CNC動態(tài)卡在總線方式下的實(shí)現(xiàn)

CNC動態(tài)卡在總線方式下的實(shí)現(xiàn)李戈文【摘要】動態(tài)控制模塊是數(shù)控系統(tǒng)最重要的部分,而CNC動態(tài)卡是控制模塊的核心,詳細(xì)討論了在現(xiàn)場總線和PC總線下CNC動態(tài)卡的實(shí)現(xiàn)方案.采用TI公司的2407系列DSP作為微處理單元,PCI總線作為并行總線與PC機(jī)進(jìn)行通訊,同時(shí)利用現(xiàn)在比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)同現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通訊,開發(fā)出基于現(xiàn)場總線和PCI總線的高智能動態(tài)控制器.【期刊名稱】《現(xiàn)代電子技術(shù)》【年(卷),期】2006(029)015【總頁數(shù)】4頁(P74-77)【關(guān)鍵詞】CNC;總線;DSP;PCI總線【作者】李戈文【作者單位】大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧,大連,116035【正文語種】中文TP271引言2090CNC高可靠性的軟件擴(kuò)展，不能滿足用戶對其進(jìn)行二次開發(fā)的需求。因此人們提出了放開式的數(shù)控系統(tǒng)方案，他具有加工控制的高速化、高精度化；應(yīng)用環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化、集成化；體系結(jié)構(gòu)柔性化、開放化等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要采用PC機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法。PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊、人機(jī)交互等功能，數(shù)控系統(tǒng)作為下位機(jī)將上位機(jī)輸入的運(yùn)動參數(shù)經(jīng)過處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時(shí)將檢測系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。各個(gè)模塊之間協(xié)調(diào)工作互不干擾，給系統(tǒng)升級帶來了方便。放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是DSP，他具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動算法的特點(diǎn)，可以滿足高精度運(yùn)動控制的要求。因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控制卡越來越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動控制系統(tǒng)中。將多軸動態(tài)控制卡插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上，就可以組成高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)。位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計(jì)算及控制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成，極大地提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機(jī)的資源從繁瑣的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解放出來，從而可以更好地實(shí)施整個(gè)控制系統(tǒng)的管理。作者經(jīng)過綜合調(diào)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(jī)進(jìn)行通訊，同時(shí)采用現(xiàn)在比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)同現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通訊，所以這是一個(gè)基于現(xiàn)場總線和PCI總線的智能動態(tài)控制器。動態(tài)控制器的系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)場總線基于PCI總線的動態(tài)控制器采用現(xiàn)場總線技術(shù)，解決了傳統(tǒng)串行總線傳輸速率低、響應(yīng)速度慢、出錯(cuò)率高等缺點(diǎn)，同時(shí)由于現(xiàn)場總線采用數(shù)字信號而不是傳統(tǒng)的模擬信號作為通訊手段，解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中難以解決的零漂問題，簡化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)這種總線有利于放開式系統(tǒng)的發(fā)展。CAN是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，他是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達(dá)1Mb/s。該協(xié)議由數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒體訪問控制子層(MAC)。現(xiàn)在已形成該協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理(包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)等)。CAN總線有CAN2.0A和CAN2.0B兩種協(xié)議。CAN協(xié)議的一個(gè)最大的特點(diǎn)是對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼(取消了傳統(tǒng)的對站地址編碼)。CAN協(xié)議采用CRC校驗(yàn)并提供相應(yīng)的錯(cuò)誤信息處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線以其可靠性高、通訊速率快、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、開發(fā)成本低等特點(diǎn)，而被工控領(lǐng)域普遍采用，被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。PCI作為目前微型計(jì)算機(jī)主流總線標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線，原來是專門為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能，現(xiàn)在作為高性能外設(shè)接口，與傳統(tǒng)的ISA總線相比，PCI總線有以下特點(diǎn)：突出的數(shù)據(jù)傳輸性能總線寬度32位(可擴(kuò)展到64位)，支持突發(fā)傳輸方式。PCI2.03MHz，3233MHz132MB/s(ISA8MB/s)；良好的兼容性能PCI總線部件和插卡的設(shè)計(jì)獨(dú)立于處理器，定義了3.3～5V兩種信號環(huán)境，5～3.3V的組件技術(shù)可以使電平平穩(wěn)過渡；即插即用每個(gè)PCI設(shè)備上都有配置空間能實(shí)現(xiàn)自動配置，使系統(tǒng)BIOS和操作系統(tǒng)的系統(tǒng)層軟件能自動配置系統(tǒng)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(shí)操作；總線仲裁機(jī)制PCI總線仲裁能在另一個(gè)總線主設(shè)備在PCI總線上執(zhí)行傳送時(shí)發(fā)出，從而提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能。在PCI總線的設(shè)計(jì)上采用了PLX公司的產(chǎn)品PCI9052，這是一種高性能的PCI總線控制器，專門為開發(fā)PCI板卡而設(shè)計(jì)的一種PCI總線控制器，圖1是放開式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。圖1基于PCI總線的運(yùn)動控制卡原理框圖微處理芯片DSPTITMS320LF2407TMS320xxDSPDSP訊能力和系統(tǒng)兼容性能。TMS320LF2407CANCAN由于DSP芯片和PCPCIDSPRAM2IDT7024IDT公司生產(chǎn)的一款雙口RAM，他和普通的RAM不同之處是他有2個(gè)地址單元，1個(gè)存儲單元。對于PC機(jī)來說他就對應(yīng)于一段內(nèi)存單元，對于DSP來說他可以DSPPCPCPCPC證高性能、低成本。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理基于CAN總線動態(tài)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，從個(gè)人PC機(jī)中傳入的參數(shù)如：加工參數(shù)、插補(bǔ)軌跡以及一些狀態(tài)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(shè)備將PC機(jī)傳來的信息經(jīng)過緩存最終存儲到雙口RAMIDT7024內(nèi)，由于雙口RAM映射為PC機(jī)的一部分內(nèi)存地址，PCRAMDSPDSPRAMPCDSPPC機(jī)送來的插補(bǔ)信息，通過插補(bǔ)算法形成伺服控制模塊能夠接受的運(yùn)動信息，通過CAN從而控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動。PCI9052，IDT70245VTMS320LF24073.3VPCI5V5V3.3V2DSPCANCAN數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)CNCPCIWindows98/2000/XP3圖2運(yùn)動控制器硬件原理圖為了使系統(tǒng)達(dá)到控制要求，需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問題：保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)對外界信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。本數(shù)控系統(tǒng)是利用Windows中斷保證實(shí)時(shí)響應(yīng)；協(xié)調(diào)的進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度CNC系統(tǒng)具有多種不同優(yōu)先級的任務(wù)，要求系統(tǒng)軟件能合理、有序地調(diào)度這些任務(wù)的運(yùn)行。多任務(wù)意味著多個(gè)任務(wù)能并行運(yùn)行。調(diào)度的關(guān)鍵在于按照一定的優(yōu)先權(quán)、事件發(fā)生的順序合理地切換各任務(wù)的狀態(tài)；提供任務(wù)通信機(jī)制由于CNC系統(tǒng)中各任務(wù)并非是孤立的，任務(wù)之間要完成信息交換和資源共享。CNC系統(tǒng)的通信形式有兩種：互斥和同步?；コ馐轻槍Σ豢晒蚕碣Y源的訪問問題，如大多數(shù)外部設(shè)備和共享的可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)。同步是指任務(wù)之間的協(xié)同工作。任務(wù)之間的相對速度有不可預(yù)見性，必須由任務(wù)通信機(jī)制達(dá)到同步；提供定時(shí)和延時(shí)定時(shí)和延時(shí)功能一般由時(shí)鐘提供，CNC系統(tǒng)大部分任務(wù)都是依據(jù)定時(shí)或延時(shí)條件來激活。圖3PCI運(yùn)動控制器軟件結(jié)構(gòu)5驅(qū)動程序PCI設(shè)備的驅(qū)動程序需要解決的問題：首先是即插即用問題，既如何獲取系統(tǒng)分配給該設(shè)備的配置資源，然后是如何訪問設(shè)備I/O內(nèi)存映射硬件，如何處理硬件中斷，最后還要解決和應(yīng)用程序的通訊問題。獲取系統(tǒng)分配的配置資源對于即插即用型設(shè)備，系統(tǒng)都是動態(tài)分配系統(tǒng)資源的。如何獲取系統(tǒng)分配給這些內(nèi)存單元的地址是VxD驅(qū)動程序需要解決的首要問題。在PCI的配置周期機(jī)制中，主橋路提供了兩個(gè)寄存器用于對配置空間的操作：第一個(gè)是配置空間基地址寄存器CONFIG-ADDRESS，雙字地址是CF8H。第二個(gè)是配置空間數(shù)據(jù)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(gè)值到設(shè)備的CONFIG-DATA寄存器，在此之后如果對CONFIG-DATA寄存器進(jìn)行讀寫操作，PCI控制器就會將CONFIG-ADDRESS寄存器中的值轉(zhuǎn)換成PCI總線上所需要的配置周期。VxDVxD運(yùn)行在系統(tǒng)Ring0級，處理系統(tǒng)底層設(shè)備，應(yīng)用程序利用其提供的接口服務(wù)來處理硬件。Windows允許VxD和應(yīng)用程序之間進(jìn)行雙向通信。在Windows中，Win32應(yīng)用程序?qū)xD的通訊方法只有一種，利用設(shè)備輸入輸DeviceIoControl(CreateFile(VxDVxD設(shè)備句柄，如果調(diào)用成功，Win32DeviceIoControl()程序與VxDVxD2RAMVxDWin32在VxD中與DeviceIoControl()函數(shù)相對應(yīng)的是OnW32DeviceIoControl()函數(shù)。他處理W32_DeviceIoControl控制消息。當(dāng)Win32應(yīng)用程序動態(tài)加載VxD,動態(tài)卸載VxD以及調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)時(shí)，OnW32DeviceIoControl()函數(shù)被觸發(fā)。在這個(gè)函數(shù)的參數(shù)中，也包括應(yīng)用程序調(diào)用VxD的命令代碼，VxD根據(jù)他們的值進(jìn)行相應(yīng)的處理。DSPVxDWin32DSPRAMI/OS599PCIBADR14k,168I/OBADR016PCII/O處理中斷DSP2kPCI寄存器中讀出。PCIVsharedHardwareInt的中斷通知事件處理函數(shù)OnSharedHardwareInt()。應(yīng)用程序的編寫人機(jī)接口模塊VCPCIDeviceIoControl()，將界面上對數(shù)控機(jī)床的各個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送到底層的VxD解釋程序模塊對從應(yīng)用程序中人機(jī)界面模塊中傳入的參數(shù)進(jìn)行解釋，完成將上位機(jī)輸入信息解釋成下位機(jī)DSP能夠執(zhí)行的語言。程序解釋模塊固化到PCI板卡的DSP片內(nèi)ROM中。PLCPCIPLCCANPLCPCI化控制。插補(bǔ)模塊在加工信息解釋的基礎(chǔ)上，調(diào)用運(yùn)動學(xué)算法模塊，將運(yùn)動平臺在操作空間的運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的伺服運(yùn)動，實(shí)時(shí)生成刀具的運(yùn)動軌跡，并將各伺服軸的移動指令送給伺服模塊。運(yùn)動算法模塊主要為伺服驅(qū)動提供逆解、速度映射算法，為加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)仿真及精度補(bǔ)償提供正解算法。結(jié)語采用PC+動態(tài)控制卡模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的放開式設(shè)計(jì)方法開發(fā)周期短，系統(tǒng)可靠性高，便于機(jī)床功能擴(kuò)展。由于軟件采用了模塊化，同時(shí)基于組件技術(shù)，界面友好，操作方便，進(jìn)行軟件升級以及用戶進(jìn)行二次開發(fā)都比較方便。參考文獻(xiàn)PCI9052DataBook,PLXINC.2000.[美]JonathanCorbot,Alessa