【正文】 （3）流水線結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它將數(shù)據(jù)和程序分別存儲在不同的存儲器中，即程序存儲器(PM)和數(shù)據(jù)存儲器(DM)各自獨立，獨立編址，獨立訪問。 5) CAN采用監(jiān)視總線、循環(huán)冗余檢驗、位填充和報文格式檢查等措施，保證了極低的信息出錯率。 CAN通訊協(xié)議的實現(xiàn)，包括各種通訊協(xié)議的組織和發(fā)送，均是由集成在CAN通信控制器中的電路實現(xiàn)的，因此，系統(tǒng)的軟件開發(fā)人員的主要精力應(yīng)集中在應(yīng)用層軟件的開發(fā)上。PLS 位編碼 位定時 同步物理層MAC 數(shù)據(jù)封裝/拆裝 楨編碼（填充/解除填充） 介質(zhì)訪問管理 錯誤檢測 出錯檢測 應(yīng)答 串行化LLC 接收濾波 超載濾波 恢復(fù)管理數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層（由系統(tǒng)開發(fā)）應(yīng)用層物理層數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)層運輸層會話層表示層PMA 驅(qū)動器/接收器特征MDI 連接器 圖31 CAN的分層結(jié)構(gòu)圖中，物理層定義信號怎樣傳輸，完成電氣連接，實現(xiàn)驅(qū)動器接收器特性:數(shù)據(jù)鏈路層由分為媒體訪問控制CMAC)子層和邏輯鏈路控制(LLC)子層:MAC子層是實現(xiàn)CAN協(xié)議的核心，它的功能主要是傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定和故障界定:LLC子層的功能主要是報文濾波、超載通知和恢復(fù)管理。 CAN總線的主要特點: 1) CAN總線地通訊速率為1Mbps/40m和5Kbps/10km，節(jié)點數(shù)可達(dá)110個，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光線； 2) CAN可以實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且無主從機之分，每個節(jié)點均可在任何時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上地其他節(jié)點發(fā)送信息，可采用點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)。 如果總線不是在空閑狀態(tài)，1個主設(shè)備的GNT無效和下1個主設(shè)備的GNT有效之間至少應(yīng)有1個CLK周期，否則會在AD和PAR信號線上出現(xiàn)時序沖突。 2)被授予總線所有權(quán)的主設(shè)備應(yīng)在8個CLK(推薦為23個)周期內(nèi)，驅(qū)動AD[31:00」和CBE[3:00〕信號線至1個穩(wěn)定電平。 4)可以按單個讀或突發(fā)讀方式操作。 中斷確認(rèn)周期可以認(rèn)為是一個特殊的讀操作，主設(shè)備為HOST/PCI橋路，目標(biāo)設(shè)備為含有中斷控制器的PCI總線設(shè)備。其他總線傳輸協(xié)議不同，PCI總線不使用單獨的信號線和命令來定義突發(fā)方式的進行，而是通過FRAME和IRDY信號時序的變化使單個數(shù)據(jù)的傳輸自然地轉(zhuǎn)成突發(fā)方式。 空閑期( IDEL PHASE)是指沒有總線操作的時段，此時FRAME和3RDY無效。PCI總線上所有目標(biāo)設(shè)備對地址進行譯碼，地址對應(yīng)設(shè)備通過置DEVSEL信號有效來響應(yīng)傳送周期。包括:內(nèi)存讀、寫。 PCI總線在開發(fā)時預(yù)留了充足的發(fā)展空間，支持64位地址/數(shù)據(jù)多路復(fù)用，可將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到264Mbit/so 由此可以提高數(shù)控控制系統(tǒng)的傳輸速度，提高數(shù)控系統(tǒng)的實時特性。 4)采用總線主控和同步操作。所以在CNC系統(tǒng)中，可供選擇的開放總線主要有工SA, PCI、及CAN等?？偩€規(guī)定了處理各部件或個子系統(tǒng)之間相互通訊的標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同時期、不同廠家的部件都可以通過總線組合在一起，為用戶根據(jù)自己的應(yīng)用要求選配系統(tǒng)的組成提供方便，為用戶系統(tǒng)的升級換代提供可能?；赑C的開放式CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)必須全面支持開放式系統(tǒng)的互操作性、移植性、互換性、可擴展性等開放理念，有利于系統(tǒng)的集成、更新、維護和向新技術(shù)的遷移。在這一層上，系統(tǒng)應(yīng)該提供用戶便于選擇不同的控制算法如:曲線插補算法。可伸縮性體現(xiàn)在控制系統(tǒng)必須根據(jù)用戶的實際需求，增加和減少某些系統(tǒng)功能或部件，動態(tài)分析和解析控制系統(tǒng)的軟硬件資源，并友好的向用戶提供系統(tǒng)信息。PC機接收加工程序，經(jīng)過預(yù)編譯、語言檢查、刀具運算等步驟，PC機高速的處理能力可保證實時插補和實時控制加工。由于期間本身執(zhí)行速度有限，其位置控制周期、控制軸的數(shù)量及控制精度等都受到限制。這些DSP的主要特性是它們兼容性好，浮點運算速度快。外部程序也運行于Windows操作系統(tǒng)之上，可以利用CNC系統(tǒng)提供的庫函數(shù)開發(fā)相關(guān)應(yīng)用，并集成到一起[5]。設(shè)備管理等進行檢測、監(jiān)控。再上一層是控制器硬件平臺，它是一個計算機系統(tǒng)，一般采用通用的PC機硬件結(jié)構(gòu)，還應(yīng)提供與機床底層的接口，如數(shù)字I/O、可編程控制器(PLC)、運動控制卡等。但是由于軟硬件平臺的多樣性，需要實現(xiàn)在多種軟硬件平臺上的可移植性。 為了全面支持上述關(guān)于開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放概念、應(yīng)用特性和功能，本文提供了如下的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計原則: 1)盡最大可能的利用PC機的軟硬件技術(shù):個人計算機具有高可靠性和計算能力，硬件己經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。 表現(xiàn)在功能上，一個開放式的CNC系統(tǒng)應(yīng)能夠做到: 能夠提供一個統(tǒng)一風(fēng)格的操作界面，實現(xiàn)操作的簡潔性。可以看成是伺服電機的步進化。 基于總線結(jié)構(gòu)型的運動控制器易于系統(tǒng)集成，具有根好的網(wǎng)絡(luò)功能和開放性:獨立型運動控制器則應(yīng)用靈活機動、同時可以通過很多方法和協(xié)議將多個伺服驅(qū)動控制器連接在一起， C Serial Real fillle COImnunitalon Speffiedon)協(xié)議(1995年成為IEC 1491國際標(biāo)準(zhǔn))是目前最適應(yīng)子同步和協(xié)調(diào)控制的串行實時漚信協(xié)議，該協(xié)議為CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換接口，并使產(chǎn)品具有可互換性。這種開放式的運動控制器是未來數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。運動控制作為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，每種技術(shù)所出現(xiàn)的進展都使它向前再邁進一步，其技術(shù)的進步是日新月異的.運動控制作為自動控制的一個重要分支，在軍事國防、工業(yè)生產(chǎn)、火炮瞄準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航:工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工裝備、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、以及工廠自動化(FA )中的各種其他控制設(shè)備:計算機外圍設(shè)備和辦公室自動化(OA)中的各種磁帶機、軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器、數(shù)控繪圖機、傳真機、打印機、復(fù)印機的控制等。因此，二十世紀(jì)八十年代后期，國際上開始出現(xiàn)運動控制系統(tǒng)(Motion ControlSystem)這一術(shù)語。 軟件NC指CNC系統(tǒng)的各項功能，如編譯、編譯、插補和PLC等，均由軟件模塊來實現(xiàn)。這種方法能夠方便的實現(xiàn)人機界面的開放化和個性化，即上述第一層的的開放。PC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，其計算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這些使得它越來越適合于工業(yè)環(huán)境下使用。到人機控制接口中。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使CNC控制器與當(dāng)今的PC機類似，系統(tǒng)構(gòu)筑于一個開放的平臺上，具有模塊化結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能，迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，而且，組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商，并且相互兼容。換代可擴展性，是指隨著時間和技術(shù)的遷移，組成數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件具有可升級性。 關(guān)于開放式體系結(jié)構(gòu)的定義，目前尚有較大爭議，根據(jù)IEEE關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義:一個開放式的系統(tǒng)應(yīng)能夠在多種平臺上運行，能夠與其它系統(tǒng)進行操作，并能給用戶提供一致的交互界面。華中理工大學(xué)開發(fā)的華中1型是以32位工控機為硬件主體，配置了具有曲面構(gòu)造與自動編程的CAD功能軟件，能進行復(fù)雜曲面的構(gòu)造、數(shù)控加工規(guī)劃、NC程序生成、干涉檢驗和加工仿真，中科院沈陽計算所研制的藍(lán)天1型、北京航空航天大學(xué)的CH2010也都是基于PC平臺的數(shù)控系統(tǒng)，各具特色。因此用戶、控制系統(tǒng)生產(chǎn)商和機床廠制造商都可以很方便地為自己的模塊設(shè)置或者增加新的功能和特性。OSACA的軟件結(jié)構(gòu)中有三個主要組成部分:通訊系統(tǒng)、參考體系結(jié)構(gòu)模型和配置系統(tǒng)，它們建立在統(tǒng)一的信息通訊平臺基礎(chǔ)上。 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)(ISW)支持，參加單位來歐盟國家的11家主要機床制造廠、控制器生產(chǎn)廠和高校?；谶@一標(biāo)準(zhǔn)的控制器具有體系結(jié)構(gòu)開放、適用范圍廣、能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的特點。使CNC系統(tǒng)進入了面向高速、高精度的第七代。 1974年，首次出現(xiàn)了采用微處理器芯片的軟連接CNC系統(tǒng)，象征著數(shù)控系統(tǒng)進入了以微機為背景的時代。1959年，晶體管取代了笨重的電子管。數(shù)控技術(shù)是國防現(xiàn)代化的重要部分，是國際技術(shù)和商業(yè)貿(mào)易的重要構(gòu)成。對控制系統(tǒng)開發(fā)商，可在共同的標(biāo)準(zhǔn)平臺上建立廣泛的合作，實現(xiàn)廠家的協(xié)作式開發(fā)，這將大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少投資，增強產(chǎn)品競爭力。專用件的大量使用，給數(shù)控設(shè)備的使用與維護帶來了很多不便。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。近年來，由于市場競爭日趨激烈，為在競爭中求得生存與發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)如要提供高質(zhì)量的產(chǎn)品，就必須頻繁地改型，并縮短生產(chǎn)周期，滿足市場上不斷變化的需要。 關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng) 開放體系結(jié)構(gòu) CAN總線 PCI總線 Abstract With the development and broad used of CNC technology and plex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, puter, autocontrol, inspectevice etc. The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the system39。全文主要研究工作如下： 系統(tǒng)研究了基于PC的開放式CNC系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題:CNC體系結(jié)構(gòu)的概念及其對系統(tǒng)性能和發(fā)展的重要性，現(xiàn)有CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點和缺陷，CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開放的必要性、開放的理念和目標(biāo)以及實現(xiàn)開發(fā)的途徑。采用這種高度自動化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分?jǐn)傇诿恳粋€工件上的費用很少，經(jīng)濟效益仍然是非常顯著的。 為了解決上述這些問題，來滿足多品種、小批量的自動化生產(chǎn)。利用數(shù)控技術(shù)可以大幅度縮短產(chǎn)品的制造周期，提離產(chǎn)品的加工質(zhì)盤，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品的競爭力，因而具有顯著的經(jīng)濟效益及廣闊的發(fā)展前景，業(yè)已成為一個國家機械制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要研究目的是，解決變化頻繁的需求與封閉的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴充的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而有效地響應(yīng)新的加工需求。我們應(yīng)充分把握數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)型的歷史機遇，揚長避短，迎頭趕上，充分吸收當(dāng)今計算機發(fā)展的最新成果，高起點制定出切實可行、適合我國國情的數(shù)控系統(tǒng)開放化的技術(shù)路線。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)被逐漸淘汰，取而代之的是計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNCComputer Numerical Control)。1970年在美國芝加哥數(shù)控博覽會上，首次展出了以小型計算機為核心的計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，標(biāo)志著數(shù)控系統(tǒng)進入了計算機為主體的第四代。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐漸實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。因此，歐美及日本等發(fā)達(dá)國家都相繼進行了大量的投入和研究，其中最具有代表性和影響力的研究有以下幾個【2】 早在1987年，里根政府為振興美國的機械制造業(yè)，推動工業(yè)形成一個廣泛的合作關(guān)系，以增強對外競爭力，推出} NGC (The Next Generation Workstation/MachineController)研究計劃。例如美國Ford, GM和Chrysler等公司在NGC計劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出OMAC(Open Modular ArchitectureController)開發(fā)計劃，定義了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架、信息庫管理、任務(wù)管理、人機接口運動控制、傳感器接口等標(biāo)準(zhǔn)OMAC API，構(gòu)造了完整的體系結(jié)構(gòu)。OSACA控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖12所示，包括兩個部分:系統(tǒng)平臺和結(jié)構(gòu)化的功能模塊。這些協(xié)議從CAD和生產(chǎn)管理開始，分為CAM和生產(chǎn)監(jiān)控，綜合成為任務(wù)調(diào)度，然后利用各種庫進行解釋，形成軸控制及PLC所需要的信息和數(shù)據(jù)，對機床的伺服和執(zhí)行機構(gòu)進行控制。1980年開始，我國先后從日本和德國引進數(shù)控制造技術(shù)，合作生產(chǎn)數(shù)控機床，打破了國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)徘徊不前的局面。風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用，給用戶的使用與維護帶了很多不便。時間的開放性又有可擴展性和可移植性兩個方面:空間的開放性是針對系統(tǒng)接口及其規(guī)范而言的，它又可以分為互操作性和互換性。這對提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比具有重要的意義。圖中，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機控制層和控制內(nèi)核層兩個層，其中控制內(nèi)核是CNC系統(tǒng)完成實時加工過程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實時性相聯(lián)系。它試圖提供從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開放。目前，PCNC的構(gòu)造方式主要有三種:NC板卡插入到PC機的擴展槽中，PC板卡插到NC裝置中。其做法就是在傳統(tǒng)的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人機界面，能夠集成應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)接口等。 本文作者采用的是第一種方式，即NC板遷入PC機的方式，系統(tǒng)采用的運動控制卡是由作者自行研制開發(fā)的，長期以來高性能的多軸運動控制卡技術(shù)一直被國外壟斷，產(chǎn)品價格昂貴，因此，研究開發(fā)高性能的多軸運動控制卡對我國科技水乎的提高有重要的意義。 從電力拖動開始，經(jīng)歷四十幾年的發(fā)展過程，運動控制己成長為一個以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。 對子數(shù)控機床來說，運動控制系統(tǒng)就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個動作。獨立應(yīng)用的運動控制器，它將控制器、I/O,操作界面和通信接口裝入一個機殼內(nèi)，伺服環(huán)更新、I/O和操作界面由內(nèi)部適當(dāng)?shù)能浖硗瓿伞Ｓ捎诳刂萍夹g(shù)的發(fā)展，這兩種系統(tǒng)互相模仿，而有逐漸歸一的