隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用，數字通信網絡延伸到工業(ye) 過程現場成為(wei) 可能，產(chan) 生了以微處理器為(wei) 核心，使用集成電路代替常規電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳(chuan) 輸以及優(you) 化控製等功能的智能設備。

　　引言

　　設備之間彼此通信、控製，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，導致了現場總線的產(chan) 生。1984年，現場總線的概念得到正式提出。IEC(International Electrotechnical Commission,國際電工委員會(hui) )對現場總線(Fieldbus)的定義(yi) 為(wei) ：現場總線是一種應用於(yu) 生產(chan) 現場，在現場設備之間、現場設備和控製裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。

　　現有的放開式數控係統實現方案主要采用pc機和數控係統結合的方法，pc機作為(wei) 上位機實現較為(wei) 複雜的網絡通信，人機交互等功能，數控係統作為(wei) 下位機將上位機輸入的運行參數經過處理交給執行部件執行，同時將檢測係統的反饋信息上傳(chuan) 給上位機實現實時監控，各個(ge) 模塊之間協調工作互不幹擾，給係統升級帶來了方便。

　　放開式係統動態控製器的核心是dsp,它具有運算速度快，支持複雜運動算法的特點，可以滿足高精度運動控製的要求，因此，以dsp為(wei) 核心的多軸動態控製卡越來越廣泛地應用在運動控製係統中，將多軸動態控製卡插在pc機擴展槽上，就可以組成高精度運動控製係統，位置反饋信號的采集、閉環控製計算及控製量的輸出均由動態控製卡完成，極大的提高了運算速度和控製響應速度，將工控機的資源從(cong) 煩瑣的數據采集和計算中解決(jue) 出來，從(cong) 而可以更好的實施整個(ge) 控製係統的管理。

　　作者經過綜合調研，采用ti公司的2407係列dsp作為(wei) 微處理單元，采用pci總線作為(wei) 並行總線與(yu) pc機進行通訊，同時采用現在比較流行的現場總線技術同現場設備進行通訊，所以這是一個(ge) 基於(yu) 現場總線和pci總線的智能動態控製器。

　　2 動態控製器的係統構成

　　2.1 現場總線

　　基於(yu) pci總線的動態控製器采用現場總線技術，解決(jue) 了傳(chuan) 統串行總線傳(chuan) 輸速率低，響應速度慢，出錯率高等缺點，同時由於(yu) 現場總線采用數字信號而不是傳(chuan) 統的模擬信號作為(wei) 通信手段，解決(jue) 了傳(chuan) 統數控係統中的難以解決(jue) 的零漂問題，簡化了係統的實現方案，同時這種總線有利於(yu) 放開式係統的發展。

　　can最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用於(yu) 離散控製領域，其總線規範已被ISO國際標準組織製定為(wei) 國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為(wei) 二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳(chuan) 輸采用短幀結構，傳(chuan) 輸時間短，具有自動關(guan) 閉功能，具有較強的抗幹擾能力。CAN支持多主工作方式，並采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優(you) 先級來避免衝(chong) 突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s,通訊速率最高可達40M /1Mbp/s,網絡節點數實際可達110個(ge) 。目前已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。

　　can是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1mb/s,該協議由數據鏈路層和物理層組成，數據鏈路層分為(wei) 邏輯鏈路控製子層(lic)和媒體(ti) 訪問控製子層(mac)。現在已形成該協議的國際標準(iso1898)，can總線通信接口中集成了can協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、循環冗餘(yu) 校驗等)、can總線有can2.0a和can2.0b兩(liang) 種協議，can協議的一個(ge) 最大的特點是對通信數據塊進行編碼(取消了傳(chuan) 統的對站地址編碼)，can協議采用crc校驗並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總線以其可靠性高、通信速率快、穩定性好，抗幹擾能力強，開發成本低等特點， 而被工控領域普遍采用，被公認為(wei) 最有前途的現場總線之一。

　　2.2 pci 總線

　　作為(wei) 目前微型計算機主流總線標準的pci總線，原來是專(zhuan) 門為(wei) 了提高係統數據傳(chuan) 輸性能，現在作為(wei) 高性能外設接口，與(yu) 傳(chuan) 統的isa總線相比，pci總線有以下特點：

　　突出的數據傳(chuan) 輸性能 總線寬度32位(可擴展到64位，)支持突發傳(chuan) 輸方式，pci總線規範2.0版支持3mhz總線操作，32位33mhz總線在讀寫(xie) 操作中峰值傳(chuan) 輸速率達到132mb/s(isa最大傳(chuan) 輸速率8mb/s);

　　良好的兼容性能 pci總線部件和插卡的設計獨立於(yu) 處理器， 定義(yi) 了3.3-5v兩(liang) 種信號環境，5-3.3v的組件技術可以是使電平平穩過渡;

　　即插即用 每個(ge) pci設備上都有配置空間能實現自動配置，使係統bioses和操作係統的係統層軟件能自動配置係統部件和插卡;

　　線主控和同步操作，pci總線接口芯片可以主控總線，其同步操作可以保證cpu和總線主控同時操作;

　　總線仲裁機製，pci總線仲裁能在另一個(ge) 總線主設備在pci總線上執行傳(chuan) 輸時發出，從(cong) 而提供係統數據傳(chuan) 輸性能。

　　在pci總線的設計上采用了plx公司的產(chan) 品pci9052,這是一種高性能的pci總線控製器，專(zhuan) 門為(wei) 開發pci板卡而設計的一種pci總線控製器，圖1是放開式數控係統總體(ti) 結構框圖。

　　2.3 微處理芯片

　　動態控製器板卡上有一個(ge) 高速dsp芯片作為(wei) 運動控製模塊的控製器，該設計選擇it公司生產(chan) 的tms320lf2407作為(wei) 動態控製卡的控製芯片，由於(yu) tms320xx係列dsp芯片是專(zhuan) 門為(wei) 控製電機設計的一款高性能低價(jia) 位的產(chan) 品，同時作為(wei) 控製電機的伺服控製係統也是采用的這款dsp芯片作為(wei) 伺服控製器，所以具有良好的通訊和係統兼容性能，tms3201lf2407內(nei) 部還有一個(ge) can控製器模塊，這樣就不需要另外選擇一個(ge) can控製器，簡化了電路設計，同時提高了係統性能。

　　由於(yu) dsp芯片和pc機都是控製器，他們(men) 對存儲(chu) 器編址是不同的，為(wei) 了統一編碼，在pci控製器和dsp之間要加一個(ge) 雙口ram來連接2個(ge) 控製器。idt7024是idt公司生產(chan) 的一款雙口ram,他和普遍的ram不同之處是它有2個(ge) 地址4單元，1個(ge) 存儲(chu) 單元，對於(yu) pc機來說他就對對應於(yu) 一段內(nei) 存單元，對於(yu) dsp來說他可以對應於(yu) 一段片外存儲(chu) 單元，這樣就解決(jue) 了dsp和pc機之間的通信問題，本設計采用的是通用pc機加實時控製單元的遞階式結構。采用放開式數控係統上pc機的windows環境形成良好的人機界麵，利用pc機的資源優(you) 勢，放開式結構平台(動態控製器)可以集成不同開發商提供的軟件並適合連網需要，且具有與(yu) 硬件無關(guan) 的特性，設備層高速度、高可靠性，標準化的數字通訊，可滿足用戶個(ge) 性化要求且保證高性能、低成本。

　　3 係統硬件設計原理

　　基於(yu) can總線動態控製卡的硬件結構如圖2所示，從(cong) 個(ge) 人pc機中傳(chuan) 入的參數如：加工參數，插補軌跡以及一些狀態信息，通過pci總線傳(chuan) 到pci控製器pci9052的高速緩存fifo中，pci9052作為(wei) 總線主設備將pc機傳(chuan) 來的信息經過緩存最終存儲(chu) 到雙口ramidt7024內(nei) ，由於(yu) 雙口ram映射為(wei) pc機的一部分內(nei) 存地址，所以pc機就像操作內(nei) 存一樣將信息存儲(chu) 到雙口ram,等待dsp的讀取，dsp定時從(cong) 雙口ram中讀取pc機傳(chuan) 來的各種控製信息，dsp的主要功能是根據pc機送來得插補信息，通過插補算法形成伺服控製模塊能夠接受的動態信息，通過can總線將運動信息傳(chuan) 遞到伺服控製器，通過伺服控製器來驅動伺服電機運動，從(cong) 而控製數控機床的運動。#p#分頁標題#e#

　　在設計中由於(yu) pci9052,idt7024都是5v元件，tms2320lf2407屬於(yu) 3.3v器件，同時pci插槽提供5v電源模塊，所以電路隻使用了電壓轉換電路將5v信號轉變為(wei) 3.3v信號，如圖2,由於(yu) dsp內(nei) 嵌can控製器，所以外部隻需要一個(ge) pcac82520t-can收發器就可以直接掛在can總線上進行通訊。

　　4 數控係統的軟件設計

　　放開式cac係統解決(jue) 軟件公用的最主要措施是采用通用的操作係統，本係統設計pci動態控製卡可以在windows90/2000/xp中文操作係統下正常工作，軟件框圖如圖3所示。

　　為(wei) 了使係統達到控製要求，需要解決(jue) 如下幾個(ge) 關(guan) 鍵問題：

　　(1)保證係統相應的實時性

　　係統對外界信息以足夠快的速度進行處理，並在一定的時間內(nei) 作出響應，本控製係統是利用windows中斷保證實時響應;

　　(2)協調的進行多任務調度

　　cnc係統具有多種不同優(you) 先級任務，要求係統軟件能合理，有序地調度這些任務的運行，多任務意味著多個(ge) 任務能並行運行，調度的關(guan) 鍵在於(yu) 按照一定的優(you) 先權，事件發生的順序合理的切換各任務的狀態;

　　(3)提供任務通信機製

　　由於(yu) cnc係統中各任務並否是孤立的，任務之間要完成信息交換和資源共享，cnc係統的通信形式有兩(liang) 種，互斥和同步，互斥是針對不可共享資源的訪問問題，如大多數外部設備和共享的可讀寫(xie) 數據區，同步是指任務之間的協同工作，任務之間的相對速度有不可預見性，必須由任務通信機製達到同步;

　　(4)提供定時和延時

　　定時和延時功能一般由時鍾提供，cnc係統大部分任務都是依據定時或延遲條件來激活。

　　5 驅動程序

　　5.1 獲取係統分配的配置資源

　　對於(yu) 即插即用型設備，係統都是動態分配係統資源的，如何獲取係統分配給這些內(nei) 存單元的地址是vxd驅動程序需要解決(jue) 的首要問題。在pci的配製周期機製中，主橋路提供了兩(liang) 個(ge) 寄存器用於(yu) 對配置空間的操作，第一個(ge) 是配置空間基地址寄存器canfig-address,雙字地址是cf8h,第二個(ge) 是配置空間數據緩衝(chong) 寄存器config-data,地址是cfch,對配置空間的操作是通過輸入一個(ge) 值到設備的config-data寄存器，在此之後如果對config-data寄存器進行讀寫(xie) 操作，pci控製器就會(hui) 將config-address寄存器中的值轉換成pci總線上所需要的配置周期。

　　5.2 vxd與(yu) 應用程序的通訊

　　vxd運行在係統ring0級，處理係統底層設備，應用程序利用其提供的接口服務來處理硬件，windows允許vxd和應用程序之間進行雙向通信。

　　在windows中，win23應用程序對vxd的通訊方法隻有一種，利用設備輸入輸出控製函數deviceiocontrol()來實現，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(yu) vxd進行通訊。

　　vxd的命令代碼需要根據其固定格式進行定義(yi) ，程序中共定義(yi) 了2個(ge) 命令代碼，分別用於(yu) 對雙口靜態ram的讀寫(xie) 操作和vxd對win32應用程序異步過程調用時回調函數地址傳(chuan) 輸。

　　另外，由於(yu) 采用中斷方式對dsp處理的數據進行讀取，所以中斷事件發生時， 需要vxd異步通知win32應用程序，設計時在應用程序中創建了兩(liang) 個(ge) 線程，一個(ge) 用於(yu) 等待中斷事件，當中斷事件發生時，讀取dsp送到雙口ram中數據，另一個(ge) 用於(yu) 顯示數據。

　　5.3 訪問i/o以及內(nei) 存

　　在s599的串行存儲(chu) 器中，將pci配置基礎地址寄存器badr1配置為(wei) 4k,16位寄存器空間，badr2設置為(wei) 8個(ge) 自己的i/o空間，基地址寄存器badro對應s5933內(nei) 部16個(ge) 雙字節pci總線操作寄存器，當利用查找方式獲得配置空間數據時，即可得到存儲(chu) 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(xie) 滿2k的存儲(chu) 器空間時pci將產(chan) 生中斷，中斷信號從(cong) 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vsharedhardwareint的中斷通知事件處理函數onsharedhardwareint()。

　　6 應用程序的編寫(xie)

　　6.1 人機接口模塊

　　使用vc編寫(xie) 基於(yu) pci總線動態控製器板卡的應用程序，主要利用設備輸入輸出控製函數deviceiocontrol()，將界麵上對數控機床的各個(ge) 參數轉換數據送到底層的vxd進行通信。

　　6.2 解決(jue) 程序模塊

　　對從(cong) 應用程序中人機界麵模塊中傳(chuan) 入的參數進行解釋，完成將上位機輸入信息解釋成下位機dsp能夠執行的語言，程序解釋模塊固化到pci板卡的dsp片內(nei) rom中。

　　6.3 plc接口模塊

　　實現pci控製卡與(yu) 現場總線上的plc模塊之間的通訊，由於(yu) can總線的特點是可以將對plc模塊的控製作為(wei) 一個(ge) 應用模塊做在pci控製卡上，從(cong) 而實現了模塊化控製。

　　6.4 插補模塊

　　在加工信息解釋的基礎上，調用運動學算法模塊，將運動平台在操作空間的運動轉變為(wei) 空間的伺服運動，實時生成刀具的運動軌跡，並將各伺服軸的移動指令送給伺服模塊。

　　6.5 運動算法模塊

　　主要為(wei) 伺服驅動提供逆解、速度映射算法，為(wei) 加工狀態的實時仿真及精度補償(chang) 提供正解算法。

　　7 結語

　　采用pc+動態控製卡模式，實現數控係統的放開式設計方法開發周期短，係統可靠性高，便於(yu) 機床功能擴展，由於(yu) 軟件采用了模塊化，同時基於(yu) 組件技術，界麵友好，操作方便，進行軟件升級以及用戶進行二次開發都比較方便。