论CNC系统体系结构开发的设计样本

摘要伴随数控加工技术发展和复杂曲面零件广泛应用，数控系统被广泛应用于机械、电子、计算机、自动控制、检测等各个领域，开放式数控系统研究目标是要建立一个新型模块化、可重构、可扩充控制系统机构，以增强数控系统功效柔性，能够快速而经济地响应新加工需求。本文围绕着开放式CNC（ComputerNumericalControl）系统设计中若干关键技术，从体系结构分析、系统硬件结构地开放化设计等方面进行了研究。全文关键研究工作以下：系统研究了基于PC开放式CNC系统关键性基础问题:CNC体系结构概念及其对系统性能和发展关键性，现有CNC系统体系结构特点和缺点，CNC系统体系结构开放必需性、开放理念和目标和实现开发路径。在需求分析基础上，谈论了开放式CNC体系结构设计标准和概念模型。对开放体系结构CNC系统开放特征需求，研究讨论了基于CAN总线模块化体系结构和各功效模块。关键词:数控系统开放体系结构CAN总线PCI总线AbstractWiththedevelopmentandbroadusedofCNCtechnologyandcomplexcurves,openCNCsystembaseonPChasbeenusedinmachine,electron,computer,autocontrol,inspecteviceetc.TheresearchpurposeofopenCNCsystemistobuildamodular,reconfigurableandexpandablearchitectureofCNCsystemstoimprovethesystem'sflexibility,andenablethesystemstobere-developed.Asaresult,CNCsystemscanberesponsivetothemarketquicklyandeconomically.Inthisthesis,somekeyaspectsandtechnologyonthedesignofopenarchitectureCNCsystemsareresearched,includingsystemarchitectureanalysis.openhardwarestructuredesign,driverdeveloping,curveinterpolationtechnologyinmotioncontrol,etc.Followingarethemainworksandresults:thefeaturesanddrawbacksofcurrentarchitecture,andwhyandhowforCNCsystemstobeopen.Someprinciplesandaconceptmodelforopenarchitecturesystemsareproposedwhichcanbeusedastheguidanceofdetaileddesignofthesoftwareandhardware.DesignmethodsofthemodularsystemanditsfunctionmodulesbaseonCAN-busandPCI-busarepresentedindetails.Keyword:CNCOpen-architectureCAN-busPCI-bus目录序言………………61.数控技术产生背景……………62.开放式数控系统结构产生背景………………63.本课题起源和研究意义………71.数控系统发展………………81.1数控系统发展历史………91.2开放式数控系统研究……91.2.1开放式数控系统研究发展…………91.2.2国产数控系统技术发展……………122.开放式数控系统理论研究………………122.1开放式数控系统体系结构…………………122.1.1开放体系结构概念……122.1.2开放式数控系统体系结构开放路径…132.1.3基于PC开放式体系结构……………142.2运动控制器原理………………152.3开放式CNC系统概要设计…………………172.3.1开放式CNC系统需求分析……………172.3.2开放体系结构CNC系统设计标准……182.3.3基于PC开放式数控系统体系结构………………192.3.4运动控制卡硬件结构设计……………202.3.5软件整体计划……………21本章小结……………223.常见开放式数控系统体系结构及特征………………233.1数控系统硬件开放要求和实现技术………233.1.1标准化总线技术…………233.1.2CAN总线原理和特点……263.1.3DSP芯片原理……………293.1.4接口模块化设计………313.1.5基于PC开放式设计…………………313.2基于PC开放式CNC系统运动控制卡硬件设计………323.2.1运动控制卡微处理器选择……………323.2.2运动控制卡和上位机通讯设计…………323.2.3DSP和计算机通讯设计…………………343.2.4DSP和CAN总线通讯设计……………343.3数控系统其它硬件模块设计………………353.3.1伺服接口模块设计………353.3.2PMC模块设计……………353.3.3操作面板I/O模块设计…………………36本章小结…………364.结论和展望…………………374.1结论……………374.2展望…………38参考文件…………38致谢………………39基于PC数控系统设计序言1.数控技术产生背景科学技术和社会生产不停发展，对机械产品质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求最关键方法之一。它不仅能够提升产品质量，提升生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人劳动条件。很多生产企业(比如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂)已经采取了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采取这种高度自动化和高效率设备，尽管需要很大初始投资和较长生产准备时间，但在大批大量生产条件下，因为分摊在每一个工件上费用极少，经济效益仍然是很显著。不过，在机械制造工业中并不是全部产品零件全部含有很大批量，单件和小批生产零件(批量在10一100件)约占机械加工总量80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重机械和国防部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件形状复杂而且精度要求高，采取专用化程度很高自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为生产过程中需要常常改装和调整设备，对于专用生产线来说，这种改装和调核甚至是不可能实现。多年来，因为市场竞争日趋猛烈，为在竞争中求得生存和发展，各生产企业如要提供高质量产品，就必需频繁地改型，并缩短生产周期，满足市场上不停改变需要。所以，即使是大批量生产，也改变了产品长久一成不变做法。频繁地开发新产品，使“刚性”自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。己经使用各类仿形加工机床部分地处理了小批量、复杂零件加工。但在更换零件时，必需制造靠模和调整机床，不仅要花费大t手工劳动，延长了生产准备周期，而且因为靠模误差影响，加工零件精度极难达成较高要求。为了处理上述这些问题，来满足多品种、小批量自动化生产。迫切需要一个灵活、通用、能够适应产品频繁改变柔性自动化机床。数字控制(NUMERICALCONTROL,简称NC或数控)机床就是在这么背景下诞生和发展起来。它极其有效地处理了上述一系列矛盾，为单件、小批生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床就是将加工过程所偏多种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀和退刀、开车和停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤，和刀具和工件之间相对位移t全部用数字化代码来表示，经过控制介质(如穿孔纸带或磁带)将数字信息送人专用或通用计算机计算机对输人信息进行处理和运算，发出多种指令来控制机床伺服系统或其它实施元件，使机床自动加工出所需要工件。2.开放式数控系统结构产生背景数控技术问世处理了传统方法难以处理负载零件制造问题。正确、高效自动化手段，改变了以往机械工业中周期长、效率低局面;柔性工作方法，能充足适应多品种、小批盆现代生产方法，从而大大提升了对现代化工业生产需求适应能力。利用数控技术能够大幅度缩短产品制造周期，提离产品加工质盘，加速产品更新换代，提升产品竞争力，所以含有显著经济效益及宽广发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平关键标志之一。然而，现今生产中使用绝大多数CNC系统中(以FAI；UC；SIMENS等为代表)，所采取是一个专用封闭式体系结构，即组成系统硬件模块和软件结构由各数控系统厂家行设计，是专用，互不兼容，系统各模块之间交互方法、通讯及结构也互不相同。这专用封闭式结构数控系统，即使结构简单、技术成熟，产品批盘大、生产成本低，不过伴随技术进步，市场竞争加剧，越来越暴露出其固有缺点，集中表现以下:1)各控制系统间互联能力差，影响了系统相互集成:风格不一样操作方法，使用户培训费用增加;专用件大量使用，给数控设备使用和维护带来了很多不便;2)系统封闭性使得对其扩充和修复极为有限，造成数控设备制造商对系统供给商依靠，难以将自己专门技术、工艺经验集成和控制系统结合形成自己产品特点，不利于提升主机产品竞争力;3)专用硬件，软件结构也限制了系统本身连续发展，使系统开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品技术进步。总而言之，数控系统这一现实状况已难以适应该今制造业市场改变和竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、灵敏制造模式发展要求。为了节省封闭式体系结构数控存在问题，多年来，西方各工业发达国家相继提出了向模块化、标准化方向发展，设计开放式体系结构数控系统问题，如美国NGC计划，日本和欧洲提出OSEC及OSACA计划等。开放式数控系统关键研究目标是，处理改变频繁需求和封闭控制系统结构之间矛盾，建立一个新型模块化、可重构、可扩充控制系统结构，以增强数控系统功效柔性，能够快速而有效地响应新加工需求。3.本课题起源及意义基于PC开放式数控系统是对传统封闭式数控结构根本突破，是当今数控技术发展主流和研究热点，是新一代数控系统关键技术。采取基于PC开放式数控系统，不管对控制系统开发商、机床厂还是最终用户全部有益处。对控制系统开发商，可在共同标准平台上建立广泛合作，实现厂家协作式开发，这将大大缩短系统开发周期，降低投资，增强产品竞争力。中国是一个机床生产和应用大国;但数控技术应用水平还很不高，严重制约着中国制造业水平提升。国际上相关开放计划对中国数控技术发展提出了严峻挑战，同时也带来了机遇。因为开放计划实施，把世界上全部数控系统开发商推到了同一起跑线上。我们应充足把握数控产品技术转型历史机遇，扬长避短，迎头赶上，充足吸收当今计算机发展最新结果，高起点制订出切实可行、适合中国国情数控系统开放化技术路线。1.数控系统发展1.1数控技术发展历史数控技术是现代制造技术基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术，成为二十世纪以来逐步发展起来机床控制新技术，是一门交叉学科。数控技术广泛使用，给机械制造业生产方法、产品结构、产业结构带来了深刻改变。数控技术是国防现代化关键部分，是国际技术和商业贸易关键组成。所以，数控技术是关系到国家战略地位和表现国家综合国力关键基础性产业。数字控制(NumericalControl)是相对于模拟控制而言。数字控制系统中信息量是数字量，而模拟控制系统中信息量是模拟量。最初数字控制系统是由数字逻辑电路组成，所以称之为硬件数控系统。伴随计算机技术发展，硬件数控系统被逐步淘汰，取而代之是计算机数控系统(CNC-ComputerNumericalControl)。数控技术在制造业、尤其是航空航天工业中得到了广泛应用，不管在硬件方面还是在软件方面，发展全部很快。自从1952年麻省理工学院研制出世界上第一台三座标铣床以来，伴随计算机技术，尤其是微电子技术发展，数控技术不管在硬件或软件方面发展全部很快，数控系统已经经历了八代，能够分为以下四个发展阶段[1]1.硬件数控阶段(1952一1970)早期计算机运算速度低，远不能适应机床实时控制要求.大家不得不采取数字逻辑电路搭建一台专用计算机作为数控装置，被称为硬件连接数控，简称数控(NC).世界上第一台数控铣床数控装置是采取电子管、继电器和模拟电路组成试验样机，通称为第一代数控。1959年，晶体管替换了粗笨电子管。缩小了体积，使得工业应用成为了可能，诞生了第二代数控系统。1965年出现了小规模集成电路组成NC，体积更小，功率更低，提升了可靠性，NC发展到第三代。这一阶段数控系统，多种控制功效均由硬件逻辑完成，称为“硬件”控制，其功效简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，所以限制了其深入发展和应用。2.计算机数控系统发展和完善阶段(1970一1986)70年代初，大规模集成电路、半导体存放器，微处理器问世，通用小型计算机出现并逐步普及，给数控技术带来了突破性发展。1970年在美国芝加哥数控博览会上，首次展出了以小型计算机为关键计算机数控系统(CNC)，标志着数控系统进入了计算机为主体第四代。至此，原来由硬件实现功效逐步改为由软件完成。以后系统进入了“软连接”数控时代。1974年，首次出现了采取微处理器芯片软连接CNC系统，象征着数控系统进入了以微机为背景时代。这一发展真正实现了机电一体化，深入缩小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达成了普及程度。70年代末，80年代初，伴随大规模集成电路、大容量存放器、CRT普及应用，CNC系统进入了第六代。它即使仍以微处理器为基础，但控制功效更为完善，含有了多功效技术特征，尤其在软件技术方面发展愈加快，含有了交互式对话编程，三维图形显示和校验，实时软件精度赔偿等功效。在系统体系结构上，开始出现了柔性化，模块化多处理器结构。数控系统产品也逐步实现了标准化，系列化。3.高速精度CNC开发和应用阶段(1986一今)为了实现高速、高精度轮廓精加工，必需提升微轮廓解释处理能力和伺服驱动能力。为确保零件程序传送、插补、加工线速度控制等连续处理，CNC系统应含有足够高数据处理速度和能力.32位CPU以其很强数据处理能力在CNC中得到了应用。使CNC系统进入了面向高速、高精度第七代。1986年，三菱电机企业率先推出了以CPU为6802032位，掀起了32位CNC热潮，并逐步成为当今数控系统主流。4.基于PC开放式CNC开放和应用(1994一今)进入90年代，PC机(个人计算机)性能提升很快，从8位、16位发展到32位，能够满足作为数控系统关键部件要求，而且PC机生产批量很大，价格廉价，可靠性高.数控系统以后进入了第八代基于PCCNC系统阶段.1994年，这种基于PCCNC控制器在美国首先亮相市场，并在以后得到了高速发展。PC引入，不仅为CNC提供十分坚实硬件资源和及其丰富软件资源，更为CNC开放化提供了基础。1.2开放式数控系统结构研究1.2.1控制系统采取开放式体系结构将造成新一代控制器产生，并成为制造业一大支柱。所以，欧美及日本等发达国家全部相继进行了大量投入和研究，其中最含有代表性和影响力研究有以下多个【2】1.美国NGC和OMAC计划早在1987年，里根政府为振兴美国机械制造业，推进工业形成一个广泛合作关系，以增强对外竞争力，推出}NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)研究计划。该项目由美国国家制造科学中心(NCMS)和空军共同领导，于1989年开始实施。NGC计划目标是:基于开放式体系结构下一代机械制造控制器提供一个标准，在这一标准支持下，不一样设计人员能够开发出含有交换性和互操作性控制部件。基于这一标准控制器含有体系结构开放、适用范围广、能适应技术发展特点。图1-1为NGC体系结构。子系统作业实施控制传感器入机接口支持工具工作站工作站管理虚拟机械计算机平台子系统作业实施控制传感器入机接口支持工具工作站工作站管理虚拟机械计算机平台图1-1NCC体系结构NGC一个关键结果是开发并最终形成了“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS,SpecificationforanOpenSystemArchitectureStandard）"，用于指导工作站和机床控制器设计和结构组织。SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块功效和相互间关系。NGC计划已于1994年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。比如美国Ford,GM和Chrysler等企业在NGC计划指导下，联合提出OMAC(OpenModularArchitectureController)开发计划，定义了系统基础框架、信息库管理、任务管理、人机接口运动控制、传感器接口等标准OMACAPI，结构了完整体系结构。该计划实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户本身从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益.比如DELTATAU企业利用NGC和OMAC等协议，成功开发了含有良好开放特征多轴运动控制卡，该卡提供了丰富接口函数，能够方便应用于PCoPMAC卡和PC之间含有双口RAM、并行总线、串口等多个信息交换接口，它还提供了丰富I/0接口、电机控制接口，能和交流直流等多个电机连接实现运动控制。采取PC和PMAC形成PMAC开放式CNC系统，取得良好效果。2.欧盟OSACA计划OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem)计划是欧盟为了增强其机床和控制制造商在世界市场中竞争力而制订研究项目.该项目由德国斯图加特大学制造控制技术研究所(ISW)支持，参与单位来欧盟国家11家关键机床制造厂、控制器生产厂和高校。该计划分为三个阶段，其中第一阶段和第二阶段均已经实现，关键完成了OSA.CA规范、应用指南，并依据OSACA规范并开发了标准通用系统平台和软件模块。第三阶段计划正在实现过程中，其关键目标是推广OSACA思想和前期工作技术结果，同时和日，美相关企业机构进行接触，以期建立一个国际性控制器标准。OSACA目标是为数控等自动化设备定义了一个独立于硬件平台、和制造商无关开放式控制系统参考结构，这些自动化设备不仅包含机床数控，机器人控制，还包含可编程控制器和单元控制器。遵照OSACA规范控制器产品将提供更强用户定制功效，缩短新产品开发周期，降低产品开发、维护、培训和文档建立费用。OSACA控制系统体系结构图1-2所表示，包含两个部分:系统平台和结构化功效模块。OSACA系统平台包含操作系统、通讯系统、系统配置、图形服务器和数据库系统等系统平台经过API和具体功效模块AO发生关系。AO按其控制功效分为:人机控制，运动控制，逻辑控制，轴控制，过程控制等。OSACA软件结构中有三个关键组成部分:通讯系统、参考体系结构模型和配置系统，它们建立在统一信息通讯平台基础上。A03A02A01应用程序接口硬件组件操作系统通讯数据数据库A0NA03A02A01应用程序接口硬件组件操作系统通讯数据数据库A0N图1-2OSACA系统结构3.日本OSEC计划OSEC(OpenSystemEnvironmentforCon七roller)计划是在日本国家机器人和工厂自动化研究中心(工ROFA)建立开放式数控委员会提倡下，于1995年由东芝机器企业、丰田机器厂和Mazak企业三家机床制造商和日本工BM、三菱电子及SML信息系统企业共同组建。其目标是建立一个国家性工厂自动化控制设备标准，并开发新一代基于PC平台、性能价格比高开放体系结构数控系统。OSEC提出开放式数控系统参考模型图1-3所表示。这一结构包含了零件造型、工艺计划、机床控制处理(程序解释、操作模块控制、智能处理)、刀具轨迹控制、次序控制、轴控制等功效，并对各层之间接口制订了协议。这些协议从CAD和生产管理开始，分为CAM和生产监控，综合成为任务调度，然后利用多种库进行解释，形成轴控制及PLC所需要信息和数据，对机床伺服和实施机构进行控制。OSEC还定义了一个工厂自动化设备描述语言(FADL)aFADL能够在新水平上实现CAD/CAM和控制系统之间集成，含有对硬件抽象化、对传统数控语言EIA代码(G，S，T)和道具数据兼容性、能够适应控制实时解释等特征。这个体系结构独立于平台，如微处理器、系统单元、操作系统和网络协议，给每个模块应用提供了相当自由。所以用户、控制系统生产商和机床厂制造商全部能够很方便地为自己模块设置或增加新功效和特征。现在，OSEC己发展到由18家企业和一个团体参与含有较大影响力组织。计算机辅助设计计算机辅助设计操作计划层加工次序计划、刀库、夹具、加工条件操作计划层加工次序计划、刀库、夹具、加工条件加工过程、程序编译、实施模式控制、智能加工加工过程、程序编译、实施模式控制、智能加工离散控制刀具运动离散控制刀具运动设备控制轨迹控制设备控制轨迹控制实施部件实施部件实施部件实施部件机器层、机器人、机床等机器层、机器人、机床等图1-3OSEC参考模型1.2.2国产数控系统技术发展中国数控技术已经有四十多年发展历史，期间经历了起步，停滞，引进，消化开发和创新等多个阶段[2]。从1958年起，部分科学院所、高等学校和少数机床厂开始进行数控系统研究和开发。因为受到当初国产电子元器件、加工工艺技术落后、部门经济等原因制约，未能取得较大发展，科研和生产基础处于停滞状态。1980年开始，中国前后从日本和德国引进数控制造技术，合作生产数控机床，打破了国产数控技术徘徊不前局面。以后经过“六五”技术引进、散件组装，“七五”期间消化吸收，“八五”国家组织科技攻关和“九五”国家组织产业攻关，使中国数控系统技术取得了质飞跃，开发出一批含有自主版权中高级数控系统.中国珠峰数控企业中华1型是用工业PC机作为主控制板，CPU为32位486微处理器，实现了多功效控制系统。北京航天数控集团自行开发航天1型采取和通用PC机体系结构兼容总线，模块化、开放型嵌入式结构，组成了经典前后机构数控系统，很好处理了实时多过程控制。华中理工大学开发华中1型是以32位工控机为硬件主体，配置了含有曲面结构和自动编程CAD功效软件，能进行复杂曲面结构、数控加工计划、NC程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现了曲面和直线插补功效.另外，中科院沈阳计算所研制蓝天1型、北京航空航天大学CH也全部是基于PC平台数控系统，各具特色。这些拥有自主版权高级数控系统开发成功，表明中国已经含有开发、生产中、高级数控系统能力，为中国高级数控机床发展提供了技术支持，在技术上和战略上全部含相关键意义。2.开放式数控系统理论研究2.1开放式数控系统体系结构采取专用计算机组成数控系统，在选择高性能微处理器组成份布式处理结构时，能够取得很高性能，如多轴联动高速、高精度控制，很强赔偿功效、图形功效、故障论断功效和通信功效。不过因为大批量生产和保密需要，不一样数控系统生产厂家自行设计其硬件和软件，这么设计出来封闭式专用系统含有不一样软硬件模块、不一样编程语言、五花八门人机界面、多个实时操作系统、非标准化接口等缺点。从而造成，首先，各控制系统之间互联能力差，影响了系统相互集成;风格不一操作方法和专用件大量使用，给用户使用和维护带了很多不便;其次，系统封闭性阻碍了计算机技术立即应用，不利于数控产品技术进步。显然，数控系统这一现实状况已不能适应该今制造业市场改变和竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、灵敏制造模式发展需求。2.1.1开放体系结构概念相关开放式体系结构定义，现在还有较大争议，依据IEEE相关开放式系统定义:一个开放式系统应能够在多个平台上运行，能够和其它系统进行操作，并能给用户提供一致交互界面。对于一个开放式数控系统来说，也应遵照这些基础要求。一个开放控制系统应含有完全模块化结构，模块之间含有交换性、可扩展性和可移植性，这是一个开放系统基础特征。开放概念能够从两个方面进行了解:一是时间开放，二是空间开放。时间开放是针对软硬件平台及其规范而言，以确保平台含有适应新技术发展、容纳新设备能力。时间开放性又有可扩展性和可移植性两个方面:空间开放性是针对系统接口及其规范而言，它又能够分为互操作性和交换性。（1）可扩展性可扩展性包含规模可扩展性和换代可扩展性。规模可扩展性是指一个开放式数控系统能够经过增减部件改变系统功效或性能;换代可扩展性，是指伴随时间和技术迁移，组成数控系统硬件和软件含有可升级性。（2）可移植性可移植性要求数控系统能够在多个厂商提供平台上运行。所以，系统功效软件应用和设备无关，即应用统一数据格式、交互模型、控制机制，而且经过一致设备接口，使各功效模块能运行于不一样供给商提供硬件平台上。（3）交换性交换性要求组成数控系统部件在功效，性能或可靠性等要求不一样时，能够用另一个部件进行替换。交换性使得一个数控系统不再是专有，它能够有来自不一样厂家不一样部件所组成。这对提升数控系统性能价格比含相关键意义。（4）互操作性互操作性表征了组成系统内部各个部件在一起协调工作能力。开放式数控系统互操作性经过一个统一、标准通讯系统来实现，这个通讯系统不仅许可数据交换而且定义了交换协议。开放式数控系统目标就是使CNC控制器和当今PC机类似，系统构筑于一个开放平台上，含有模块化结构，许可用户依据需要进行选配和集成，更改或扩展系统功效，快速适应不一样应用需求，而且，组成系统各功效模块能够起源于不一样部件供给商，而且相互兼容。和传统封闭式专用数控系统相比，开放式数控系统关键优势在于:建立一个新型模块化、可重构、可扩充控制系统结构，以增强数控系统功效和性能柔性，在体系结构上给用户留有进行二次开发更多余地，能够快速而有效响应新加工需求。2.1.2开放式数控系统体系结构开放路径现在，大量供给商提供了多种多样加工及控制系统处理方案，这些方案组成了处理全部自动化系统形形色色路径。然而，要想附加集成部分由不一样卖方提供功效时，却有相当难度，这些困难关键集中在不一样供给商提供系统之间没有公共接口，需要很高扩展、扩充及集成费用，没有风格一致操作系统界面和需要分别针对不一样系统来培训人员等使维护费用急剧增加。为处理系统开放集成上难题，我们能够采取三种开放路径，它们开放层次不一样，实现难度不等，取得开放效果也相差很大，图2-1所表示。图中，虚线将控制系统划分为人机控制层和控制内核层两个层，其中控制内核是CNC系统完成实时加工过程调度和控制关键部分，通常和系统实时性相联络。三种方法就是基于对这种两个层面开放不一样处理来区分[3]。 开放人机控制接口 开放系统关键接口开放体系结构人机控制层控制内核层图2-1控制系统开放路径1.开放人机控制接口这种方法许可开发商或用户结构或集成自己模块[4]。到人机控制接口中。这首先是为用户提供了灵活制订特殊要求操作界面和操作步骤路径，通常见在PC机作为图形化人机控制界面系统中。2.开放系统关键接口此方法除了提供上述第一个方法开放性能外，还许可用户添加自己特色模块到控制内核模块中。经过开放系统关键接口，用户可根据一定规范将自己特有控制软件模块加到系统预先留出内核接口上。3.开放体系结构开放体系结构处理方案是一个更根本开放方案。它试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核全方位开放。大家能够在开放体系结构标准及一系列规范指导下，按需配置取得功效可强弱、性能可高可低、价格可控制、不依靠于单一卖方系统。2.1.3基于PC开放式体系结构从实现方法上，PC-NC是现在实现CNC开放化比较现实路径。PC从产生到现在，其计算能力和可靠性飞速提升，硬件已完全实现标准化，这些使得它越来越适合于工业环境下使用。PC含有丰富支持软件来改善CNC系统用户界面、图形界面、动态仿真、数控编程、故障论断、网络通讯等功效。利用PC上功效强大开发工具，机床制造商和用户能够采取通用编程语言来编制软件模块化替换系统原有模块，便于机床厂和用户添加含有自己独特技术模块。所谓PC-NC.即在PC机硬件平台和操作系统基础上，使用市场上销售或自行研制开发应用软件和硬件插卡，结构出数控系统功效。不过现在PC操作系统缺乏实时性。现在，PC-NC结构方法关键有三种:NC板卡插入到PC机扩展槽中，PC板卡插到NC装置中。1.NC板迁入PC机这种形式就是将运动控制板或整个CNC单元插入到个人计算机扩展槽中。PC机作为非实时处理，实时控制由CNC单元或运动控制板来负担。这种方法能够方便实现人机界面开放化和个性化，即上述第一层开放。在此基础上，借助于所插入NC板可编程能力，能部分实现系统关键结构开放，即上述第二层开放，如基于PMAC运动控制卡组成CNC系统即属于这类。2.PC板迁入NC这一形式关键为了部分大CNC控制器制造商所采取。其原因有两个方面:一是很多用户对它们产品很熟悉，也习惯使用:二是这些大控制器制造商不可能也不愿意在短时间内放弃她们传统专用CNC技术。所以，才提出了这种折衷方案。其做法就是在传统CNC中提供PC前端接口，使其含有PC化人机界面，能够集成应用程序、网络接口等。显然，这种系统NC内核保持了原有封闭性。故只能实现第一层次开放。3.软件NC软件NC指CNC系统各项功效，如编译、编译、插补和PLC等，均由软件模块来实现。这类系统借助现有操作系统平台，在应用软件支持下，经过对CNC软件合适组织、划分、规范定义和开发，可望实现上述各个层次开放。这种控制模式硬件成本是最经济。但软件开发是最复杂，开发关键是系统软件和设备驱动程序。这种方法能够快速吸收计算机技术最新结果，含有良好灵活性和可扩展性，可方便采取新控制算法，也易于实现物理设备和操作系统更新换代。本文作者采取是第一个方法，即NC板迁入PC机方法，系统采取运动控制卡是由作者自行研制开发，长久以来高性能多轴运动控制卡技术一直被国外垄断，产品价格昂贵，所以，研究开发高性能多轴运动控制卡对中国科技水乎提升相关键意义。2.2运动控制器原理运动控制(MotionControl)是由电力拖动发展而来，电力拖动或电气传动是对以电动机为对象控制系统通称。伴随电力电子技术、微电子技术迅猛发展，原有电气传动控制概念己经不能充足概括现代自动化系统中负担第一线任务全部控制设备。所以，二十世纪八十年代后期，国际上开始出现运动控制系统(MotionControlSystem)这一术语。微型计算机模拟数字电子技术微型计算机模拟数字电子技术传感器和变换器经典现代控制理论计算机仿真和辅助设计电力电子器件电机技术大规模集成电路运动控制系统图2-2现代运动控制技术结构体系运动控制通常是指在复杂条件下，将预定控制方案、计划指令转变成期望机械运动。根据使用动力源不一样，运动控制关键可分为以电机作为动力源电气运动控制、以气体和流体作为动力源气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源热机运动控制等。伴随微电子技术和电力电子技术和微计算机控制技术发展，在这多个运动控制中，电气运动控制因其含有易实现和计算机接口等显著优点而成为运动控制主流，大多数中小功率运动控制系统全部是采取电气控制。电气运动控制就是以电机作为动力源，’经过对电动机控制来对实施机构运动位置、速度、加速度实现正确控制。从电力拖动开始，经历四十几年发展过程，运动控制己成长为一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包含很多不一样学科技术领域。比如电机技术、电力电子技术(电力电子器件、电力电子线路)、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等等，图2.2所表示，运动控制技术是这些周围技术有机结合体。伴随功效齐全微计算机、超大规模集成电路(VLSI)，功率集成电路(PIC)，和优异计算机辅助制造(CAM)等技术出现和发展，运动控制技术面貌为之一新，其前沿不停扩大。运动控制作为一门多学科交叉技术，每种技术所出现进展全部使它向前再前深入，其技术进步是日新月异.运动控制作为自动控制一个关键分支，在军事国防、工业生产、消费生活等众多领域有着极其广泛应用.如军事和宇航方面雷达天线、火炮瞄准、惯性导航:工业方面多种加工中心、专用加工装备、数控机床、工业机器人、和工厂自动化(FA)中多种其它控制设备:计算机外围设备和办公室自动化(OA)中多种磁带机、软盘驱动器、硬盘驱动器、数控绘图机、传真机、打印机、复印机控制等;家用电器中空调机、洗衣机、CD机等控制.总而言之，只要存在对运动机构进行正确控制任务，就离不开运动控制系统，运动控制技术得到了各个国家重视，已经成为一个专门技末领域。反馈装置实施机构电动机拖动装置运动控制器控制系统PLC反馈装置实施机构电动机拖动装置运动控制器控制系统PLC图2-3经典运动控制系统组成应用在各个领域经典运动控制系统关键由控制系统(或PLC)、运动控制器、拖动装置(即驱动装置)、电动机、实施机构和反馈装置组成，图2.3所表示。其中反馈装置将运动设备位置信息提供给运动控制器，运动控制器响应闭环信号和接收控制系统(或PLC)定位请求信号并将其转换为命令信号提供给拖动装置，由拖动装置将命令信号转换成电流以驱动电动机。可见运动控制器是运动控制指令直接发出者，在运动控制系统中处于关键地位。对子数控机床来说，运动控制系统就像是它中枢神经系统，指挥着它每个动作。对应控制系统就是数控装置，根据加工要求发出对应指令，运动控制器接收指令，并依据指令像主轴电机和设备进给电机发出控制信号，设备电机驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机电信号。正如前文所述，开放式运动控制已成为运动控制发展方向，数控系统也逐步走向开放化，所以对运动控制器也有更高要求，比如从硬件上要能实现多个坐标轴位置、速度伺服控制，从软件上配有功效完备伺服控制软件，含有完善运动轨迹和插补功效及软件伺服控制功效且能方便地和机床、机器人等设备联接，能快速地建立高层应用程序和机床或机器人等设备之间控制和测试数据交换等等。这种开放式运动控制器是未来数控系统关键部件。现在在应用中运动控制器按不一样方法有不一样分类。依据运动控制器系统结构来分，关键能够分为基于总线运动控制器和独立应用运动控制器及混合型运动控制器。基于总线控制运动控制器是利用现有硬件和操作系统、并结适用户开发运动控制应用程序来实现。它含有高速数据处理能力，如NC板插入PC机形式PC-NC结构中步进或伺服电机运动控制卡就是一个经典例子，它通常采取PC机插卡结构，分为单轴和多轴和多种专用功效插卡;独立应用运动控制器，它将控制器、I/O,操作界面和通信接口装入一个机壳内，伺服环更新、I/O和操作界面由内部合适软件来完成。这种控制器无法提供基于总线控制器那样灵活通信和操作界面，而且集成到大型系统比较困难。但从应用需求来看，这两种类型运动控制器全部有各自优点。基于总线结构型运动控制器易于系统集成，含有根好网络功效和开放性:独立型运动控制器则应用灵活机动、系统升级优化比较轻易.现在还出现了混合型运动控制器，它由一个运动控制器和一个伺服驱动控制器组成并组装成一体.既含有独立运动控制器优点，同时能够经过很多方法和协议将多个伺服驱动控制器连接在一起，并行协调控制.其中SERCOSCSerialRealfillleCOImnunitalonSpeffiedon)协议(1995年成为IEC1491国际标准)是现在最适应子同时和协调控制串行实时沤信协议，该协议为CNC系统和数字伺服系统之间提供了统一数据交换接口，并使产品含有可交换性。依据运动控制器关键技术方案来分，关键可分为基于大规模集成电路型、基于微处理器型、基于专用集成电路(ASIC)型和基于数字信号器(DSP)型运动控制器。前文己经论及，这里不再赘述。依据被控制对象来分，又能够分为步进电机运动控制器和伺服电机运动控制器。过去，总认为伺服控制系统和步进控制系统是两种完全不一样技术，而现在它们差异已开始缩小。因为控制技术发展，这两种系统相互模拟，而有逐步归一趋势。现代电子技术发展使得将模拟信号转换成数字信号变得很方便且廉价。过去以模拟控制为主伺服系统已转向数字化，采取微机控制。能够看成是伺服电机步进化。一样，现代步进电机控制，尤其是采取闭环控制后，一样可实现快速正确位置控制，其控制结构在很多方面和交流伺服电机控制是相通。在国外，己经出现这么运动控制器，它既能够对步进电机并行开环或闭环控制，也能够用来控制直流或交流伺服电机，实现闭环伺服控制。2.3开放式CNC系统概要设计概念设计是在系统正式开发前对开放目标清楚明确，对系统体系结构总体把握。所以，开放式体系结构CNC系统概念设计着关键处理问题是开放什么和怎样开放。它起源于对系统全方面需求分析，依据开放式体系结构基于规范要求进行体系结构结构。概念设计结构形成可供系统开发借鉴参考模型。2.3.1开放式CNC系统需求分析从应用角度，开放式体系结构CNC系统设计目标是使系统能够最大程度提供CNC系统生产厂、机床设备生产厂和最终用户快递而有发明性处理当今制造环境中数控加工和系统集成，不仅能够为设备自由地选择、更新或重构CNC系统，配置适宜伺服实施部件、传感器、PMC等外设，而且系统和外设之间应含有强大信息通讯能力，使之能灵活利用于综合化制造系统环境之中。表现在功效上，一个开放式CNC系统应能够做到:1.用户界面开放能够提供一个统一风格操作界面，实现操作简练性;同时，用户可依据需求定制界面，比如能够改变仿真形式、增加显示内容、扩展远程监视等功效。2.功效模块开放用户或开发商可按需选择适宜功效模块，或开发新模块。比如，系统集成商可更换或自行开发插补模块、翻译模块或扩展高级曲线曲面插补功效，以适应新加工需求。3.控制功效开放系统控制对象能够使任何厂家生产机床，不限制机床加工类型，能够为车、铣、刨床等通用机床配套，也能够经过加入或开发新功效模块为特征加工、齿轮加工等专用机床配套。4.网络模块开放数控系统对另一个并联络统或高层系统是开放，它们之间能够经过网络相互操作。比如，可由一台主控制机来控制整个网络，控制其它CNC系统起停、监视其工作状态。5.硬件平台无关性和可移植性系统应该能够安装在大多数类型计算机硬件平台上，以利于应用推广和降低成本，而且移植方便。2.3.2为了全方面支持上述相关开放式数控系统开放概念、应用特征和功效，本文提供了以下开放式数控系统体系结构设计标准:1)尽最大可能利用PC机软硬件技术:个人计算机含有高可靠性和计算能力，硬件己经实现了标准化。PC上运行软件含有很多功效，如友好界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊疗、网络通讯等。采取程序开发工具，用通用编程语言编制软件模块替换原有模块，便于生产商和用户添加含有自己独特技术诀窍功效模块。2)模块化:数控系统模块化建立在各功效要素逻辑分析基础之上，实现了模块之间标准连接，和即插即用。模块化组成要素能够满足用户和厂商多样化和多层次要求。3)动态配置系统:为了实现更灵活配置和更有好操作，本系统能够在系统开启、运行状态下，完成系统动态配置;其实现是基于系统拓扑结构动态生成，包含组成要素、参数化组成要素功效、组成要素之间信息流组织等多个步骤。4)可移植性:系统模块化确保了在同一软硬件平台上，含有相同功效组成要素可移植性。不过因为软硬件平台多样性，需要实现在多个软硬件平台上可移植性。这就要求本系统规范不依靠于特定软硬件平台.本系统要求所定义数据结构、命名习惯、用户接口外观等有利于不一样系统平台实现。就软件讲，采取分层设计或用户/服务器设计应用程序，将软、硬件相关部分置于底层，便于替换，实现移植。5)可扩展性:本系统能够使用户或二次开发者安全、有效将自己软件集成到个人计算机系统中，形成自己专用系统。其方法有两种:首先是固定模块内部结构，预留插入用户专用软件接口:其次是提供用户API函数和编程规范，供用户创建专用模块。上述开放式体系结构设计标准，能够用于指导开放式数控系统具体结构结构和开发。2.3.3结合目前计算机技术发展和控制系统开放性趋势，大家普遍提出开放式数控系统参考模型图2-4从图中能够看出，开放式体系结构数控系统参考模型是一个分层结构，同时也是模块化，每一层全部是一个模块。最低层是数控机床系统硬件平台，它包含机床本身，X,Y,Z,C轴驱动器、多种继电器、伺服电机等。再上一层是控制器硬件平台，它是一个计算机系统，通常采取通用PC机硬件结构，还应提供和机床底层接口，如数字I/O、可编程控制器(PLC)、运动控制卡等。这两层是硬件层。软件最低层是操作系统，采取Windows98,。这些操作系统提供良好图形用户接口(GUI)、应用程序接口(API)库、多任务机制。再上一层是CNC应用软件，CNC软件内部结构也是模块化。它关键是模块化，由它来负责整个系统谐调、高效运作。方便用户人机界面，代码处理模块对NC程序进行解释和预处理，产生对应数据结构交给插补运算模块或过程、逻辑控制模块实施，结果经过设备驱动程序(WDM)操作对应硬件。过程逻辑控制关键处理过程控制、多种开关量、机床状态等。设备管理等进行检测、监控。外部接口模块提供CAD/CAM接口、MIS系统接口、教授系统接口、数据库系统接口等。它应提供两种形式连接:一是网络，经过用户机/服务器(ClS)形式和远程CADICAM系统、MIS系统等交换数据;二是和当地机上其它应用程序间交换数据。接口功效将有利于CNC系统和其它系统连接和集成。这个参考模型充足表现了开放性标准，因为分层次、模块化结构，各个层次间采取标准接口，从而使每一模块全部能实现交换，能够由不一样厂商来生产，组合起来就是一个高性能性价比系统。因为PC机开放性，使控制器硬件和操作系统达成最大程度交换。而且，CNC系统提供多种接口许可外部程序取得其全部内部信息。外部程序也运行于Windows操作系统之上，能够利用CNC系统提供库函数开发相关应用，并集成到一起[5]。PC机低价格确保了控制器低价格，而Windows上多种开发工具VC等又使CNC系统开发难度大大降低，开发费用大幅下降。Windows操作系统对网络支持是很完善.所以更利于集成多种网络应用，一样，它也提供了很多高性能网络程序开发工具。机床系统硬件平台控制器硬件平台操作系统平台设备驱动程序总控模块代码处理模块插补运算模块过程控制模块轴控制模块人机界面检测监控模块设备管理模块人机界面外部接口模块教授系统MIS系统CAD/CAM系统机床系统硬件平台控制器硬件平台操作系统平台设备驱动程序总控模块代码处理模块插补运算模块过程控制模块轴控制模块人机界面检测监控模块设备管理模块人机界面外部接口模块教授系统MIS系统CAD/CAM系统图2-4开放式数控系统体系结构2.3.41.运动控制卡结构确定思想1986年以来，世界工业界一直致力于在制造业中推广开放，积木式结构控制技术。来，这一技术己在计算机工业中取得巨大成功。在开放式结构控制技术指导下，计算机控制系统完成了从造价昂贵专业大型机到开放式，积木式通用个人计算机改良。计算机技术飞速发展为开放式结构运动控制卡积累了丰富经验，发明了良好条件。从90年代开始，DSP技术和FPGA芯片技术在美国得到高速发展，出现了一批高性能低成本DSP。这些DSP关键特征是它们兼容性好，浮点运算速度快。采取DSP技术使得2-32轴运动控制系统能够浓缩到一块PCPCI控制卡上。而且每个伺服轴更新速率可达几十MHz，而且FPGA技术使得经过软件来更新硬件成为了可能。这使得以单片机为基础运动控制系统发生了重大改变，利用现有操作系统和资源，能够深入降低系统成本，并增加系统通用性。现代通讯和网络控制技术日新月异，并在大家生活中占据越来越关键位置。如基于网络技术果能把通讯和网络控制技术和DSP有机结合在一起，可开发出一个全新基于网络技术开放式机构DSP智能运动控制系统，这是当今世界运动控制系统发展主流。CAN总线PCI总线编码器码盘接口机械传动机构交流伺服电机伺服控制卡运动控制卡PC机参数设置位置指令状态信息反馈信息CAN总线PCI总线编码器码盘接口机械传动机构交流伺服电机伺服控制卡运动控制卡PC机参数设置位置指令状态信息反馈信息图2-5开放式运动控制系统结构框图2.运动控制系统硬件结构设计数控系统正朝着高速、高精度及开放化、智能化、网络化方向发展，而高速高精度则靠运动控制部件(运动控制卡)和实施部件(伺服系统)来确保。以前运动控制系统关键是基于单片机，实现位置调整、码盘信号处理等功效。因为期间本身实施速度有限，其位置控制周期、控制轴数量及控制精度等全部受到限制。不过基于DSP(数字信号处理器)运动控制卡性能很好处理这些问题。图2-5是运动控制系统结构框图，根据物理结构能够分为三个部分:1)交流伺服驱控制卡和交流伺服电机。交流伺服驱动单元未来自运动控制卡位置误差信号做速度环随动输入，按微分控制规律对电机转速进行控制。安装在电机上脉冲分配编码器将电机轴角位移以脉冲形式反馈到运动控制卡.伺服系统采取伺服控制卡、伺服电机全部是组合机床研究所研制开发。2)传动机械及工作台.该部分作为电机负载，对控制系统结构参数有较大影响，系统非线性原因关键分布于其中.3)FC机和运动控制卡。这是运动控制系统控制关键。因为个人PC机性价比很高，同时系统也比较可靠。PC机接收加工程序，经过预编译、语言检验、刀具运算等步骤，然后进行插补运算.PC机关键功效是利用强大计算能力完成高速精插补运算，PC机高速处理能力可确保实时插补和实时控制加工。PC机所完成任务是将插补运算得到各轴理论位置乘对应系数转换成为各轴所应转过角度值，经过双口RAM传给DSP。同时PC机要监控各轴实施情况，方便调整插补速度和进行故障报带。PC机操作系统提供了文件管理能力，方便了加工程序组织，同时能显示文字和图象信息，为良好人机界面设计提供了基础。DSP采取TI企业TMS320FL2407，双口RAM采取IDT7024(4K)。PC机将经过插补后位置指令，经过双端口RAM传输给DSP，DSP完成位置调整和速度调整并将指令经过CAN总线传输给伺服控制系统。2.3.5软件整体计划运动控制卡软件整体结构要符合开放性要求，方便用户有能力更深入参与到控制系统内部，进行控制方法选择和比较，达成最好效果。这就要求在软件整体计划时，就要考虑软件整体可伸缩性和可扩展性。可伸缩性表现在控制系统必需依据用户实际需求，增加和降低一些系统功效或部件，动态分析和解析控制系统软硬件资源，并友好向用户提供系统信息。可扩展性表现在当控制用户界面用户界面基础系统服务和加工控制用户模块开发服务组件PCI板卡接口函数DSP下位机系统算法控制图2-6软件系统结构系统功效不能满足用户要求时，用户能够进行开发和扩展。这将要求控制系统能够将用户自制模块融入系统，或替换现有系统模块，而系统完整性并不受到影响。软件系统结构图2-6所表示。控制系统结构开放性还表现在从上到下不一样层次:上层PC首先向用户提供一个友好人机交换界面，包含多种状态设置，加工参数解释，运动控制选择，加工情况检测等。改界面能够和其它系统集成。向其它系统提供加工过程数据。在控制系统下层，DSP将接收上位PC机传来数据，实现具体运动控制。在这一层上，系统应该提供用户便于选择不一样控制算法如:曲线插补算法。这两层还能够细分为小层次，其目标时为了在层和层之间建立比较完善接口，便于以后物理上功效扩展。用户界面部分向最终用户提供通常标准Windows应用程序接口，经过它能够对加工情况进行监控，又包含加工运动控制，对控制器资源情况监控，对加工参数修改和效果反馈等。这些服务由程序基础系统服务部分完成。PCI控制卡接口(WDM驱动程序)负责PC命令解释实施，它向服务程序提供一个和硬件无关接口，将具体硬件端口操作屏蔽起来。本章小结本章结合当今CNC系统发展新进展，对CNC系统体系结构特点进行了分析，讨论了CNC系统体系结构开放化基础概念和实施开放路径，并在需求分析基础上提出了开放体系CNC系统设计标准和概念模型，为后续章节深入对开放式CNC系统软、硬件结构结构和具体研究提供了一个总体参考框架。本章着重讨论在开放体系结构目标下基础CNC系统硬件，分析数控系统硬件开放化基础设计标准，和应用PC平台组成CNC系统硬件模块划分和总线选择方法，提出基于现场总线模块化，分布式CNC系统硬件结构。3.常见开放式数控系统体系结构及特征3.1数控系统硬件开放要求和实现技术硬件是CNC系统工作物质基础。基于PC开放式CNC系统硬件结构必需全方面支持开放式系统互操作性、移植性、交换性、可扩展性等开放理念，有利于系统集成、更新、维护和向新技术迁移。所以，开放体系结构CNC系统硬件应该是以总线和网络为基础模块化拓扑结构。而系统硬件开放性不仅仅表现在公开其硬件设计技术细节和具体结构参数，更关键是在于其结构可拓扑性，即许可用户遵守一定规范自行开发、选购、更新系统硬件组件，并以此为集成进行二次开发，而且在这种集成和开发过程及其方便。在具体实现中，采取一次策略将有利于开放式CNC系统硬件结构开放化设计。3.1.1标准化总线技术专用CNC采取自行定义总线规范，其技术细节往往是不公开，给系统扩展和升级带来极大不便。基于PC开放式CNC系统采取通用标准总线技术来处理因总线定义不一样而带来硬件不能公开问题。总线是一组信号线集合，是一个传送信息公共通道，通常由数据总线信号、地址总线信号、控制总线信号、时钟信号及电源信号组成。含有总线结构方法系统硬件能够模块化，适合开放式系统要求。总线要求了处理各部件或个子系统之间相互通讯标准接口，使不一样时期、不一样厂家部件全部能够经过总线组合在一起，为用户依据自己应用要求选配系统组成提供方便，为用户系统升级换代提供可能。这么，在需要升级系统时，就能够模块为单位进行更新和升级。所以，为了确保用户产品持久性、可升级性，能以最低成本适应技术发展和用户需求改变、保护用户投资，适应控制技术和计算机技术瞬息万变，在组建系统早期，选择好总线标准很关键。现在比较流行标准总线有并行和串行两种，其中并行总线有：8/32位STD总线、16位工SA总线、MULTIBUSI,32位MULTIBUSII,VME总线，PCI等;串行总线有：通用串行总线USB及多种现场总线，如CAN总线，Profibus总线等。因为现场总线通信协议遵照网络通信开放系统互连接模型，故也属于控制网络范围。在CNC系统中，可供选择开放总线有ISA,STD,VME,PCI和CAN,Profibus等。因为现场总线通讯协议遵照网络通讯开放系统互联模型，所以属于控制网络范围。所以在CNC系统中，可供选择开放总线关键有工SA,PCI、及CAN等。结合开放式数控系统实际需要处理问题，作者选择PCI总线作为PC机和运动控制单元通讯总线，和以往运动控制单元选择ISA总线相比，选择PCI总线含有显著优势：1)高性能。PCI局部总线以331v-Iz时钟频率操作，采取32位数据总线，数据传输速率可高达132Mbit/s，远超出以往多种总线。2)线性突发传输。线性突发传输可确保总线不停满载数据，故能更有效地利用总线带宽去传送数据，以降低无谓地址操作。另外PCI最独特之处是能够支持突发读取及突发写入，这使使用高性能图形加速器尤为关键。3)极小存取延误。支持PCI设备，存取延误很小，能够大幅度降低外围设备取得总线控制权所需时间。4)采取总线主控和同时操作。PCI独特同时操作功效可确保微处理器能够和多种总线主控同时操作，无须等候后者完成。5)不受处理器限制。PCI独立于处理器结构，形成一个独特中间缓冲器设计方法，将中央处理器子系统和外围设备分开。这么用户能够随意增添外围设备，以扩充电脑系统而无须担心在不一样时钟频率下会造成性能下降。6)适合于多种机型，兼容性强。因为PCI设计是要辅助现有扩展总线标准，所以和ISA,E工SA及MCA总线完全兼容。7)预留了发展空间。PCI总线在开发时预留了充足发展空间，支持64位地址/数据多路复用，可将系统数据传输速率提升到264Mbit/so由此能够提升数控控制系统传输速度，提升数控系统实时特征。所以原先工业普遍使用ISA总线逐步被PCI总线替换。1.PC工总线物理协议以32位为例说明相关总线信号。位扩展信号可参阅文件[5]。表3.1总线信号基础引脚类型功效CLKIN系统时钟AD[31：00]T/S地址和数据复用信号线信号C/BD[3：00]#T/S总线命令和地址性能信号PART/S奇偶效验信号FRAME#S/T/S指示总线起始和终止IRDY#S/T/S主设备准备好信号TRDY#S/T/S目标设备准备好信号STOR#S/T/S目标设备要求终止目前信号传输DEVSER#S/T/S目标设备选择信号IN为输入信号;TlS为双向3态信号:S/T/S为连续三态信号;#为低电平有效。2.单一数据存取周期存取周期指PCI总线主设备和目标设备间点对点数据传输。包含:内存读、写;输入输出读、写;配制读、写操作。PCI总线定义3种不一样地址空间:内存空间、I/O空间和配制空间。依据不一样读写操作，将选择不一样地址空间。1个存取周期开始时，PCI总线主设备置FRAME#有效，首先开始1个地址期(ADDRESSPHASE)，在这段时间内，有效地址和命令分别在AD和C/BE#信号线上。由PCT总线主设备驱动AD和C/BE#信号，并在1个系统时钟周期以后，为这些信号线驱动PAR信号有效[4]，C/BE#上命令类型指出是哪一个地址空间和哪种具体操作，如表3.2所表示。表3.2C/BE#命令类型C/BE[3210]命令类型C/BE#[3210]命令类型0000中止确定周期1000保留0001特殊周期1001保留0010I/O读周期1010配制读周期0011I/O写周期1011配制写周期0100保留1100多重存放读器0101保留1101双地址周期0110内存读周期1110存放器在线读0111内存写周期1111存放器写使能无效在地址期以后为1个数据期(DATAPHASE)，在这段时间内数据被传送。PCI总线上全部目标设备对地址进行译码，地址对应设备经过置DEVSEL#信号有效来响应传送周期。此时AD和C/BE#上分别为数据和字节使能信息(指出32位数据总线中哪多个字节有效)。对于写周期，,PCI总线主设备分别驱动被写数据、有效字节信息和这些信号校验至AD,C/BE#和PAR信号线上;对于读周期，PCI总线主设备驱动有效字节信息至CBE#，由目标设备驱动被读数据和到AD信号校验到PAR信号线上。而且因为AD由主设备驱动转成目标设备驱动，所以在目标设备驱动信号之前，AD要保持1个系统时钟周期三态，方便完成转换。数据传输开始于IRDY#和TRDY#全部有效情况下CLK第1个上升沿时。当FRAIvIE#无效、IRDY#有效时，说明目前传输是最终1个数据传输。数据传输完成，IRDY#被里无效，1次传输正常结束。空闲期(IDELPHASE)是指没有总线操作时段，此时FRAME#和3RDY#无效。另外PCI总线主设备和目标设备全部能够经过在IRDY#和TRDY#有效前加入若干等候周期以延迟传输开始时间。因为AD（6）们一直由总线主控设备驱动，所以不需要周转周期。写操作期间数据传输方法类似于读操作。在数据传输过程中，总线主控设备和目标设备全部能够终止目前总线操作。通常情况下，总线主控设备能够经过设置FRAME#无效、IRDY#有效来指示最终一个数据周期;目标设备则经过设置STOP#有效来请求终止，然后由主控设备来终止操作。3.突发传送PCI总线支持成组突发方法传送。其它总线传输协议不一样，PCI总线不使用单独信号线和命令来定义突发方法进行，而是经过FRAME#和IRDY#信号时序改变使单个数据传输自然地转成突发方法。在地址期，单个和突发传输协议是一致。在数据期，当PCI主设备准备好接收或传输数据时，IRDY#有效。假如FRAME#在IRDY#有效同时无效，即开始第一个数据传输时无效，说明此操作为单一数据传输;假如FRAME#仍保持有效，则该方法为突发方法。一个突发传送包含一系列微传送(microaccess),第一个微传送地址称基地址(baseaddress),在地址期得到。随即微传送地址将依据这一基地址做对应增加得到。和单一方法一样，当FRAME#无效而IRDY#有效时，突发传输进行最终数据传送，,FRAME#和IRDY#全部无效时，传输结束[7]。4.中止确定周期中止确定周期能够认为是一个特殊读操作，主设备为HOST/PCI桥路，目标设备为含有中止控制器PCI总线设备。PCI总线规则支持分布式中止申请信号线(INTX#),TNTX#信号线目标能够许可特殊PCI设备对主CPU进行总线申请。当一个设备对总线提出申请以后，主CPU经过HOST/PCI桥路实施一个中止确定周期。中止控制器任务是在该周期数据周期把中止矢量放在AD[31:00]信号线上。其关键特点以下[7]。1)中止确定周期实施无需译码，所以包含中止控制器PCI总线设备对操作响应经过置DEVSEL#有效完成。2)响应中止确定周期PCI设备经过TRDY#信号延长周期，和其它传送一样，TRDY#和主设备(HOSTlPCI桥路)IRDY#共同决定周期长度。3)中止确定周期只能是读操作。4)能够按单个读或突发读方法操作。5)主设备能够由主设备故障终止、目标设备能够由重试终止、断开终止、目标设备故障终止来结束周期。5.PCI总线仲裁[7]PCI总线结构采取集中仲裁机制，每1个PCI主设备全部有独立REQ#(总线占用请求)和GNT#(总线占用许可)2条信号线和中央仲裁器(centralarbiter)相连。由中央仲裁器对各设备申请进行仲裁，决定由谁占用总线。PCI总线规则并没有给中央仲裁器建立1个明确协议，它要求中央仲裁器支持一个合理算法，给每个PCI主设备确立取得总线控制权等候时间。协议基础要求：1)对总线全部权提出申请设备必需含有立即开始总线周期能力。假如被授予总线全部权后(GNT#有效)，主设备尚不能开始总线操作，它应放弃全部权，而由中央仲裁器重新仲裁;假如该设备不放弃全部权，且在第16个CLK周期仍不能开始操作，中央仲裁器则认为该主设备为“死设备”，以后也不再授予其总线全部权。2)被授予总线全部权主设备应在8个CLK(推荐为2-3个)周期内，驱动AD[31:00」和CBE#[3:00〕信号线至1个稳定电平;在9个CLK(推荐为3^"4个)周期内驱动PAR信号至1个稳定电平。3)当一个主设备拥有总线全部权时(REQ#和。NT#全部有效)，假如中央仲裁器想把总线全部权转给另外一个主设备，它将置目前设备GNT#无效，此时有2种情况:t1)目前主设备正在进行操作(FRAME#有效)，那么目前主设备完成操作后，交回总线全部权。t2)目前主设备处子空闲期(FRA.ME#和IDRY#均无效)，它将立即交回全部权。4)PCI主设备可在任何需要时刻对总线提出申请，REQ#有效后，也可在任何时刻撤回申请。但在1个操作周期时假如发生重试、断开、目标设备故障引发操作终止，REQ#必需置为无效。这是因为中央仲裁器只监测PCI总线REQ#,FRAME#和IRDY#信号，而对STOP#信号引发终止是不知道，这么将不能立即把总线全部权转给其它提出申请设备，所以要置RE则无效。假如总线不是在空闲状态，1个主设备GNT#无效和下1个主设备GNT#有效之间最少应有1个CLK周期，不然会在AD和PAR信号线上出现时序冲突。过去运动控制卡同伺服系统通讯通常全部采取RS-232或RS-485进行通讯，因为RS-232通讯速度低，不能满足数控系统实时性能要求，即使RS485速度高，不过这种接口通信多为查询方法，效率低，难以满足较高实时性要求;再者，使用RS-422/485接口通信网工作在主/从模式，主节点成为系统瓶颈，一旦主节点出故障，会造成整个通信系统瘫痪;另外，因为RS-422/485接口通信规约缺乏统一标准，不一样厂家生产设备极难互连，不适合开放系统建设，所以需采取新技术替换这种通信方法。3.1.2CAN总线原理和特点1.CAN总线技术概述CAN是控制器局域网(CAN，ControllerAreaNetwork)简称，属于现场总线地范围。它最早用于汽车内部测量和实施部件之间地数据通讯，由德国Bosch企业提出，是一个有效支持分布式实时控制地串行通信网络。CAN总线是一个经典地串行总线地结构形式，以半双工方法工作，采取基于数据传输方法，消息能够在任何时候由任何节点发送到空闲地总线上，并被其它全部节点接收、判定后决定是否应用这个消息。其物理层能够使用双绞线，符合IS011898标准，其数据链路层采取了含有优先级控制地载波侦听及碰撞检测机制(CSMA/CD)。CAN总线关键特点:1)CAN总线地通讯速率为1Mbps/40m和5Kbps/10km，节点数可达110个，传输介质为双绞线或光线；2)CAN能够实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节点均可在任何时刻主动向网络上地其它节点发送信息，可采取点对点、一点对多点及全局广播等多个方法传送数据;3)CAN采取非破坏性总线总裁技术，将节点信息分为不一样地优先级，可满足不一样地实时要求;4)CAN总线地报文采取短帧结构，每帧信息全部有CRC校验和其它检错方法，使数据犯错率极低，平均误码率小于10-13，可靠性极高；5)当节点出现严重错误时，含有自动关闭总线功效，切断它和总线联络，可使总线上其它操作不受影响。6)CAN总线成本低，仅为令牌总线几十分之一。因为CAN总线优良特征，得到了国际上很多大企业支持，使硬件接口简单、编程方便、系统组成轻易。现在，CAN应用范围遍布高速网络到低成本工业测控网络，公认为极具发展前途现场总线之一。2.CAN分层结构