lái)幾年中FANUC i系列數控系統將逐漸取代FANUC 0系列數控系統，成為該公司的主導產(chǎn)品。

　　1990年德國一些著(zhù)名的CNC系統和伺服系統制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，與科研機構共同發(fā)起成立了SERCOS協(xié)會(huì )，并制訂了串行實(shí)時(shí)通訊協(xié)議（Serial Real Time CommunicatiON Specification），以便在德國建立一個(gè)統一的CNC系統與數字伺服系統接口標準，并開(kāi)發(fā)相應的產(chǎn)品。1992年4月，該協(xié)議已經(jīng)被建議作為新的德國標準和國際標準DIN/IEC44.目前該協(xié)議已經(jīng)被歐洲主要CNC系統和伺服系統制造商所接受，引起國際同行業(yè)的重視。THOMSON公司已經(jīng)取得SERCOS接口硬件的生產(chǎn)許可，生產(chǎn)出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系統和伺服系統生產(chǎn)廠(chǎng)家使用。1997年日本也成立了SERCOS協(xié)會(huì )。

　　另外，歐洲的一些公司已推出具有CAN總線(xiàn)接口的伺服控制單元，并投入實(shí)際應用。

4 我國的現狀和對策

　　在我國市場(chǎng)上，國外數控系統仍占統治地位，傳統數控系統還占據著(zhù)市場(chǎng)的絕大部分份額，中國市場(chǎng)成為其落后技術(shù)及庫存的傾銷(xiāo)地。

　　雖然中華Ⅰ型、航天Ⅰ型、華中Ⅰ型等PCNC系統相繼推出，但總體設計仍未擺脫傳統數控系統的框架，成本較高，目前還難以取代傳統數控系統的市場(chǎng)地位。但隨著(zhù)個(gè)人計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在數控系統中的應用，傳統數控系統不可避免地將被更具有競爭力的串行總線(xiàn)計算機數控系統（SCNC）所取代。串行總線(xiàn)計算機數控系統將成為數控系統未來(lái)發(fā)展的方向，對串行總線(xiàn)系統結構的研究應引起我們的高度重視。

　　在學(xué)習消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎上，盡快研究、建立有關(guān)的標準和協(xié)議，選擇適用的實(shí)時(shí)操作系統，開(kāi)發(fā)相應的數控軟件、串行接口芯片和伺服系統，推出我國自主版權的新一代數控系統，為參與國際市場(chǎng)競爭打下良好的物質(zhì)基礎。

5 結束語(yǔ)

　　串行總線(xiàn)計算機數控系統（SCNC）是數控系統的發(fā)展方向，我們不能完全依賴(lài)國外進(jìn)口，應加強對新技術(shù)、新方法的研究。國內同行應團結一致，共同努力，聯(lián)合相關(guān)行業(yè)，尋求發(fā)展，振興我國數控系統產(chǎn)業(yè)。