【導(dǎo)讀】響應(yīng)新的加工需求。計(jì)等方面進(jìn)行了研究。全文主要研究工作如下：。標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的途徑。在需求分析的基礎(chǔ)上，談?wù)摿碎_(kāi)放式CNC體。系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和概念模型。總線的模塊化體系結(jié)構(gòu)以及各功能模塊。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放途徑…………………基于PC的開(kāi)放式CNC系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)………機(jī)械加工工藝過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。許多生產(chǎn)企業(yè)(例如

　　

【正文】 機(jī)構(gòu) 碼盤接口 編碼器 PCI總線 CAN 總線 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 22 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?？蓴U(kuò)展性體現(xiàn)在當(dāng)控制 圖 26 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的功能不能滿足用戶要求時(shí)，用戶可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展。這將要求控制系統(tǒng)能夠?qū)⒂脩糇灾频哪K融入系統(tǒng)，或者代替現(xiàn)有的系統(tǒng)模塊，而系統(tǒng)的完整性并不受到影響。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開(kāi)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。改界面可以與其他系統(tǒng)集成。向其他系統(tǒng)提供加工過(guò)程數(shù)據(jù)。在控制系統(tǒng)的下層， DSP 將接受上位 PC 機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)控制。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(bǔ)算法。這兩層還可以細(xì)分為小的層次，其目的時(shí)為了在層與層之間建立比較完善的接口，便于以后物理上的功能擴(kuò)展。 用戶界面部分向最終用戶提供一般標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 應(yīng)用程序接口，通過(guò)它可以對(duì)加工的情況進(jìn)行監(jiān)控，又包括加工的運(yùn)動(dòng)控制，對(duì)控制器的資源情況的監(jiān)控，對(duì)加工參數(shù)的修改和效果反饋等。這些服務(wù)由程序的基本系統(tǒng)服務(wù)部 分完成。 PCI 控制卡接口 (WDM 驅(qū)動(dòng)程序 )負(fù)責(zé) PC 命令的解釋執(zhí)行，它向服務(wù)程序提供一個(gè)與硬件無(wú)關(guān)的接口，將具體的硬件端口操作屏蔽起來(lái)。 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(kāi)放化的基本概念和實(shí)行開(kāi)放的途徑，并在需求分析的基礎(chǔ)上提出了開(kāi)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(kāi)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。 本章著重討論在開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)下基本的 CNC 系統(tǒng)硬件，分析數(shù) 控系統(tǒng)硬件開(kāi)放化的基本設(shè)計(jì)原則，以及應(yīng)用 PC 平臺(tái)構(gòu)成 CNC 系統(tǒng)的硬件模塊劃分和總線選擇方法，提出 基 于現(xiàn)場(chǎng)總線的模塊化，分布式 CNC 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。 用戶界面 基本系統(tǒng)服務(wù)和 加工控制 用戶模塊 開(kāi)發(fā)服務(wù)組件 PCI 板卡接口函數(shù) DSP 下位機(jī)系統(tǒng)算法控制 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 23 硬件是 CNC 系統(tǒng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)?；?PC 的開(kāi)放式 CNC 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)必須全面支持開(kāi)放式系統(tǒng)的互操作性、移植性、互換性、可擴(kuò)展性等開(kāi)放理念，有利于系統(tǒng)的集成、更新、維護(hù)和向新技術(shù)的遷移。因此，開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)硬件應(yīng)該是以總線和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而系統(tǒng)硬件的開(kāi)放性不僅僅 表現(xiàn)在公開(kāi)其硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)細(xì)節(jié)和詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，更重要的是在于其結(jié)構(gòu)的可拓?fù)湫?，即允許用戶遵守一定的規(guī)范自行開(kāi)發(fā)、選購(gòu)、更新系統(tǒng)的硬件組件，并以此為集成進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，而且在這種集成和開(kāi)發(fā)的過(guò)程及其方便。在具體的實(shí)現(xiàn)中，采用一次策略將有助于開(kāi)放式 CNC 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的開(kāi)放化設(shè)計(jì)。 標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù) 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(kāi)的，給系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)帶來(lái)極大的不便。基于 PC 的開(kāi)放式 CNC 系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)來(lái)解決因總線定義不同而帶來(lái)的硬件不能公開(kāi)的問(wèn)題。 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。具有總線結(jié)構(gòu)方式的系統(tǒng)硬件可以模塊化，適合開(kāi)放式系統(tǒng)的要求?？偩€規(guī)定了處理各部件或個(gè)子系統(tǒng)之間相互通訊的標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同時(shí)期、不同廠家的部件都可以通過(guò)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(jí)換代提供可能。這樣，在需要升級(jí)系統(tǒng)時(shí)，就可以模塊為單位進(jìn)行更新和升級(jí)。因此，為了保證用戶產(chǎn)品的持久性、可升級(jí)性，能以最低的成本適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求變化、保護(hù)用戶的投資，適應(yīng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī) 技術(shù)的瞬息萬(wàn)變，在組建系統(tǒng)的初期，選擇好的總線標(biāo)準(zhǔn)非常重要。 目前比較流行的標(biāo)準(zhǔn)總線有并行和串行兩種，其中并行總線有 ： 8/32 位的STD 總線、 16 位的工 SA 總線、 MULTIBUS I , 32 位的 MULTIBUS II , VME 總線， PCI 等 。串行總線有 ： 通用串行總線 USB 及各種現(xiàn)場(chǎng)總線，如 CAN 總線，Profibus 總線等。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議遵循網(wǎng)絡(luò)通信的開(kāi)放系統(tǒng)互連接模型，故也屬于控制網(wǎng)絡(luò)范疇。在 CNC 系統(tǒng)中，可供選取的開(kāi)放總線有 ISA, STD, VME, PCI 以及 CAN, Profibus 等。由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊協(xié)議遵循網(wǎng)絡(luò)通訊的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型，所以屬于控制網(wǎng)絡(luò)范疇。所以在 CNC 系統(tǒng)中，可供選擇的開(kāi)放總線主要有工 SA, PCI、及 CAN 等。 結(jié)合開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)際需要解決的問(wèn)題， 作者 選用 PCI 總線作為 PC 機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制單元的通訊總線，與以往的運(yùn)動(dòng)控制單元選用 ISA 總線相比，選用的PCI 總線具有明顯的優(yōu)勢(shì) ： 1)高性能。 PCI 局部總線以 331vIz 的時(shí)鐘頻率操作，采用 32 位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá) 132Mbit/s，遠(yuǎn)超過(guò)以往的各種總線。 2)線性突發(fā)傳輸。 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(wú)謂的地址操作。另外 PCI 最獨(dú)特之處是可以支持突發(fā)讀取及突發(fā)寫入，這使使用高性能圖形加速器尤為重要。 3)極小的存取延誤。 支持 PCI 的設(shè)備，存取延誤很小，能夠大幅度減少外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需的時(shí)間。 4)采用總線主控和同步操作。 PCI 獨(dú)特的同步操作功能可保證微處理器能夠與各種總線主控同時(shí)操作，不必等待后者的完成。 5)不受處理器的限制 。 PCI 獨(dú)立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨(dú)特的中間緩沖器設(shè)計(jì)方式，將中央 處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開(kāi)。這樣用戶可以隨意增添外圍CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 24 設(shè)備 ， 以擴(kuò)充電腦系統(tǒng)而不必?fù)?dān)心在不同時(shí)鐘頻率下會(huì)導(dǎo)致性能的下降。 6)適合于各種機(jī)型，兼容性強(qiáng) 。由于 PCI 的設(shè)計(jì)是要輔助現(xiàn)有的擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，因此與 ISA, E 工 SA 及 MCA 總線完全兼容。 7)預(yù)留了發(fā)展空間。 PCI 總線在開(kāi)發(fā)時(shí)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(shí)時(shí)特性。所以原先工業(yè)普遍使用的 ISA 總線逐漸被 PCI 總線代替。 1. PC 工總線物理協(xié)議 以 32 位為例說(shuō)明有關(guān)的總線信號(hào)。位擴(kuò)展信號(hào)可參閱文獻(xiàn) [5]。 表 總線信號(hào) 基本引腳 類型 功能 CLK IN 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) PAR T/S 奇偶效驗(yàn)信號(hào) FRAME S/T/S 指示總線起始和終止 IRDY S/T/S 主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào) TRDY S/T/S 目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào) STOR S/T/S 目標(biāo)設(shè)備要求終止當(dāng)前信號(hào)傳輸 DEVSER S/T/S 目標(biāo)設(shè)備選取信號(hào) IN 為輸入信號(hào) 。TlS 為雙向 3 態(tài)信號(hào) :S/T/S 為持續(xù)三態(tài)信號(hào) 。為低電平有效。 存取周期指 PCI 總線主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。包括 :內(nèi)存讀、寫 。輸入輸出讀、寫 。配 制 讀、寫操作。 PCI 總線定義 3 種不同的地址空間 :內(nèi)存空間、 I/O 空間和配 制 空間。根據(jù)不同的讀寫操作，將選擇不同的地址空間。 1個(gè)存取周期開(kāi)始時(shí)， PCI總線主設(shè)備置 FRAME有效，首先開(kāi)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。由 PCT總線主設(shè)備驅(qū)動(dòng) AD 和 C/BE信號(hào)，并在 1 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期之后，為這些信號(hào)線驅(qū)動(dòng) PAR 信號(hào)有效 [4]， C/BE上的命令類型指出是哪一個(gè)地址空間和哪種具體操作，如表 所示 。 表 C/BE命令類型 C/BE[3210] 命令類型 C/BE[3210] 命令類型 0000 中斷確認(rèn)周期 1000 保留 0001 特殊周期 1001 保留 0010 I/O 讀周期 1010 配制讀周期 0011 I/O 寫周期 1011 配制寫周期 0100 保 留 1100 多重存儲(chǔ)讀器 0101 保留 1101 雙地址周期 0110 內(nèi)存讀周期 1110 存儲(chǔ)器在線讀 0111 內(nèi)存寫周期 1111 存儲(chǔ)器寫使能無(wú)效 在地址期之后為 1 個(gè)數(shù)據(jù)期 (DATA PHASE)，在這段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)被傳送 。 PCI總線上所有目標(biāo)設(shè)備對(duì)地址進(jìn)行譯碼，地址對(duì)應(yīng)設(shè)備通過(guò)置 DEVSEL信號(hào)有效來(lái)響應(yīng)傳送周期。此時(shí) AD 和 C/BE上分別為數(shù)據(jù)和字節(jié)的使能信息 (指出 32 位數(shù)據(jù)總線中哪幾個(gè)字節(jié)有效 )。對(duì)于寫周期， ,PCI 總線主設(shè)備分別驅(qū)動(dòng)被寫數(shù)據(jù)、有效字節(jié)信息和這些信號(hào)的校驗(yàn)至 AD, C/BE和 PAR 信號(hào)線上 。對(duì)于讀周期， PCICNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 25 總線主設(shè)備驅(qū)動(dòng)有效字節(jié)信息至 CBE，由目標(biāo)設(shè)備驅(qū)動(dòng)被讀數(shù)據(jù)和到 AD 信號(hào)的校驗(yàn)到 PAR 信號(hào)線上。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。數(shù)據(jù)的傳輸開(kāi)始于 IRDY和 TRDY都有效情況下 CLK 的第 1 個(gè)上升沿時(shí)。當(dāng)FRAIvIE無(wú)效、 IRDY有效時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前的傳輸是最后 1 個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完畢， IRDY被里無(wú)效， 1 次傳輸正常結(jié)束。 空閑期 ( IDEL PHASE)是指 沒(méi)有總線操作的時(shí)段，此時(shí) FRAME和 3RDY無(wú)效。此外 PCI 總線主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都可以通過(guò)在 IRDY和 TRDY有效前加入若干等待周期以延遲傳輸開(kāi)始時(shí)間。 由于 AD（ 6） 們一直由總線主控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，所以不需要周轉(zhuǎn)周期。寫操作期間的數(shù)據(jù)傳輸方式類似于讀操作。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，總線的主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都可以終止當(dāng)前的總線操作。通常情況下，總線主控設(shè)備可以通過(guò)設(shè)置FRAME無(wú)效、 IRDY有效來(lái)指示最后一個(gè)數(shù)據(jù)周期 。目標(biāo)設(shè)備則通過(guò)設(shè)置STOP有效來(lái)請(qǐng)求終止，然后由主控設(shè)備來(lái)終止操作。 送 PCI 總線支持成組突發(fā)方式傳送。其他總線傳輸協(xié)議不同， PCI 總線不使用單獨(dú)的信號(hào)線和命令來(lái)定義突發(fā)方式的進(jìn)行，而是通過(guò) FRAME和 IRDY信號(hào)時(shí)序的變化使單個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸自然地轉(zhuǎn)成突發(fā)方式。 在地址期，單個(gè)和突發(fā)傳輸協(xié)議是一致的。在數(shù)據(jù)期，當(dāng) PCI 主設(shè)備準(zhǔn)備好接收或傳輸數(shù)據(jù)時(shí)， IRDY有效。如果 FRAME在 IRDY有效的同時(shí)無(wú)效，即開(kāi)始第一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)無(wú)效，說(shuō)明此操作為單一數(shù)據(jù)傳輸 。如果 FRAME仍保持有效，則該方式為突發(fā)方式。一個(gè)突發(fā)傳送包括一系列微傳送 (micro access),第一個(gè)微傳送的地址稱基地址 (base address),在地址期得到。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。與單一方式一樣，當(dāng) FRAME無(wú)效而 IRDY有效時(shí)，突發(fā)傳輸進(jìn)行最后數(shù)據(jù)傳送， ,FRAME和 IRDY都無(wú)效時(shí)，傳輸結(jié)束 [7]。 中斷確認(rèn)周期可以認(rèn)為是一個(gè)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。 PCI 總線規(guī)則支持分布式的中斷申請(qǐng)信號(hào)線 (INTX), TNTX信號(hào)線的目的可以允許特殊的 PCI 設(shè)備對(duì)主 CPU 進(jìn)行總線申請(qǐng)。當(dāng)一個(gè)設(shè)備對(duì)總線提出申請(qǐng)之后，主 CPU 通過(guò) HOST/PCI 橋路執(zhí)行一個(gè)中斷確認(rèn)周期。中斷控制器的任務(wù)是在該周期的數(shù)據(jù)周期把中斷矢量放在AD[31:00]信號(hào)線上。其主要特點(diǎn)如下 [7]。 1)中斷確認(rèn)周期執(zhí)行無(wú)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(guò)置 DEV SEL有效完成。 2)響應(yīng)中斷確認(rèn)周期的 PCI 設(shè)備通過(guò) TRDY信號(hào)延長(zhǎng)周期，與其他傳送一樣， TRDY與主設(shè)備 (HOSTlPCI 橋路 )的 IRDY共同決定周期長(zhǎng)度。 3)中斷確認(rèn)周期只能是讀操 作。 4)可以按單個(gè)讀或突發(fā)讀方式操作。 5)主設(shè)備可以由主設(shè)備故障終止、目標(biāo)設(shè)備可以由重試終止、斷開(kāi)終止、目標(biāo)設(shè)備故障 終止來(lái)結(jié)束周期。 5. PCI 總線仲裁 [7] PCI 總線結(jié)構(gòu)采用集中仲裁機(jī)制，每 1 個(gè) PCI 主設(shè)備都有獨(dú)立的 REQ(總線占用請(qǐng)求 )和 GNT(總線占用允許 )2 條信號(hào)線與中央仲裁器 (central arbiter)相連。由中央仲裁器對(duì)各設(shè)備的申請(qǐng)進(jìn)行仲裁，決定由誰(shuí)占用總線。 PCI 總線規(guī)則并沒(méi)CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 26 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。協(xié)議基本要求 ： 1)對(duì)總線所