中英文翻譯---一個(gè)高性能單元數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì).doc

第1頁共13頁外文科技資料翻譯中文譯文一個(gè)高性能單元數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)摘要-我們回顧了開放架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)所能選擇的不同設(shè)計(jì)方案。運(yùn)動控制軟件目前的趨勢與較傳統(tǒng)的方法相比，使用一個(gè)單獨(dú)的處理器。而不同的方法相結(jié)合的實(shí)時(shí)活動，包括插補(bǔ)和位置的測量，以及FPGA則是文件的重點(diǎn)。對于該系統(tǒng)的方法描述是基于在過去12年間狀態(tài)線結(jié)構(gòu)的一體化，由哥倫比亞省不列顛大學(xué)和忒修斯（一個(gè)由西泰克水療發(fā)展的新的創(chuàng)新的工業(yè)電子公司）所發(fā)展而來。關(guān)鍵詞開放式數(shù)控系統(tǒng)，基于FPGA的運(yùn)動控制，動力系統(tǒng)重構(gòu)，可擴(kuò)展控制。1.序言過去十年，在數(shù)控設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面發(fā)生了變革。絕大部分的商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)不得不提供某種類型的接口，使額外任務(wù)及用戶可以修改控制軟件的高次層。而各廠商都用完全不同的方案來解決這些問題，這在很大程度上，反映了他們的經(jīng)驗(yàn)和能力。作者將在本文討論出現(xiàn)的問題，從純技術(shù)的觀點(diǎn)出發(fā)是因?yàn)檫^去在硬件和軟件方面的投資都沒有問題。還應(yīng)該指出，有相當(dāng)多的進(jìn)展標(biāo)準(zhǔn)基于發(fā)展的情況進(jìn)行了協(xié)調(diào)，例如在美國，（OCAM），歐洲，（OSACA）和日本（OSEC）。見1，2，3，4。早期的開放式架構(gòu)系統(tǒng)一般由一個(gè)電腦終端和一個(gè)單獨(dú)的處理器實(shí)時(shí)處理所有活動，見5，6，7。這些系統(tǒng)大部分是分層性質(zhì)。近來的系統(tǒng)主要是PC，但許多早期的系統(tǒng)都是使用摩托羅拉的硬件。硬實(shí)時(shí)活動一般安置在一個(gè)或多個(gè)設(shè)備板，這樣反過來信息接口板又可以讀合適的位置。通常，可編程邏輯控制器是作為一個(gè)單獨(dú)的處理器，用來定制并且容納所需要的來支持各種機(jī)器功能。同時(shí)被作者采取的方法會有所不同8，9。圖（1），基本狀態(tài)線架構(gòu)第2頁共13頁圖（1）所示的UBC狀態(tài)限架構(gòu)旨在允許如下條件：A）避免在主機(jī)上必須使用一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。B）盡量減少主機(jī)與從處理器間所需的帶寬。C）在為軸和支配進(jìn)程使用同步機(jī)制的時(shí)候，容許的可擴(kuò)展性的存在。D）允許支配進(jìn)程間進(jìn)行通信。這里的想法是，通過促進(jìn)落實(shí)先進(jìn)的運(yùn)動和過程控制算法來實(shí)行一個(gè)高度并行的規(guī)定。通過使用一個(gè)雙階段校對機(jī)和兩條平行的交流渠道來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)10。第一個(gè)交流渠道（顯示為標(biāo)準(zhǔn)總線，如圖1），用于第一階段通過插值增量（通常計(jì)算循環(huán)結(jié)束頻率的1/32到1/8），以及高層次的指令和主從關(guān)系單位的狀態(tài)信息。第二通道包括一個(gè)同步線和狀態(tài)限系列（再次顯示在圖1）。狀態(tài)線路允許任何處理器選擇是整體控制還是外部控制來影響一個(gè)安全的同步方式的移動方向。最近一些研究人員和公司推行單數(shù)控軟件11，12。通過這個(gè)可以推論出填補(bǔ)，循環(huán)結(jié)束和可編程邏輯控制器（PLC）活動都可以在電腦中的軟件內(nèi)進(jìn)行，正如圖（2a）中概念性描述的一樣。這些結(jié)構(gòu)隨著電腦電力的增強(qiáng)而出現(xiàn)，而且乍一看這似乎是系統(tǒng)中自然演變的一部分。本文作者不認(rèn)為這是正確的長期的辦法。CNC軟件結(jié)構(gòu)命令微機(jī)上的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，而且顯然，任何高頻率的監(jiān)測或控制任務(wù)，例如為了過程控制，高速輪廓，或監(jiān)測任務(wù)而添加的，將會變得難以適應(yīng)?，F(xiàn)在對公司來說更常用的是用專有網(wǎng)絡(luò)數(shù)字驅(qū)動技術(shù)來包裝這種系統(tǒng)。后者的趨勢似乎是移回到層次類型的控制，但是這由如何打開驅(qū)動器技術(shù)本身而定。許多人已經(jīng)對可開放的基本要求作出表態(tài)，然而在有良好開放和可擴(kuò)展性意向的背后，構(gòu)造系統(tǒng)的實(shí)際問題往往會被忽視。作者認(rèn)為一個(gè)構(gòu)造良好的，（即符合業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造和軟件結(jié)構(gòu)），易組裝系統(tǒng)，可以輕松擴(kuò)展及重新配置，是非?？扇〉?。系統(tǒng)應(yīng)該有規(guī)范化的接口，并且允許一套單獨(dú)的高質(zhì)量維護(hù)或調(diào)試工具的供應(yīng)。同時(shí)用戶應(yīng)該毫無保留的被允許對硬件和軟件做大的變動和添加。作者相信這種方法可以包含各種領(lǐng)域連接，并且較好的為提供在盤上的CNC然后允許用戶為設(shè)計(jì)和規(guī)劃硬件安裝負(fù)責(zé)這一概念提供更完善的解答。第3頁共13頁圖（2a）分級數(shù)控系統(tǒng)圖（2b）的軟數(shù)控圖(2C)基本UBC結(jié)構(gòu)圖(2D)UBC忒修斯基礎(chǔ)架構(gòu)在下面的章節(jié)的作者將介紹在UBC控制架構(gòu)發(fā)展過程中的最新成果，以及位于忒修斯模塊化系統(tǒng)的工業(yè)電子產(chǎn)品之下的動機(jī)和基本原則。最后，這兩種努力的結(jié)合伴隨著忒修斯框架的高速軸處理器的發(fā)展，將會被描述。IIUBC狀態(tài)線架構(gòu)的最新發(fā)展正如介紹所說的，基本UBC架構(gòu)的使用已經(jīng)超過了10年。在這段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生一定的變化，并已應(yīng)用到一系列的硬件。目的是提供給研究人員和終端用戶一個(gè)簡單開放的系統(tǒng)，可以進(jìn)行修改和擴(kuò)展，并且在基本運(yùn)動控制功能即過程控制和監(jiān)測功能保護(hù)他們，以防問題干擾。本節(jié)介紹了與硬件和系統(tǒng)固件基礎(chǔ)發(fā)展有關(guān)的最近行動。作為新一代的FPGA，該硬件已經(jīng)向前發(fā)展，為鞏固位置測量和循環(huán)結(jié)束及第二階段插值提供了一個(gè)機(jī)會。顯然，這是一個(gè)對哲學(xué)基礎(chǔ)匹配非常好的的基本架構(gòu)，尤其是當(dāng)多個(gè)軸可被容納時(shí)。已經(jīng)進(jìn)行了一系列的練習(xí)來實(shí)施這一系統(tǒng)，當(dāng)前練習(xí)的最高階段是需要為忒修斯系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)施兩軸模塊。在作者們檢測基本運(yùn)動控制軟件嵌入的同時(shí)，檢查提供簡單強(qiáng)大配置工具的方法被發(fā)現(xiàn)有用。這些工具允許終端用戶接口新的模塊和真正的設(shè)計(jì)自己的模塊，其他人便可以使用。A.基于FPGA的軸控制在規(guī)模和當(dāng)前一代FPGA的速度性能以及正交解碼和插值活動之間存在著明顯的匹配。UBC活動始于大約4年前,同時(shí)調(diào)查為正交解碼而使用的FPGA，以及所有軸從動裝置納入活動已取得重大進(jìn)展。所需的各種功能參考模型如圖（3）。如圖（3）所示的功能在一個(gè)簡單的2萬門的XilinxFPGA10內(nèi)部已取得。如圖（3）所示的各種元素的虛擬軸控制器，被形容為使用VHDL和運(yùn)作在一個(gè)相對低的同步高速芯片（時(shí)鐘速度12MHz）的狀態(tài)機(jī)。循環(huán)結(jié)束頻率為4kHz，芯片含所有必需的功能包括一個(gè)PWM信號放大器輸出和數(shù)字濾波第4頁共13頁正交信號輸入。為了系統(tǒng)緩沖，從那時(shí)起第一階段的增量都存儲在主內(nèi)存板上。通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的并行端口到電腦主機(jī)接口。圖（3）基于FPGA的軸控制器的參考模型。隨著在UBC對這一系統(tǒng)進(jìn)行初步測試，卡默萊昂控制中心利用UBC的實(shí)驗(yàn)所提供的基本構(gòu)建塊設(shè)計(jì)并建成了數(shù)字控制訓(xùn)練系統(tǒng)。在這種情況下操作界面更為發(fā)達(dá)，并且在一個(gè)現(xiàn)代化的基于Windows的Forth系統(tǒng)（SwiftForth）的基礎(chǔ)上，組合成一種高層次運(yùn)動/工藝/監(jiān)測的語言，稱為CamScript。該系統(tǒng)表示如圖（4）。相同公司在為了高性能的控制多個(gè)軸，而繼續(xù)審查更大容量和更高速度的FPGA的使用。該活動的結(jié)果說明在文件的最后部分。圖（4）開發(fā)基于FPGA的伺服系統(tǒng)B.打開配置系統(tǒng)和協(xié)議作者還納入了“像打開固件“接近有參考架構(gòu)的高級元素配置?；居?jì)劃在圖（5）由奧爾德諾和Yellowley10描繪。系統(tǒng)調(diào)用可以是依賴硬件或無須硬件。無須硬件的調(diào)用由每個(gè)對象類的方法定義直接處理（如軸線，可編程控制器，過程監(jiān)控）。另一方面，依賴硬件的方法由一個(gè)稱為綁定表的軟件處理。綁定表將這些引用轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)姆椒?，用于連接物理硬件。用于接口的物理硬件。舉個(gè)例子，用