【導(dǎo)讀】Lasercutting.

　　

【正文】 進(jìn)行最微小的調(diào)整，也必須終端加工，制作一條新帶。而且磁帶通過(guò)閱讀機(jī)的次數(shù)還必須與要加工的零件的個(gè)數(shù)相同。幸運(yùn)的事，計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用很快解決了數(shù)控技術(shù)中與穿孔紙帶和塑料帶有關(guān)的問(wèn)題。 被稱(chēng)為直接數(shù)字控制（ DNC）概念的發(fā)展消除了用紙袋作為程序指令的載體，從而解決了數(shù)字控制中紙帶或塑料帶所帶來(lái)的問(wèn)題。在直接數(shù)字控制中，幾臺(tái)機(jī)床通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接到一臺(tái)主機(jī)算計(jì)上。操縱這些機(jī)床所需要的程序都存儲(chǔ)在這臺(tái)主計(jì)算機(jī)中。當(dāng)需要時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路提供給每臺(tái)機(jī)床。直接數(shù)字控制是在穿孔紙帶和塑料帶基礎(chǔ)上的一大進(jìn)步。然而，它也有著與其他依賴(lài)于主計(jì)算機(jī)的技術(shù)一樣的局限性。當(dāng)主計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由其控制的所有機(jī)床都將停止工作。這個(gè)問(wèn)題促使了計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的產(chǎn)生。 微處理器的發(fā)展為可編程邏輯控制器和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展做好了準(zhǔn)備。這兩種技術(shù)為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（ CNC）的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。采用（ CNC）技術(shù)后，每臺(tái)機(jī)床上都有一個(gè)可編程邏輯控制器或者微機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字控制。這可以使得程序被輸入和存儲(chǔ)在每臺(tái)機(jī)器內(nèi)部。它還可以在機(jī)床以外編制程序，并且將其下載到每臺(tái)機(jī)床中。計(jì)算機(jī)數(shù)控解決了主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障所帶來(lái)的問(wèn)題，但是它產(chǎn)生了另一個(gè)被稱(chēng)為數(shù)據(jù)管理的問(wèn)題。同一個(gè)程序可能要分別裝入十個(gè)相互之間沒(méi)有通信聯(lián)系的微機(jī)中。這個(gè)問(wèn)題正在解決之中，它是通過(guò)采用局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)微機(jī)連接起來(lái)，以利于更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。 在很多情況下需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行多種處理，例如濾波 和譜分析。設(shè)計(jì)一個(gè)模擬硬件電路完成這些工作是完全可以的，但是因?yàn)椴粩嗵岣叩男阅芤?，適應(yīng)性要求，以及縮短開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)時(shí)間的要求使得這樣做已經(jīng)變得越來(lái)越不可行了。換句話(huà)說(shuō)，就是難以設(shè)計(jì)一個(gè)模擬硬件電路來(lái)完成現(xiàn)在高級(jí)的信號(hào)分析功能。 對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣使其成為數(shù)字信號(hào)，利用運(yùn)算法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理以及在將處理之后的數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)的做法稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)處理。最近 15 年以來(lái)出現(xiàn)的處理器主要研究嵌入的信號(hào)處理操作，這樣的處理器稱(chēng)做 DSP，它表示數(shù)字信號(hào)處理器?，F(xiàn)在，許多生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)了上百個(gè) DSP 系列產(chǎn)品，每一種都 針對(duì)特定的價(jià)格、性能和用戶(hù)群而設(shè)計(jì)。許多最大的生產(chǎn)商，像德州儀器公司和摩托羅拉公司既可以提供為某些領(lǐng)域如汽車(chē)控制或調(diào)制解調(diào)器生產(chǎn)的專(zhuān)用 DSP，也可以提供通信的高性能 DSP，它們可以完成很寬領(lǐng)域的處理任務(wù)。相應(yīng)的開(kāi)發(fā)器和軟件都可以找到。許多公司生產(chǎn) DSP 軟件開(kāi)發(fā)工具，它可以使編程器利用簡(jiǎn)單的拖放實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的處理運(yùn)算。 根據(jù)其內(nèi)在結(jié)構(gòu) —— 定點(diǎn)運(yùn)算或者浮點(diǎn)運(yùn)算， DSP 大體上可以分為兩種。定點(diǎn)運(yùn)算設(shè)備通常為 16 位自唱，而浮點(diǎn)運(yùn)算設(shè)備為 32~40 位自唱。當(dāng)然，定點(diǎn)設(shè)備的價(jià)格一般較低。另外一個(gè)結(jié)構(gòu)上的差異是定點(diǎn)處理器往往 是單寄存器結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)一般用途的寄存器，使得編程相當(dāng)困難和更加重要，使得 C 編譯器變得不再滿(mǎn)足要求。浮點(diǎn)運(yùn)算的 DSP 則像普通的多用途 CPU，具有寄存器。 市場(chǎng)上有很多成千上萬(wàn)的不同的 DSP，所以，尋找能夠適合你的項(xiàng)目需要的 DSP是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。最好的方法或許是設(shè)置約束和期望，根據(jù)這些對(duì)最大的生產(chǎn)商的 DSP 產(chǎn)品進(jìn)行比較。最大的四個(gè) DSP 生產(chǎn)商是：德州儀器公司，摩托羅拉， ATamp。T，ADI(Analog Devices)。 數(shù)模轉(zhuǎn)換 在對(duì) MPEG 音頻譯碼時(shí)，數(shù)字壓縮數(shù)據(jù)輸入執(zhí)行譯碼的 DSP 中，然后經(jīng)過(guò)譯碼的采樣 必須重新轉(zhuǎn)換回模擬域，所形成的信號(hào)在輸入一個(gè)放大器或者類(lèi)似的音頻設(shè)備。這個(gè)數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換（ DAC）由一個(gè)具有相同名字的電路完成。不同的 DAC 產(chǎn)生不同的性能和質(zhì)量，通過(guò)以下參數(shù)的測(cè)量確定： THD（總諧波失真），數(shù)位，線波器，速度，濾波器特性及其他。 德州儀器公司的 TMS320 家族的 DSP TMS320 系列由定點(diǎn)、浮點(diǎn)、多處理器數(shù)字信號(hào)處理器（ DSPs）和定點(diǎn) DSP 控制器組成。 TMS320 DSPs具有專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。’ F/C240是大量’ C2021 DSP 的平臺(tái)，最適用于控制使用?！?C24x 系列的 DSP 控制器將實(shí)時(shí)處理能力與外界設(shè)備相結(jié)合形成了控制系統(tǒng)應(yīng)用的理想的解決方案。下列特點(diǎn)使得 TMS320 系列成為廣闊的處理應(yīng)用的正確選擇： — 非常靈活的指令系統(tǒng)； — 內(nèi)在的操作適應(yīng)性； — 高速性能； — 創(chuàng)新的平行結(jié)構(gòu)； — 成本低廉。 TMS320 系列的同一代 DSP 都具有相同的 CPU，但是具有不同內(nèi)部存儲(chǔ)器和外圍配置。由此而派生的、采用新的內(nèi)部存儲(chǔ)器和外圍配置組合方式的 DSP 是為了滿(mǎn)足世界電子市場(chǎng)的廣泛需求。通過(guò)將存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備集成在一個(gè)芯片上，使得 TMS320 減少了系統(tǒng)成本和電路板占用的空間。 C24x 的 16 位定點(diǎn) DSP 核心可以模擬電路設(shè)計(jì)師提供數(shù)字解決方案，且不會(huì)損失系統(tǒng)的精度和性能。事實(shí)上，在某些技術(shù)上，例如自適應(yīng)控制， Kalman 濾波和狀態(tài)控制中使用先進(jìn)的控制運(yùn)算方法可以提高系統(tǒng)的性能。’ C24Xdsp 具有很好的可靠性的和編程性。另一方面，模擬控制系統(tǒng)是硬件電路，由于 元件老化，參數(shù)誤差和漂移必然產(chǎn)生性能蛻化。 高速的中央處理單元將容許 數(shù)字設(shè)計(jì)師實(shí)時(shí)地進(jìn)行運(yùn)算，而不是查表得來(lái)的近似結(jié)果。這些 DSP 控制器的指令系統(tǒng)既具有信號(hào)處理指令又具有多用途控制功能，同時(shí)，隨著支持 C24x 的廣泛的技術(shù)發(fā)展，使得開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短，而且就像使用 8~16位微控制器一樣方便。該指令系統(tǒng)還容許你反復(fù)利用軟件開(kāi)發(fā)投資，你可以將它移植到多用途的 TNS320 定點(diǎn) DSP 中。它的源碼和目標(biāo)碼與 C2xx 代的其他品種兼容，源碼與 C2x 代兼容，更高的源碼則與德州儀器公司的’ C5x 代 DSP 兼容。 C24x 的結(jié)構(gòu)也能很 好地適應(yīng)處理控制信號(hào)。它使用 16 位字長(zhǎng)和 32 位寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)中間結(jié)果，并且有兩個(gè)硬件轉(zhuǎn)換器獨(dú)立地度量 CPU 數(shù)值。這種組合使量化誤差和截?cái)嗾`差最小，同時(shí)增加了額外的處理能力。這些能力包括可以刪除系統(tǒng)的機(jī)械共振的陷波濾波器，可以消除系統(tǒng)的狀態(tài)傳感器的估計(jì)技術(shù)。 C24Xdsp控制器利用德州儀器公司已有的外圍設(shè)備產(chǎn)品來(lái)快速形成各種不同價(jià)格 /性能的產(chǎn)品并使其應(yīng)用效果達(dá)到最佳。數(shù)字信號(hào)和符合信號(hào)的外圍設(shè)備包括： — 定時(shí)器； — 串行通信口（ SCI， SPI）； — 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）； — 事件管理器； — 系 統(tǒng)保護(hù)，例如低電壓保護(hù)和看門(mén)狗定時(shí)器。 DSP 的外設(shè)庫(kù)在不斷增大和變化以適應(yīng)明天的控制市場(chǎng)的需要。 TMS320F/C240是第一個(gè)引入 24x 系列的 DSP 控制器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。它建立了單片數(shù)字電機(jī)控制器標(biāo)準(zhǔn)?！?24x 每秒鐘可以執(zhí)行 20 萬(wàn)條指令。可以在 50 納秒的周期內(nèi)執(zhí)行幾乎所有指令。這種高性能容許實(shí)時(shí)地執(zhí)行所有非常復(fù)雜的控制運(yùn)算，例如自適應(yīng)控制和 Kalman 濾波器。還可以采用很高的采樣頻率來(lái)減小循環(huán)延遲。 240 具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必須的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制單片解決方案所需要的全部外設(shè)。’ 240 用亞微細(xì)粒技術(shù)生產(chǎn)，具有較低的能量消耗率，而且還有幾種減少能源消耗的模式以便進(jìn)一步節(jié)能?！?240 所具有的先進(jìn)的節(jié)能特性給下面一些應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)利益： — 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)； — 功率變換和控制； — 汽車(chē)控制系統(tǒng)，例如電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向，防抱死制動(dòng)器以及氣候控制； — 供暖、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī) /壓縮機(jī)電機(jī)控制； — 打印機(jī)，復(fù)印機(jī)以及其他辦公室產(chǎn)品； — 磁帶驅(qū)動(dòng)，磁光學(xué)驅(qū)動(dòng)以及其他質(zhì)量?jī)?chǔ)存產(chǎn)品； — 機(jī)器人及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制磨床。 作為一個(gè)系統(tǒng)管理器， DSP 必須有充分的片內(nèi) I/O 和外設(shè)?！?240 的事件管理器與 DSP 上的 其他可用外設(shè)不同。這個(gè)最優(yōu)化的實(shí)用性外設(shè)與高性能 DSP 的核心一起使得我們可以使用先進(jìn)的控制技術(shù)對(duì)各種電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度和高效率的全速控制。包含于事件管理器當(dāng)中的還有專(zhuān)用的脈沖寬度調(diào)制（ PWM）功能，例如可編程的死區(qū)功能和一個(gè)空間矢量 PWM 狀態(tài)機(jī)用于三相電機(jī)使功率晶體管具有當(dāng)前最高的開(kāi)關(guān)效率。三個(gè)相互獨(dú)立的上下定時(shí)器都有自己的比較寄存器，支持非對(duì)稱(chēng)（非居中）和對(duì)稱(chēng)（居中） PWM 波的產(chǎn)生。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（無(wú)反饋系統(tǒng)） “自動(dòng)的”這個(gè)詞匯意味著控制系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性。通常，自動(dòng)的意味著這個(gè)系統(tǒng)可以適應(yīng)多種不同的工作 條件，能夠滿(mǎn)意地響應(yīng)一類(lèi)輸入信號(hào)。但是，并不是所有形式的控制系統(tǒng)都具有自動(dòng)的特性。通常，自動(dòng)特性是通過(guò)將變化的輸出信號(hào)反饋回來(lái)并與指令信號(hào)進(jìn)行比較而產(chǎn)生的。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)不具備反饋結(jié)構(gòu)，就叫做開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，它是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的控制系統(tǒng)。遺憾的事，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)缺乏精度和多用途性，只能用于最簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合。 例如，來(lái)考慮家庭采暖鍋爐的控制系統(tǒng)。讓我們假設(shè)鍋爐只裝備了定時(shí)裝置，它只控制鍋爐打開(kāi)和關(guān)閉的周期。要想將溫度調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)乃?，管理人員必須估計(jì)鍋爐需要保持打開(kāi)的時(shí)間長(zhǎng)短，從而設(shè)定時(shí)期。當(dāng)設(shè)定時(shí)間到了，鍋爐關(guān)閉。然而 ，房間的溫度很可能是在要求溫度之上或者之下，這是因?yàn)楣烙?jì)存在誤差。不容置疑，很顯然這種形式的控制是不夠精確和不可靠的。這種不精確的原因之一在于人不可能準(zhǔn)確地了解鍋爐的特性；原因之二是人不能控制外面的溫度。這也表明了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)在性能方面的一個(gè)重要的缺點(diǎn)。這個(gè)系統(tǒng)不能適應(yīng)環(huán)境條件的變化， 不能適應(yīng)外界干擾。在鍋爐控制的例子中，即使是一個(gè)很有經(jīng)驗(yàn)的人將房間溫度控制在某個(gè)要求的水平，但是，如果在鍋爐工作期間，門(mén)和窗戶(hù)間歇的開(kāi)閉，開(kāi)環(huán)控制也將不能精確地控制屋內(nèi)的最終溫度。 電動(dòng)洗衣機(jī)是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的另一定性例子，因?yàn)?洗滌時(shí)間的長(zhǎng)短完全是根據(jù)操作人員的判斷和估計(jì)確定的。一個(gè)真正的自動(dòng)電動(dòng)洗衣機(jī)應(yīng)該具有連續(xù)檢查衣服洗凈度的方法和當(dāng)洗凈度達(dá)到要求時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)（無(wú)反饋控制系統(tǒng)） 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中所缺少的、能使控制更加精確和更具適應(yīng)性的東西是從輸出到輸入的連接及反饋。為了獲得更精彩的控制，必須將被控制信號(hào) c(t)反饋回去與參考輸入量相比較，且須將與輸出和輸入之差成比例的促動(dòng)信號(hào)送給系統(tǒng)以校正偏差。以上提到的這樣一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)反饋通道的系統(tǒng)叫做閉環(huán)系統(tǒng)。人類(lèi)可能是現(xiàn)今存在的最復(fù)雜、最成熟的反饋控制系統(tǒng)。人可以被認(rèn)為 是具有多個(gè)輸入和輸出的控制系統(tǒng)，可以完成高度復(fù)雜的操作。 為了說(shuō)明人作為反饋控制系統(tǒng)，我們來(lái)考慮拿到放在桌上的物體這樣一個(gè)目的。當(dāng)人伸手去拿這個(gè)物體時(shí)，大腦對(duì)胳膊發(fā)出一個(gè)信號(hào)去完成這個(gè)任務(wù)。眼睛作為傳感設(shè)備，將不斷反饋手的位置。手和物體之間的距離就是偏差，當(dāng)手接觸到物體時(shí)，這個(gè)偏差為零。這是一個(gè)閉環(huán)控制的典型例子。但是，如果告訴人拿到這個(gè)物體，然后蒙起他的眼睛，這個(gè)人只能估計(jì)物體的準(zhǔn)確位置，向它伸手，反饋通道被打斷，這個(gè)人就像一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。人去拿東西的例子由圖 表示。 另一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的說(shuō)明舉例是船的舵 控制系統(tǒng)，如方框圖 所示。在這種情況下，控制的目標(biāo)是舵的位置，參考輸入信號(hào)施加在方向盤(pán)上。方向盤(pán)與舵之間的相對(duì)位置的偏差就是信號(hào)，它驅(qū)動(dòng)控制器和電動(dòng)機(jī)。當(dāng)舵終于與要求的參與方向一致時(shí)，偏差傳感器的輸出為零。 一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理和方框圖?？傊答伩刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)不一定局限于結(jié)構(gòu)。在一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中，可以有更多的反饋回路和組成元素。