【正文】 (DARAM)和4K字節(jié)的單訪問隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)。驅(qū)動(dòng)程序的作用包括兩個(gè)方面:對(duì)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)模塊各功能實(shí)現(xiàn)中對(duì)底層硬件操作的交換細(xì)節(jié)，確保模塊功能的有效實(shí)現(xiàn):對(duì)外，驅(qū)動(dòng)程序提供了一致的標(biāo)準(zhǔn)模塊應(yīng)用接口，便于對(duì)其他模塊的調(diào)用與互操作，而屏蔽了功能具體實(shí)現(xiàn)中的全體細(xì)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和功能調(diào)用的硬件無關(guān)性。 CLX取操作 數(shù)譯碼 N N+1 N+2 N+3取指令執(zhí)行 N1 N N+1 N+2 N2 N1 N N+1 圖33 四級(jí)流水線操作示意圖如圖所示，為四級(jí)流水線操作過程，在執(zhí)行本條指令(N)的同時(shí)，下面H條指令（N+1, N+2, N+3）已依次完成了取指令、譯碼、取操作數(shù)的操作，這樣就將指令周期的時(shí)問降低到了最小值。DSP所具有的以下特定保證我們要求能得到滿足: （1）哈佛結(jié)構(gòu) ( VonNeumann)結(jié)構(gòu)的。 4)應(yīng)具有很強(qiáng)的中斷處理能力。通過發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀和對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程幀以相同的標(biāo)識(shí)符功命名。目前，CAN的應(yīng)用范圍遍及高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，公認(rèn)為極具發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 4) PCI主設(shè)備可在任何需要時(shí)刻對(duì)總線提出申請(qǐng)，REQ有效后，也可在任何時(shí)刻撤回申請(qǐng)。 1)中斷確認(rèn)周期執(zhí)行無需譯碼，所以包含中斷控制器的PCI總線設(shè)備對(duì)操作的響應(yīng)通過置DEV SEL有效完成。通常情況下，總線主控設(shè)備可以通過設(shè)置FRAME無效、IRDY有效來指示最后一個(gè)數(shù)據(jù)周期。1個(gè)存取周期開始時(shí)，PCI總線主設(shè)備置FRAME有效，首先開始1個(gè)地址期(ADDRESS PHASE)，在這段時(shí)間內(nèi)，有效地址和命令分別位于AD和C/BE信號(hào)線上。 6)適合于各種機(jī)型，兼容性強(qiáng)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議遵循網(wǎng)絡(luò)通信的開放系統(tǒng)互連接模型，故也屬于控制網(wǎng)絡(luò)范疇。本章小結(jié) 本章結(jié)合當(dāng)今CNC系統(tǒng)發(fā)展的新進(jìn)展，對(duì)CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，討論了CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開放化的基本概念和實(shí)行開放的途徑，并在需求分析的基礎(chǔ)上提出了開放體系CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和概念模型，為后續(xù)章節(jié)進(jìn)一步對(duì)開放式CNC系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)造和詳細(xì)研究提供了一個(gè)總體參考框架。 PC機(jī)將經(jīng)過插補(bǔ)后的位置指令，通過雙端口RAM傳遞給DSP ，DSP完成位置調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)并將指令經(jīng)過CAN總線傳遞給伺服控制系統(tǒng)。如基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)果能把通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與DSP有機(jī)的結(jié)合在一起，可開發(fā)出一種全新的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放式機(jī)構(gòu)的DSP智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這是當(dāng)今世界運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展主流。 這個(gè)參考模型充分體現(xiàn)了開放性原則，由于分層次、模塊化的結(jié)構(gòu)，各個(gè)層次間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，從而使每一模塊都能實(shí)現(xiàn)互換，可以由不同的廠商來生產(chǎn)，組合起來就是一個(gè)高性能性價(jià)比的系統(tǒng)。 上述開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，可以用于指導(dǎo)開放式數(shù)控系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造與開發(fā)。 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)另一個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)或高層系統(tǒng)是開放的，它們之間可以通過網(wǎng)絡(luò)相互操作。由于控制技術(shù)的發(fā)展，這兩種系統(tǒng)互相模仿，而有逐漸歸一的趨勢(shì)。 對(duì)子數(shù)控機(jī)床來說，運(yùn)動(dòng)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(gè)動(dòng)作。 本文作者采用的是第一種方式，即NC板遷入PC機(jī)的方式，系統(tǒng)采用的運(yùn)動(dòng)控制卡是由作者自行研制開發(fā)的，長(zhǎng)期以來高性能的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)一直被國外壟斷，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，因此，研究開發(fā)高性能的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)我國科技水乎的提高有重要的意義。目前，PCNC的構(gòu)造方式主要有三種:NC板卡插入到PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，PC板卡插到NC裝置中。圖中，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機(jī)控制層和控制內(nèi)核層兩個(gè)層，其中控制內(nèi)核是CNC系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)加工過程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性相聯(lián)系。時(shí)間的開放性又有可擴(kuò)展性和可移植性兩個(gè)方面:空間的開放性是針對(duì)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。1980年開始，我國先后從日本和德國引進(jìn)數(shù)控制造技術(shù)，合作生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，打破了國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)徘徊不前的局面。OSACA控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖12所示，包括兩個(gè)部分:系統(tǒng)平臺(tái)和結(jié)構(gòu)化的功能模塊。為保證零件程序的傳送、插補(bǔ)、加工線速度控制等連續(xù)處理。 自從1952年麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)三座標(biāo)銑床以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)無論在硬件或者軟件方面發(fā)展都很快，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了八代，可以分為以下四個(gè)發(fā)展階段[1](1952一1970) 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，被稱為硬件連接數(shù)控，簡(jiǎn)稱數(shù)控(NC).世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的數(shù)控裝置是采用電子管、繼電器和模擬電路構(gòu)成的試驗(yàn)樣機(jī)，通稱為第一代數(shù)控。 采用基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，無論對(duì)控制系統(tǒng)開發(fā)商、機(jī)床廠還是最終用戶均有益處。數(shù)字控制(NUMERICALCONTROL,簡(jiǎn)稱NC或數(shù)控)機(jī)床就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來的。在需求分析的基礎(chǔ)上，談?wù)摿碎_放式CNC體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和概念模型。近年來，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為在競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)上不斷變化的需要。專用件的大量使用，給數(shù)控設(shè)備的使用與維護(hù)帶來了很多不便。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。 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(jìn)入了以微機(jī)為背景的時(shí)代?；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(diǎn)。OSEC還定義了一種工廠自動(dòng)化設(shè)備描述語言(FADL)a FADL可以在新的水平上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM與控制系統(tǒng)之間的集成，具有對(duì)硬件的抽象化、對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控語言EIA代碼(G，S，T)和道具數(shù)據(jù)的兼容性、能夠適應(yīng)控制的實(shí)時(shí)解釋等特性。另一方面，系統(tǒng)的封閉性阻礙了計(jì)算機(jī)技術(shù)的及時(shí)應(yīng)用，不利于數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步。 （4）互操作性 互操作性表征了構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件在一起協(xié)調(diào)工作的能力。人們可以在開放體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)及一系列規(guī)范的指導(dǎo)下，按需配置獲得功能可強(qiáng)弱、性能可高可低、價(jià)格可控制、不依賴于單一賣方的系統(tǒng)。顯然，這種系統(tǒng)的NC內(nèi)核保持了原有的封閉性。例如電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)(電力電子器件、電力電子線路)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是這些周邊技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體。這種控制器無法提供基于總線的控制器那樣靈活的通信和操作界面，而且集成到大型系統(tǒng)比較困難。概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形成可供系統(tǒng)開發(fā)借鑒的參考模型。其實(shí)現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)生成，包括構(gòu)成要素、參數(shù)化構(gòu)成要素的功能、構(gòu)成要素之間的信息流的組織等幾個(gè)步驟。方便的用戶人機(jī)界面，代碼處理模塊對(duì)NC程序進(jìn)行解釋和預(yù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交給插補(bǔ)運(yùn)算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結(jié)果通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (WDM)操作相應(yīng)的硬件。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制卡積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了良好的條件。這是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制核心。向其他系統(tǒng)提供加工過程數(shù)據(jù)。 總線是一組信號(hào)線的集合，是一種傳送信息的公共通道，通常由數(shù)據(jù)總線信號(hào)、地址總線信號(hào)、控制總線信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)及電源信號(hào)組成。 3)極小的存取延誤。為低電平有效。當(dāng)FRAIvIE無效、IRDY有效時(shí)，說明當(dāng)前的傳輸是最后1個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸。隨后的微傳送地址將根據(jù)這一基地址做相應(yīng)的增加得到。如果被授予總線所有權(quán)后(GNT有效)，主設(shè)備尚不能開始總線操作，它應(yīng)放棄所有權(quán)，而由中央仲裁器重新仲裁。 CAN總線是一種典型地串行總線地結(jié)構(gòu)形式，以半雙工的方式工作，采用基于數(shù)據(jù)的傳輸方式，消息可以在任何時(shí)候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑地總線上，并被其他所有節(jié)點(diǎn)接受、判斷后決定是否應(yīng)用這個(gè)消息。 出錯(cuò)指示幀是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的接受節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線上的報(bào)文出錯(cuò)時(shí)向總線發(fā)出的一組錯(cuò)誤指示信息，通知發(fā)送方當(dāng)前報(bào)文未被正確接受，重新發(fā)送當(dāng)前報(bào)文超載幀用于通知網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)目前接受節(jié)點(diǎn)正忙或總線正忙，請(qǐng)各節(jié)點(diǎn)暫緩發(fā)送。 DSP芯片原理 微處理器在運(yùn)動(dòng)控制卡上工作，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)位控規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、處理、邏輯判斷和存儲(chǔ)，最后實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。目前國外DSP的應(yīng)用已經(jīng)由上述領(lǐng)域發(fā)展到機(jī)電控制領(lǐng)域。例如，當(dāng)完成一個(gè)乘法和累加的同時(shí)，輔助算術(shù)單元已經(jīng)完成了下一個(gè)地址的尋址工作，為下一次的運(yùn)算做好了充分的準(zhǔn)備。如何才能使來自不同廠家、采用不同實(shí)現(xiàn)方法的功能模塊能夠集成起來，相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的功能，這是模塊化開放體系結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)必須解決的重要問題。都可以迎刃而解，使CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造大為簡(jiǎn)化，開發(fā)和生產(chǎn)成本大大降低。[18] 目前世界上有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)PCI總線協(xié)議的方法。編程終端等。一般而言，典型的CNC系統(tǒng)應(yīng)該包含以下幾個(gè)模塊:運(yùn)動(dòng)控制模塊、PMC模塊、基于輸入輸出模塊、圖形控制模塊、通信控制模塊等。 （2）多處理單元 DSP內(nèi)部一般都包括多個(gè)處理單元，如硬件乘法器(MUL ),累加器(CACC)、算術(shù)邏輯單元(AsU),輔助算術(shù)單元(ARAU)以及DMA控制器等。與RISC(精簡(jiǎn)指令集)和CISC(復(fù)雜指令集)微處理器相比，DSP有許多為高速數(shù)學(xué)運(yùn)算所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 9) 以N總線用戶接口簡(jiǎn)單，編程方便，配置靈活，很容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。遠(yuǎn)程幀是在網(wǎng)絡(luò)上的接受節(jié)點(diǎn)需要尋址數(shù)據(jù)源時(shí)才向總線發(fā)出的，以啟動(dòng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)幀結(jié)束ACK場(chǎng)CRC場(chǎng)數(shù)據(jù)場(chǎng)控制場(chǎng)仲裁場(chǎng)幀起始圖32 CAN的數(shù)據(jù)幀送各自的數(shù)據(jù)。 CAN總線原理與特點(diǎn)1. CAN總線技術(shù)概述 CAN是控制器局域網(wǎng)(CAN， Controller Area Network)的簡(jiǎn)稱，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線地范疇。PCI總線規(guī)則并沒有給中央仲裁器建立1個(gè)明確的協(xié)議，它要求中央仲裁器支持一個(gè)合理的算法，給每個(gè)PCI主設(shè)備確立獲得總線控制權(quán)的等待時(shí)間。如果FRAME仍保持有效，則該方式為突發(fā)方式。而且由于AD由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)成目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，所以在目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)之前，AD要保持1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的三態(tài)，以便完成轉(zhuǎn)換。 總線信號(hào)基本引腳類型功能CLKIN系統(tǒng)時(shí)鐘AD[31：00]T/S地址和數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)線信號(hào)C/BD[3：00]T/S總線命令和地址性能信號(hào)PART/S奇偶效驗(yàn)信號(hào)FRAMES/T/S指示總線起始和終止IRDYS/T/S主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)TRDYS/T/S目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)STORS/T/S目標(biāo)設(shè)備要求終止當(dāng)前信號(hào)傳輸DEVSERS/T/S目標(biāo)設(shè)備選取信號(hào)IN為輸入信號(hào)。線性突發(fā)傳輸可確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù)，故能更有效地運(yùn)用總線的帶寬去傳送數(shù)據(jù)，以減少無謂的地址操作。 專用CNC采用自行定義的總線規(guī)范，其技術(shù)細(xì)節(jié)往往是不公開的，給系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)帶來極大的不便。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放性還體現(xiàn)在從上到下的不同層次:上層PC首先向用戶提供一個(gè)友好的人機(jī)交換界面，包括各種狀態(tài)設(shè)置，加工參數(shù)解釋，運(yùn)動(dòng)控制選擇，加工情況檢測(cè)等。、伺服電機(jī)都是組合機(jī)床研究所研制開發(fā)的。10年來，這一技術(shù)己在計(jì)算機(jī)工業(yè)中取得巨大成功。再上一層是CNC應(yīng)用軟件，CNC軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化的。模塊化的構(gòu)成要素能夠滿足用戶和廠商的多樣化和多層次的要求。因此，開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)著重要解決的問題是開放什么以及如何開放。它具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，如NC板插入PC機(jī)形式的PCNC結(jié)構(gòu)中的步進(jìn)或伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡就是一個(gè)典型例子，它一般采用PC機(jī)的插卡結(jié)構(gòu)，分為單軸和多軸以及各種專用功能插卡。電氣運(yùn)動(dòng)控制就是以電機(jī)作為動(dòng)力源，’通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制來對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度實(shí)現(xiàn)精確控制。因此，才提出了這種折衷方案。開放體系結(jié)構(gòu)的解決方案是一種更徹底的開放方案?；Q性使得一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)不再是專有的，它可以有來自不同廠家的不同部件所構(gòu)成。從而導(dǎo)致，一方面，各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成。這一結(jié)構(gòu)包括了零件造型、工藝規(guī)劃、機(jī)床控制處理(程序解釋、操作模塊控制、智能處理)、刀具軌跡控制、順序控制、軸控制等功能，并對(duì)各層之間的接口制定了協(xié)議。該項(xiàng)目由美國國家制造科學(xué)中心(NCMS)與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)，于1989年開始實(shí)施。至此，原來由硬件實(shí)現(xiàn)的功能逐步改為由軟件完成。數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、測(cè)量技術(shù)、機(jī)械制造等多項(xiàng)技術(shù)，成為二十世紀(jì)以來逐步發(fā)展起來的機(jī)床控制的新技術(shù)，是一門交叉學(xué)科。 然而，現(xiàn)今生產(chǎn)中使用的絕大多數(shù)CNC系統(tǒng)中(以FAI；UC；S IMENS等為代表)，所采用的是一種專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)，即組成系統(tǒng)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)由各數(shù)控系統(tǒng)廠家行設(shè)計(jì)，是專用的，互不兼容的，系統(tǒng)各模塊之間的交互方式、通訊及結(jié)構(gòu)也互不相同。但是，在機(jī)械制造工業(yè)中并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件與小批生產(chǎn)的零件(批量在10一100件)約占機(jī)械加工總量的80%以上。前言 科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。數(shù)控機(jī)床就是將加工過程所偏的各種操作(如主軸變速、松夾工件、進(jìn)刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等)和步驟，以及刀具與工件之間的相對(duì)位移t都用數(shù)字化的代碼來表示，通過控制介質(zhì)(如穿孔紙帶或磁帶)將數(shù)字信息送人專用的或通用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)對(duì)輸人的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令來控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。 我國是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國?？s小了體積，使得工業(yè)應(yīng)用成為了可能，誕生了第二代數(shù)控系統(tǒng)。1986年，三菱電機(jī)公司率先推出了以CPU為68020的32位，掀起了32位CNC的熱潮，并逐漸成為當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的主流。AO按其控制功能分為:人機(jī)控制，運(yùn)動(dòng)控制，邏輯控制，軸控制，