【導讀】響應新的加工需求。計等方面進行了研究。全文主要研究工作如下：。標以及實現(xiàn)開發(fā)的途徑。在需求分析的基礎上，談論了開放式CNC體。系結構的設計原則和概念模型?？偩€的模塊化體系結構以及各功能模塊。開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構的開放途徑…………………基于PC的開放式CNC系統(tǒng)運動控制卡的硬件設計………機械加工工藝過程的自動化是實現(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】 機構 碼盤接口 編碼器 PCI總線 CAN 總線 CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 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展性體現(xiàn)在當控制 圖 26 軟件系統(tǒng)結構 系統(tǒng)的功能不能滿足用戶要求時，用戶可以進行開發(fā)和擴展。這將要求控制系統(tǒng)能夠將用戶自制的模塊融入系統(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)結構如圖 26 所示。 控制系統(tǒng)結構的開放性還體現(xiàn)在從上到下的不同層次 :上層 PC 首先向用戶提供一個友好的人機交換界面，包括各種狀態(tài)設置，加工參數(shù)解釋，運動控制選擇，加工情況檢 測等。改界面可以與其他系統(tǒng)集成。向其他系統(tǒng)提供加工過程數(shù)據(jù)。在控制系統(tǒng)的下層， DSP 將接受上位 PC 機傳來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)具體的運動控制。在這一層上，系統(tǒng)應該提供用戶便于選擇不同的控制算法如 :曲線插補算法。這兩層還可以細分為小的層次，其目的時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展。 用戶界面部分向最終用戶提供一般標準的 Windows 應用程序接口，通過它可以對加工的情況進行監(jiān)控，又包括加工的運動控制，對控制器的資源情況的監(jiān)控，對加工參數(shù)的修改和效果反饋等。這些服務由程序的基本系統(tǒng)服務部 分完成。 PCI 控制卡接口 (WDM 驅動程序 )負責 PC 命令的解釋執(zhí)行，它向服務程序提供一個與硬件無關的接口，將具體的硬件端口操作屏蔽起來。 本章小結 本章結合當今 CNC 系統(tǒng)發(fā)展的新進展，對 CNC 系統(tǒng)的體系結構特點進行了分析，討論了 CNC 系統(tǒng)體系結構開放化的基本概念和實行開放的途徑，并在需求分析的基礎上提出了開放體系 CNC 系統(tǒng)的設計原則和概念模型，為后續(xù)章節(jié)進一步對開放式 CNC 系統(tǒng)的軟、硬件結構構造和詳細 研究 提供了一個總體參考框架。 本章著重討論在開放體系結構目標下基本的 CNC 系統(tǒng)硬件，分析數(shù) 控系統(tǒng)硬件開放化的基本設計原則，以及應用 PC 平臺構成 CNC 系統(tǒng)的硬件模塊劃分和總線選擇方法，提出 基 于現(xiàn)場總線的模塊化，分布式 CNC 系統(tǒng)硬件結構。 用戶界面 基本系統(tǒng)服務和 加工控制 用戶模塊 開發(fā)服務組件 PCI 板卡接口函數(shù) DSP 下位機系統(tǒng)算法控制 CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 23 硬件是 CNC 系統(tǒng)工作的物質基礎?；?PC 的開放式 CNC 系統(tǒng)的硬件結構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、維護和向新技術的遷移。因此，開放體系結構的 CNC系統(tǒng)硬件應該是以總線和網(wǎng)絡為基礎的模塊化拓撲結構。而系統(tǒng)硬件的開放性不僅僅 表現(xiàn)在公開其硬件設計的技術細節(jié)和詳細結構參數(shù)，更重要的是在于其結構的可拓撲性，即允許用戶遵守一定的規(guī)范自行開發(fā)、選購、更新系統(tǒng)的硬件組件，并以此為集成進行二次開發(fā)，而且在這種集成和開發(fā)的過程及其方便。在具體的實現(xiàn)中，采用一次策略將有助于開放式 CNC 系統(tǒng)硬件結構的開放化設計。 標準化總線技術 專用 CNC 采用自行定義的總線規(guī)范，其技術細節(jié)往往是不公開的，給系統(tǒng)擴展和升級帶來極大的不便。基于 PC 的開放式 CNC 系統(tǒng)采用通用標準總線技術來解決因總線定義不同而帶來的硬件不能公開的問題。 總線是 一組信號線的集合，是一種傳送 信息的公共通道，通常由數(shù)據(jù)總線信號、地址總線信號、控制總線信號、時鐘信號及電源信號組成。具有總線結構方式的系統(tǒng)硬件可以模塊化，適合開放式系統(tǒng)的要求。總線規(guī)定了處理各部件或個子系統(tǒng)之間相互通訊的標準接口，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。這樣，在需要升級系統(tǒng)時，就可以模塊為單位進行更新和升級。因此，為了保證用戶產(chǎn)品的持久性、可升級性，能以最低的成本適應技術的發(fā)展和用戶的需求變化、保護用戶的投資，適應控制技術和計算機 技術的瞬息萬變，在組建系統(tǒng)的初期，選擇好的總線標準非常重要。 目前比較流行的標準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)場總線，如 CAN 總線，Profibus 總線等。由于現(xiàn)場總線的通信協(xié)議遵循網(wǎng)絡通信的開放系統(tǒng)互連接模型，故也屬于控制網(wǎng)絡范疇。在 CNC 系統(tǒng)中，可供選取的開放總線有 ISA, STD, VME, PCI 以及 CAN, Profibus 等。由于現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議遵循網(wǎng)絡通訊的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型，所以屬于控制網(wǎng)絡范疇。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。 結合開放式數(shù)控系統(tǒng)實際需要解決的問題， 作者 選用 PCI 總線作為 PC 機和運動控制單元的通訊總線，與以往的運動控制單元選用 ISA 總線相比，選用的PCI 總線具有明顯的優(yōu)勢 ： 1)高性能。 PCI 局部總線以 331vIz 的時鐘頻率操作，采用 32 位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達 132Mbit/s，遠超過以往的各種總線。 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)，故能更有效地運用總線的帶寬去傳送數(shù)據(jù)，以減少無謂的地址操作。另外 PCI 最獨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 的設備，存取延誤很小，能夠大幅度減少外圍設備取得總線控制權所需的時間。 4)采用總線主控和同步操作。 PCI 獨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操作，不必等待后者的完成。 5)不受處理器的限制 。 PCI 獨立于處理器的結構，形成一種獨特的中間緩沖器設計方式，將中央 處理器子系統(tǒng)與外圍設備分開。這樣用戶可以隨意增添外圍CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 24 設備 ， 以擴充電腦系統(tǒng)而不必擔心在不同時鐘頻率下會導致性能的下降。 6)適合于各種機型，兼容性強 。由于 PCI 的設計是要輔助現(xiàn)有的擴展總線標準，因此與 ISA, E 工 SA 及 MCA 總線完全兼容。 7)預留了發(fā)展空間。 PCI 總線在開發(fā)時預留了充足的發(fā)展空間，支持 64 位地址 /數(shù)據(jù)多路復用，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。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 位為例說明有關的總線信號。位擴展信號可參閱文獻 [5]。 表 總線信號 基本引腳 類型 功能 CLK IN 系統(tǒng)時鐘 AD[31： 00] T/S 地址和數(shù)據(jù)復用信號線信號 C/BD[3： 00] T/S 總線命令和地址性能信號 PAR T/S 奇偶效驗信號 FRAME S/T/S 指示總線起始和終止 IRDY S/T/S 主設備準備好信號 TRDY S/T/S 目標設備準備好信號 STOR S/T/S 目標設備要求終止當前信號傳輸 DEVSER S/T/S 目標設備選取信號 IN 為輸入信號 。TlS 為雙向 3 態(tài)信號 :S/T/S 為持續(xù)三態(tài)信號 。為低電平有效。 存取周期指 PCI 總線主設備和目標設備間點對點的數(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個存取周期開始時， PCI總線主設備置 FRAME有效，首先開始 1個地址期 (ADDRESS PHASE)，在這段時間內(nèi)，有效地址和命令分別位于 AD 和 C/BE信號線上。由 PCT總線主設備驅動 AD 和 C/BE信號，并在 1 個系統(tǒng)時鐘周期之后，為這些信號線驅動 PAR 信號有效 [4]， C/BE上的命令類型指出是哪一個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 多重存儲讀器 0101 保留 1101 雙地址周期 0110 內(nèi)存讀周期 1110 存儲器在線讀 0111 內(nèi)存寫周期 1111 存儲器寫使能無效 在地址期之后為 1 個數(shù)據(jù)期 (DATA PHASE)，在這段時間內(nèi)數(shù)據(jù)被傳送 。 PCI總線上所有目標設備對地址進行譯碼，地址對應設備通過置 DEVSEL信號有效來響應傳送周期。此時 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)總線中哪幾個字節(jié)有效 )。對于寫周期， ,PCI 總線主設備分別驅動被寫數(shù)據(jù)、有效字節(jié)信息和這些信號的校驗至 AD, C/BE和 PAR 信號線上 。對于讀周期， PCICNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 25 總線主設備驅動有效字節(jié)信息至 CBE，由目標設備驅動被讀數(shù)據(jù)和到 AD 信號的校驗到 PAR 信號線上。而且由于 AD 由主設備驅動轉成目標設備驅動，所以在目標設備驅動信號之前， AD 要保持 1 個系統(tǒng)時鐘周期的三態(tài)，以便完成轉換。數(shù)據(jù)的傳輸開始于 IRDY和 TRDY都有效情況下 CLK 的第 1 個上升沿時。當FRAIvIE無效、 IRDY有效時，說明當前的傳輸是最后 1 個數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸完畢， IRDY被里無效， 1 次傳輸正常結束。 空閑期 ( IDEL PHASE)是指 沒有總線操作的時段，此時 FRAME和 3RDY無效。此外 PCI 總線主設備和目標設備都可以通過在 IRDY和 TRDY有效前加入若干等待周期以延遲傳輸開始時間。 由于 AD（ 6） 們一直由總線主控設備驅動，所以不需要周轉周期。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^程中，總線的主控設備和目標設備都可以終止當前的總線操作。通常情況下，總線主控設備可以通過設置FRAME無效、 IRDY有效來指示最后一個數(shù)據(jù)周期 。目標設備則通過設置STOP有效來請求終止，然后由主控設備來終止操作。 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)的傳輸自然地轉成突發(fā)方式。 在地址期，單個和突發(fā)傳輸協(xié)議是一致的。在數(shù)據(jù)期，當 PCI 主設備準備好接收或傳輸數(shù)據(jù)時， IRDY有效。如果 FRAME在 IRDY有效的同時無效，即開始第一個數(shù)據(jù)傳輸時無效，說明此操作為單一數(shù)據(jù)傳輸 。如果 FRAME仍保持有效，則該方式為突發(fā)方式。一個突發(fā)傳送包括一系列微傳送 (micro access),第一個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)這一基地址做相應的增加得到。與單一方式一樣，當 FRAME無效而 IRDY有效時，突發(fā)傳輸進行最后數(shù)據(jù)傳送， ,FRAME和 IRDY都無效時，傳輸結束 [7]。 中斷確認周期可以認為是一個特殊的讀操作，主設備為 HOST/PCI 橋路，目標設備為含有中斷控制器的 PCI 總線設備。 PCI 總線規(guī)則支持分布式的中斷申請信號線 (INTX), TNTX信號線的目的可以允許特殊的 PCI 設備對主 CPU 進行總線申請。當一個設備對總線提出申請之后，主 CPU 通過 HOST/PCI 橋路執(zhí)行一個中斷確認周期。中斷控制器的任務是在該周期的數(shù)據(jù)周期把中斷矢量放在AD[31:00]信號線上。其主要特點如下 [7]。 1)中斷確認周期執(zhí)行無需譯碼，所以包含中斷控制器的 PCI 總線設備對操作的響應通過置 DEV SEL有效完成。 2)響應中斷確認周期的 PCI 設備通過 TRDY信號延長周期，與其他傳送一樣， TRDY與主設備 (HOSTlPCI 橋路 )的 IRDY共同決定周期長度。 3)中斷確認周期只能是讀操 作。 4)可以按單個讀或突發(fā)讀方式操作。 5)主設備可以由主設備故障終止、目標設備可以由重試終止、斷開終止、目標設備故障 終止來結束周期。 5. PCI 總線仲裁 [7] PCI 總線結構采用集中仲裁機制，每 1 個 PCI 主設備都有獨立的 REQ(總線占用請求 )和 GNT(總線占用允許 )2 條信號線與中央仲裁器 (central arbiter)相連。由中央仲裁器對各設備的申請進行仲裁，決定由誰占用總線。 PCI 總線規(guī)則并沒CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 26 有給中央仲裁器建立 1 個明確的協(xié)議，它要求中央仲裁器支持一個合理的算法，給每 個 PCI 主設備確立獲得總線控制權的等待時間。協(xié)議基本要求 ： 1)對總線所