淺談CNC動(dòng)態(tài)卡在總線(xiàn)方式下的實(shí)現

　　隨著(zhù)微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應用，數字通信網(wǎng)絡(luò )延伸到工業(yè)過(guò)程現場(chǎng)成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規電子線(xiàn)路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)生。1984年，現場(chǎng)總線(xiàn)的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission,國際電工委員會(huì )）對現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）的定義為：現場(chǎng)總線(xiàn)是一種應用于生產(chǎn)現場(chǎng)，在現場(chǎng)設備之間、現場(chǎng)設備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結點(diǎn)的數字通信技術(shù)。

　　現有的放開(kāi)式數控系統實(shí)現方案主要采用pc機和數控系統結合的方法，pc機作為上位機實(shí)現較為復雜的網(wǎng)絡(luò )通信，人機交互等功能，數控系統作為下位機將上位機輸入的運行參數經(jīng)過(guò)處理交給執行部件執行，同時(shí)將檢測系統的反饋信息上傳給上位機實(shí)現實(shí)時(shí)監控，各個(gè)模塊之間協(xié)調工作互不干擾，給系統升級帶來(lái)了方便。

　　放開(kāi)式系統動(dòng)態(tài)控制器的核心是dsp,它具有運算速度快，支持復雜運動(dòng)算法的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足高精度運動(dòng)控制的要求，因此，以dsp為核心的多軸動(dòng)態(tài)控制卡越來(lái)越廣泛地應用在運動(dòng)控制系統中，將多軸動(dòng)態(tài)控制卡插在pc機擴展槽上，就可以組成高精度運動(dòng)控制系統，位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計算及控制量的輸出均由動(dòng)態(tài)控制卡完成，極大的提高了運算速度和控制響應速度，將工控機的資源從煩瑣的數據采集和計算中解決出來(lái)，從而可以更好的實(shí)施整個(gè)控制系統的管理。

　　作者經(jīng)過(guò)綜合調研，采用ti公司的2407系列dsp作為微處理單元，采用pci總線(xiàn)作為并行總線(xiàn)與pc機進(jìn)行通訊，同時(shí)采用現在比較流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)同現場(chǎng)設備進(jìn)行通訊，所以這是一個(gè)基于現場(chǎng)總線(xiàn)和pci總線(xiàn)的智能動(dòng)態(tài)控制器。

　　2 動(dòng)態(tài)控制器的系統構成

　　2.1 現場(chǎng)總線(xiàn)

　　基于pci總線(xiàn)的動(dòng)態(tài)控制器采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，解決了傳統串行總線(xiàn)傳輸速率低，響應速度慢，出錯率高等缺點(diǎn)，同時(shí)由于現場(chǎng)總線(xiàn)采用數字信號而不是傳統的模擬信號作為通信手段，解決了傳統數控系統中的難以解決的零漂問(wèn)題，簡(jiǎn)化了系統的實(shí)現方案，同時(shí)這種總線(xiàn)有利于放開(kāi)式系統的發(fā)展。

　　can最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線(xiàn)規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，通過(guò)設置優(yōu)先級來(lái)避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s,通訊速率最高可達40M /1Mbp/s,網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數實(shí)際可達110個(gè)。目前已有多家公司開(kāi)發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。

　　can是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，通信速率可達1mb/s,該協(xié)議由數據鏈路層和物理層組成，數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層（lic）和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層（mac）?，F在已形成該協(xié)議的國際標準（iso1898），can總線(xiàn)通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的幀處理（包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余校驗等）、can總線(xiàn)有can2.0a和can2.0b兩種協(xié)議，can協(xié)議的一個(gè)最大的特點(diǎn)是對通信數據塊進(jìn)行編碼（取消了傳統的對站地址編碼），can協(xié)議采用crc校驗并提供相應的錯誤信息處理功能，保證了數據通信的可靠性。

　　can總線(xiàn)以其可靠性高、通信速率快、穩定性好，抗干擾能力強，開(kāi)發(fā)成本低等特點(diǎn)， 而被工控領(lǐng)域普遍采用，被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

　　2.2 pci 總線(xiàn)

　　作為目前微型計算機主流總線(xiàn)標準的pci總線(xiàn)，原來(lái)是專(zhuān)門(mén)為了提高系統數據傳輸性能，現在作為高性能外設接口，與傳統的isa總線(xiàn)相比，pci總線(xiàn)有以下特點(diǎn)：

　　突出的數據傳輸性能 總線(xiàn)寬度32位（可擴展到64位，）支持突發(fā)傳輸方式，pci總線(xiàn)規范2.0版支持3mhz總線(xiàn)操作，32位33mhz總線(xiàn)在讀寫(xiě)操作中峰值傳輸速率達到132mb/s（isa最大傳輸速率8mb/s）；

　　良好的兼容性能 pci總線(xiàn)部件和插卡的設計獨立于處理器， 定義了3.3-5v兩種信號環(huán)境，5-3.3v的組件技術(shù)可以是使電平平穩過(guò)渡；

　　即插即用 每個(gè)pci設備上都有配置空間能實(shí)現自動(dòng)配置，使系統bios和操作系統的系統層軟件能自動(dòng)配置系統部件和插卡；

　　線(xiàn)主控和同步操作，pci總線(xiàn)接口芯片可以主控總線(xiàn)，其同步操作可以保證cpu和總線(xiàn)主控同時(shí)操作；

　　總線(xiàn)仲裁機制，pci總線(xiàn)仲裁能在另一個(gè)總線(xiàn)主設備在pci總線(xiàn)上執行傳輸時(shí)發(fā)出，從而提供系統數據傳輸性能。

　　在pci總線(xiàn)的設計上采用了plx公司的產(chǎn)品pci9052,這是一種高性能的pci總線(xiàn)控制器，專(zhuān)門(mén)為開(kāi)發(fā)pci板卡而設計的一種pci總線(xiàn)控制器，圖1是放開(kāi)式數控系統總體結構框圖。

　　2.3 微處理芯片

　　動(dòng)態(tài)控制器板卡上有一個(gè)高速dsp芯片作為運動(dòng)控制模塊的控制器，該設計選擇it公司生產(chǎn)的tms320lf2407作為動(dòng)態(tài)控制卡的控制芯片，由于tms320xx系列dsp芯片是專(zhuān)門(mén)為控制電機設計的一款高性能低價(jià)位的產(chǎn)品，同時(shí)作為控制電機的伺服控制系統也是采用的這款dsp芯片作為伺服控制器，所以具有良好的通訊和系統兼容性能，tms3201lf2407內部還有一個(gè)can控制器模塊，這樣就不需要另外選擇一個(gè)can控制器，簡(jiǎn)化了電路設計，同時(shí)提高了系統性能。

　　由于dsp芯片和pc機都是控制器，他們對存儲器編址是不同的，為了統一編碼，在pci控制器和dsp之間要加一個(gè)雙口ram來(lái)連接2個(gè)控制器。idt7024是idt公司生產(chǎn)的一款雙口ram,他和普遍的ram不同之處是它有2個(gè)地址4單元，1個(gè)存儲單元，對于pc機來(lái)說(shuō)他就對對應于一段內存單元，對于dsp來(lái)說(shuō)他可以對應于一段片外存儲單元，這樣就解決了dsp和pc機之間的通信問(wèn)題，本設計采用的是通用pc機加實(shí)時(shí)控制單元的遞階式結構。采用放開(kāi)式數控系統上pc機的windows環(huán)境形成良好的人機界面，利用pc機的資源優(yōu)勢，放開(kāi)式結構平臺（動(dòng)態(tài)控制器）可以集成不同開(kāi)發(fā)商提供的軟件并適合連網(wǎng)需要，且具有與硬件無(wú)關(guān)的特性，設備層高速度、高可靠性，標準化的數字通訊，可滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化要求且保證高性能、低成本。

　　3 系統硬件設計原理

　　基于can總線(xiàn)動(dòng)態(tài)控制卡的硬件結構如圖2所示，從個(gè)人pc機中傳入的參數如：加工參數，插補軌跡以及一些狀態(tài)信息，通過(guò)pci總線(xiàn)傳到pci控制器pci9052的高速緩存fifo中，pci9052作為總線(xiàn)主設備將pc機傳來(lái)的信息經(jīng)過(guò)緩存最終存儲到雙口ramidt7024內，由于雙口ram映射為pc機的一部分內存地址，所以pc機就像操作內存一樣將信息存儲到雙口ram,等待dsp的讀取，dsp定時(shí)從雙口ram中讀取pc機傳來(lái)的各種控制信息，dsp的主要功能是根據pc機送來(lái)得插補信息，通過(guò)插補算法形成伺服控制模塊能夠接受的動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)can總線(xiàn)將運動(dòng)信息傳遞到伺服控制器，通過(guò)伺服控制器來(lái)驅動(dòng)伺服電機運動(dòng)，從而控制數控機床的運動(dòng)。

　　在設計中由于pci9052,idt7024都是5v元件，tms2320lf2407屬于3.3v器件，同時(shí)pci插槽提供5v電源模塊，所以電路只使用了電壓轉換電路將5v信號轉變?yōu)?.3v信號，如圖2,由于dsp內嵌can控制器，所以外部只需要一個(gè)pcac82520t-can收發(fā)器就可以直接掛在can總線(xiàn)上進(jìn)行通訊。

　　4 數控系統的軟件設計

　　放開(kāi)式cac系統解決軟件公用的最主要措施是采用通用的操作系統，本系統設計pci動(dòng)態(tài)控制卡可以在windows90/2000/xp中文操作系統下正常工作，軟件框圖如圖3所示。

　　為了使系統達到控制要求，需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

　?。?）保證系統相應的實(shí)時(shí)性

　　系統對外界信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內作出響應，本控制系統是利用windows中斷保證實(shí)時(shí)響應；

　?。?）協(xié)調的進(jìn)行多任務(wù)調度

　　cnc系統具有多種不同優(yōu)先級任務(wù)，要求系統軟件能合理，有序地調度這些任務(wù)的運行，多任務(wù)意味著(zhù)多個(gè)任務(wù)能并行運行，調度的關(guān)鍵在于按照一定的優(yōu)先權，事件發(fā)生的順序合理的切換各任務(wù)的狀態(tài)；

　?。?）提供任務(wù)通信機制

　　由于cnc系統中各任務(wù)并否是孤立的，任務(wù)之間要完成信息交換和資源共享，cnc系統的通信形式有兩種，互斥和同步，互斥是針對不可共享資源的訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題，如大多數外部設備和共享的可讀寫(xiě)數據區，同步是指任務(wù)之間的協(xié)同工作，任務(wù)之間的相對速度有不可預見(jiàn)性，必須由任務(wù)通信機制達到同步；

　?。?）提供定時(shí)和延時(shí)

　　定時(shí)和延時(shí)功能一般由時(shí)鐘提供，cnc系統大部分任務(wù)都是依據定時(shí)或延遲條件來(lái)激活。

　　5 驅動(dòng)程序

　　5.1 獲取系統分配的配置資源

　　對于即插即用型設備，系統都是動(dòng)態(tài)分配系統資源的，如何獲取系統分配給這些內存單元的地址是vxd驅動(dòng)程序需要解決的首要問(wèn)題。在pci的配制周期機制中，主橋路提供了兩個(gè)寄存器用于對配置空間的操作，第一個(gè)是配置空間基地址寄存器canfig-address,雙字地址是cf8h,第二個(gè)是配置空間數據緩沖寄存器config-data,地址是cfch,對配置空間的操作是通過(guò)輸入一個(gè)值到設備的config-data寄存器，在此之后如果對config-data寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，pci控制器就會(huì )將config-address寄存器中的值轉換成pci總線(xiàn)上所需要的配置周期。

　　5.2 vxd與應用程序的通訊

　　vxd運行在系統ring0級，處理系統底層設備，應用程序利用其提供的接口服務(wù)來(lái)處理硬件，windows允許vxd和應用程序之間進(jìn)行雙向通信。

　　在windows中，win23應用程序對vxd的通訊方法只有一種，利用設備輸入輸出控制函數deviceiocontrol（）來(lái)實(shí)現，利用createfile（）函數加載vxd獲得vxd設備句柄，如果調用成功，win32應用程序就可以調用deviceiocontrol（）程序與vxd進(jìn)行通訊。

　　vxd的命令代碼需要根據其固定格式進(jìn)行定義，程序中共定義了2個(gè)命令代碼，分別用于對雙口靜態(tài)ram的讀寫(xiě)操作和vxd對win32應用程序異步過(guò)程調用時(shí)回調函數地址傳輸。

　　另外，由于采用中斷方式對dsp處理的數據進(jìn)行讀取，所以中斷事件發(fā)生時(shí)， 需要vxd異步通知win32應用程序，設計時(shí)在應用程序中創(chuàng )建了兩個(gè)線(xiàn)程，一個(gè)用于等待中斷事件，當中斷事件發(fā)生時(shí)，讀取dsp送到雙口ram中數據，另一個(gè)用于顯示數據。

　　5.3 訪(fǎng)問(wèn)i/o以及內存

　　在s599的串行存儲器中，將pci配置基礎地址寄存器badr1配置為4k,16位寄存器空間，badr2設置為8個(gè)自己的i/o空間，基地址寄存器badro對應s5933內部16個(gè)雙字節pci總線(xiàn)操作寄存器，當利用查找方式獲得配置空間數據時(shí)，即可得到存儲器空間基地址和i/o端口基地址。

　　5.4 處理中斷

　　當dsp處理數據寫(xiě)滿(mǎn)2k的存儲器空間時(shí)pci將產(chǎn)生中斷，中斷信號從配置空間寄存器中讀出，pci設備分配的硬件中斷信號是共享中斷，必須使用類(lèi)vsharedhardwareint的中斷通知事件處理函數onsharedhardwareint（）。

　　6 應用程序的編寫(xiě)

　　6.1 人機接口模塊

　　使用vc編寫(xiě)基于pci總線(xiàn)動(dòng)態(tài)控制器板卡的應用程序，主要利用設備輸入輸出控制函數deviceiocontrol（），將界面上對數控機床的各個(gè)參數轉換數據送到底層的vxd進(jìn)行通信。

　　6.2 解決程序模塊

　　對從應用程序中人機界面模塊中傳入的參數進(jìn)行解釋?zhuān)瓿蓪⑸衔粰C輸入信息解釋成下位機dsp能夠執行的語(yǔ)言，程序解釋模塊固化到pci板卡的dsp片內rom中。

　　6.3 plc接口模塊

　　實(shí)現pci控制卡與現場(chǎng)總線(xiàn)上的plc模塊之間的通訊，由于can總線(xiàn)的特點(diǎn)是可以將對plc模塊的控制作為一個(gè)應用模塊做在pci控制卡上，從而實(shí)現了模塊化控制。

　　6.4 插補模塊

　　在加工信息解釋的基礎上，調用運動(dòng)學(xué)算法模塊，將運動(dòng)平臺在操作空間的運動(dòng)轉變?yōu)榭臻g的伺服運動(dòng)，實(shí)時(shí)生成刀具的運動(dòng)軌跡，并將各伺服軸的移動(dòng)指令送給伺服模塊。

　　6.5 運動(dòng)算法模塊

　　主要為伺服驅動(dòng)提供逆解、速度映射算法，為加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)仿真及精度補償提供正解算法。

　　7 結語(yǔ)

　　采用pc+動(dòng)態(tài)控制卡模式，實(shí)現數控系統的放開(kāi)式設計方法開(kāi)發(fā)周期短，系統可靠性高，便于機床功能擴展，由于軟件采用了模塊化，同時(shí)基于組件技術(shù)，界面友好，操作方便，進(jìn)行軟件升級以及用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)都比較方便。