1 引言

隨著微處理器的快速發展和廣泛的應用，數字通信網絡延伸到工業過程現場成為可能，產生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優化控制等功能的智能設備。設備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現場總線的產生。1984年，現場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission，國際電工委員會）對現場總線（Fieldbus）的定義為：現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。

現有的放開式數控系統實現方案主要采用pc機和數控系統結合的方法，pc機作為上位機實現較為復雜的網絡通信，人機交互等功能，數控系統作為下位機將上位機輸入的運行參數經過處理交給執行部件執行，同時將檢測系統的反饋信息上傳給上位機實現實時監控，各個模塊之間協調工作互不干擾，給系統升級帶來了方便。

放開式系統動態控制器的核心是dsp，它具有運算速度快，支持復雜運動算法的特點，可以滿足高精度運動控制的要求，因此，以dsp為核心的多軸動態控制卡越來越廣泛地應用在運動控制系統中，將多軸動態控制卡插在pc機擴展槽上，就可以組成高精度運動控制系統，位置反饋信號的采集、閉環控制計算及控制量的輸出均由動態控制卡完成，極大的提高了運算速度和控制響應速度，將工控機的資源從煩瑣的數據采集和計算中解決出來，從而可以更好的實施整個控制系統的管理。

作者經過綜合調研，采用ti公司的2407系列dsp作為微處理單元，采用pci總線作為并行總線與pc機進行通訊，同時采用現在比較流行的現場總線技術同現場設備進行通訊，所以這是一個基于現場總線和pci總線的智能動態控制器。

2 動態控制器的系統構成

2.1 現場總線

基于pci總線的動態控制器采用現場總線技術，解決了傳統串行總線傳輸速率低，響應速度慢，出錯率高等缺點，同時由于現場總線采用數字信號而不是傳統的模擬信號作為通信手段，解決了傳統數控系統中的難以解決的零漂問題，簡化了系統的實現方案，同時這種總線有利于放開式系統的發展。

can最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M /1Mbp/s，網絡節點數實際可達110個。目前已有多家公司開發了符合CAN協議的通信芯片。

can是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1mb/s，該協議由數據鏈路層和物理層組成，數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層（lic）和媒體訪問控制子層（mac）。現在已形成該協議的國際標準（iso1898），can總線通信接口中集成了can協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的幀處理（包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗等）、can總線有can2.0a和can2.0b兩種協議，can協議的一個最大的特點是對通信數據塊進行編碼（取消了傳統的對站地址編碼），can協議采用crc校驗并提供相應的錯誤信息處理功能，保證了數據通信的可靠性。

can總線以其可靠性高、通信速率快、穩定性好，抗干擾能力強，開發成本低等特點， 而被工控領域普遍采用，被公認為最有前途的現場總線之一。

2.2 pci 總線

作為目前微型計算機主流總線標準的pci總線，原來是專門為了提高系統數據傳輸性能，現在作為高性能外設接口，與傳統的isa總線相比，pci總線有以下特點：

突出的數據傳輸性能 總線寬度32位（可擴展到64位，）支持突發傳輸方式，pci總線規范2.0版支持3mhz總線操作，32位33mhz總線在讀寫操作中峰值傳輸速率達到132mb/s（isa最大傳輸速率8mb/s）；

良好的兼容性能 pci總線部件和插卡的設計獨立于處理器， 定義了3.3-5v兩種信號環境，5-3.3v的組件技術可以是使電平平穩過渡；

即插即用 每個pci設備上都有配置空間能實現自動配置，使系統bios和操作系統的系統層軟件能自動配置系統部件和插卡；

線主控和同步操作，pci總線接口芯片可以主控總線，其同步操作可以保證cpu和總線主控同時操作；

總線仲裁機制，pci總線仲裁能在另一個總線主設備在pci總線上執行傳輸時發出，從而提供系統數據傳輸性能。

在pci總線的設計上采用了plx公司的產品pci9052，這是一種高性能的pci總線控制器，專門為開發pci板卡而設計的一種pci總線控制器，圖1是放開式數控系統總體結構框圖。

2.3 微處理芯片

動態控制器板卡上有一個高速dsp芯片作為運動控制模塊的控制器，該設計選擇it公司生產的tms320lf2407作為動態控制卡的控制芯片，由于tms320xx系列dsp芯片是專門為控制電機設計的一款高性能低價位的產品，同時作為控制電機的伺服控制系統也是采用的這款dsp芯片作為伺服控制器，所以具有良好的通訊和系統兼容性能，tms3201lf2407內部還有一個can控制器模塊，這樣就不需要另外選擇一個can控制器，簡化了電路設計，同時提高了系統性能。

由于dsp芯片和pc機都是控制器，他們對存儲器編址是不同的，為了統一編碼，在pci控制器和dsp之間要加一個雙口ram來連接2個控制器。idt7024是idt公司生產的一款雙口ram，他和普遍的ram不同之處是它有2個地址4單元，1個存儲單元，對于pc機來說他就對對應于一段內存單元，對于dsp來說他可以對應于一段片外存儲單元，這樣就解決了dsp和pc機之間的通信問題，本設計采用的是通用pc機加實時控制單元的遞階式結構。采用放開式數控系統上pc機的windows環境形成良好的人機界面，利用pc機的資源優勢，放開式結構平臺（動態控制器）可以集成不同開發商提供的軟件并適合連網需要，且具有與硬件無關的特性，設備層高速度、高可靠性，標準化的數字通訊，可滿足用戶個性化要求且保證高性能、低成本。

3 系統硬件設計原理

基于can總線動態控制卡的硬件結構如圖2所示，從個人pc機中傳入的參數如：加工參數，插補軌跡以及一些狀態信息，通過pci總線傳到pci控制器pci9052的高速緩存fifo中，pci9052作為總線主設備將pc機傳來的信息經過緩存最終存儲到雙口ramidt7024內，由于雙口ram映射為pc機的一部分內存地址，所以pc機就像操作內存一樣將信息存儲到雙口ram，等待dsp的讀取，dsp定時從雙口ram中讀取pc機傳來的各種控制信息，dsp的主要功能是根據pc機送來得插補信息，通過插補算法形成伺服控制模塊能夠接受的動態信息，通過can總線將運動信息傳遞到伺服控制器，通過伺服控制器來驅動伺服電機運動，從而控制數控機床的運動。

在設計中由于pci9052，idt7024都是5v元件，tms2320lf2407屬于3.3v器件，同時pci插槽提供5v電源模塊，所以電路只使用了電壓轉換電路將5v信號轉變為3.3v信號，如圖2，由于dsp內嵌can控制器，所以外部只需要一個pcac82520t-can收發器就可以直接掛在can總線上進行通訊。

4 數控系統的軟件設計

放開式cac系統解決軟件公用的最主要措施是采用通用的操作系統，本系統設計pci動態控制卡可以在windows90/2000/xp中文操作系統下正常工作，軟件框圖如圖3所示。

為了使系統達到控制要求，需要解決如下幾個關鍵問題：

（1）保證系統相應的實時性

系統對外界信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內作出響應，本控制系統是利用windows中斷保證實時響應；

（2）協調的進行多任務調度

cnc系統具有多種不同優先級任務，要求系統軟件能合理，有序地調度這些任務的運行，多任務意味著多個任務能并行運行，調度的關鍵在于按照一定的優先權，事件發生的順序合理的切換各任務的狀態；

（3）提供任務通信機制

由于cnc系統中各任務并否是孤立的，任務之間要完成信息交換和資源共享，cnc系統的通信形式有兩種，互斥和同步，互斥是針對不可共享資源的訪問問題，如大多數外部設備和共享的可讀寫數據區，同步是指任務之間的協同工作，任務之間的相對速度有不可預見性，必須由任務通信機制達到同步；

（4）提供定時和延時

定時和延時功能一般由時鐘提供，cnc系統大部分任務都是依據定時或延遲條件來激活。

5 驅動程序

5.1 獲取系統分配的配置資源

對于即插即用型設備，系統都是動態分配系統資源的，如何獲取系統分配給這些內存單元的地址是vxd驅動程序需要解決的首要問題。在pci的配制周期機制中，主橋路提供了兩個寄存器用于對配置空間的操作，第一個是配置空間基地址寄存器canfig-address，雙字地址是cf8h，第二個是配置空間數據緩沖寄存器config-data，地址是cfch，對配置空間的操作是通過輸入一個值到設備的config-data寄存器，在此之后如果對config-data寄存器進行讀寫操作，pci控制器就會將config-address寄存器中的值轉換成pci總線上所需要的配置周期。

5.2 vxd與應用程序的通訊

vxd運行在系統ring0級，處理系統底層設備，應用程序利用其提供的接口服務來處理硬件，windows允許vxd和應用程序之間進行雙向通信。

在windows中，win23應用程序對vxd的通訊方法只有一種，利用設備輸入輸出控制函數deviceiocontrol（）來實現，利用createfile（）函數加載vxd獲得vxd設備句柄，如果調用成功，win32應用程序就可以調用deviceiocontrol（）程序與vxd進行通訊。

vxd的命令代碼需要根據其固定格式進行定義，程序中共定義了2個命令代碼，分別用于對雙口靜態ram的讀寫操作和vxd對win32應用程序異步過程調用時回調函數地址傳輸。

另外，由于采用中斷方式對dsp處理的數據進行讀取，所以中斷事件發生時， 需要vxd異步通知win32應用程序，設計時在應用程序中創建了兩個線程，一個用于等待中斷事件，當中斷事件發生時，讀取dsp送到雙口ram中數據，另一個用于顯示數據。

5.3 訪問i/o以及內存

在s599的串行存儲器中，將pci配置基礎地址寄存器badr1配置為4k，16位寄存器空間，badr2設置為8個自己的i/o空間，基地址寄存器badro對應s5933內部16個雙字節pci總線操作寄存器，當利用查找方式獲得配置空間數據時，即可得到存儲器空間基地址和i/o端口基地址。

5.4 處理中斷

當dsp處理數據寫滿2k的存儲器空間時pci將產生中斷，中斷信號從配置空間寄存器中讀出，pci設備分配的硬件中斷信號是共享中斷，必須使用類vsharedhardwareint的中斷通知事件處理函數onsharedhardwareint（）。

6 應用程序的編寫

6.1 人機接口模塊

使用vc編寫基于pci總線動態控制器板卡的應用程序，主要利用設備輸入輸出控制函數deviceiocontrol（），將界面上對數控機床的各個參數轉換數據送到底層的vxd進行通信。

6.2 解決程序模塊

對從應用程序中人機界面模塊中傳入的參數進行解釋，完成將上位機輸入信息解釋成下位機dsp能夠執行的語言，程序解釋模塊固化到pci板卡的dsp片內rom中。

6.3 plc接口模塊

實現pci控制卡與現場總線上的plc模塊之間的通訊，由于can總線的特點是可以將對plc模塊的控制作為一個應用模塊做在pci控制卡上，從而實現了模塊化控制。

6.4 插補模塊

在加工信息解釋的基礎上，調用運動學算法模塊，將運動平臺在操作空間的運動轉變為空間的伺服運動，實時生成刀具的運動軌跡，并將各伺服軸的移動指令送給伺服模塊。

6.5 運動算法模塊

主要為伺服驅動提供逆解、速度映射算法，為加工狀態的實時仿真及精度補償提供正解算法。

7 結語

采用pc+動態控制卡模式，實現數控系統的放開式設計方法開發周期短，系統可靠性高，便于機床功能擴展，由于軟件采用了模塊化，同時基于組件技術，界面友好，操作方便，進行軟件升級以及用戶進行二次開發都比較方便。