開放數(shù)控系統(tǒng)模型的建立及實現(xiàn)

“NC嵌入PC”的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，充分利用了PC機的豐富資源(內(nèi)存空間大、硬盤容量大和高速運算功能的CPU)，使這種結(jié)構(gòu)模式成為開放數(shù)控系統(tǒng)的主流設(shè)計。DSP因其高速、強實時控制能力而迅速得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其有限的PWM輸出口，要實現(xiàn)多軸控制，單個DSP芯片就顯得鞭長莫及。在多軸控制卡設(shè)計中，最常用的有三種設(shè)計方案：(1)采用主DSP作為主控制器，實現(xiàn)對多個從DSP節(jié)點的監(jiān)控和管理，每個從DSP控制一個軸運動，多個從DSP芯片通過總線與主DSP芯片進(jìn)行通訊，形成一個主從式的分布式控制結(jié)構(gòu);(2)DSP只負(fù)責(zé)復(fù)雜的控制算法，發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA存儲DSP最新的脈沖寬度，發(fā)出PWM波，控制多軸運動;(3)單個DSP負(fù)責(zé)復(fù)雜的控制算法，通過輸出選擇邏輯開關(guān)來選擇D/A通道，驅(qū)動電機軸運動。高速F2812 DSP芯片和大容量可編程邏輯器件FPGA的出現(xiàn)，使單個DSP控制多軸運動成為可能。利用FPGA的并行性對DSP的PWM功能進(jìn)行擴展，從而可實現(xiàn)高精度的不同電機的多軸控制，并且FPGA和DSP都支持在系統(tǒng)可編程，因此大大縮短了設(shè)計周期，而且在硬件不變的情況下，可以根據(jù)需要通過修改軟件以擴展功能，體現(xiàn)出其良好的硬件平臺開放性。

　　1 開放數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

　　F2812 DSP是TI公司最新推出的32位定點處理器，系統(tǒng)處理能力為150MIPS，指令周期6.67ns，實時控制能力很強。兩個事件管理器模塊EVA、EVB中各有兩個通用定時器，三個完全比較單元，能夠支持8通道的16位PWM輸出。在電流環(huán)等采樣獲取中，因其頻率比較高(20kHz)，每測一次電流就重新調(diào)整新的PWM波的脈沖寬度，如果EVA、EVB同時工作，在定時器中斷響應(yīng)時可能檢測不到電流的變化，這樣對于16位的DSP處理器的兩個EV只能有一個得到有效的應(yīng)用。但是F2812高達(dá)150MIPS的處理能力，能夠很好的捕捉到電流的變化，定時器中斷也能得到及時響應(yīng)，其EVA、EVB能夠同時得到應(yīng)用。因此，一片F(xiàn)2812 DSP能夠很好地控制兩臺三相伺服電機和四臺步進(jìn)電機。

　　圖1為開放數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，在硬件方面實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，通過ISA總線與PC機通訊，由PC機控制各實時模塊的協(xié)調(diào)工作。對伺服電機的驅(qū)動信號，由F2812 DSP通過其EVA、EVB完成兩通道的PWM波形輸出，F(xiàn)PGA擴展PWM功能，完成另兩通道PWM的控制輸出;對步進(jìn)電機的驅(qū)動，全部由F2812 DSP的EV完成，控制四軸聯(lián)動。充分利用了F2812 DSP的內(nèi)部資源和FPGA的速度快、多路并行、靈活性高的優(yōu)點。

　　本數(shù)控模型包括六部分：

　　(1)DSP插補板，由DSP完成比較復(fù)雜的插補和位置控制計算，并通過事件管理器控制兩電機軸的驅(qū)動信號的產(chǎn)生。FPGA接收DSP最新脈沖寬度，產(chǎn)生PWM控制信號，控制多種電機(步進(jìn)電動機、直流電動機、交流電動機)的驅(qū)動電路。

　　(2)位置反饋，主要用于閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。半閉環(huán)系統(tǒng)中，用于檢測絲杠或電機軸的回轉(zhuǎn)角，間接測出機床運動部件的位移，經(jīng)位置反饋裝置進(jìn)行處理后通過總線送回到控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，并與控制指令相比較，經(jīng)過位置控制計算，精確控制電機的運行。閉環(huán)系統(tǒng)中，直接測出工作臺的實際位置，然后通過位置控制控制電機運行。位置反饋模塊作為單獨的模塊通過總線與PC機進(jìn)行通訊，用戶可根據(jù)實際要求設(shè)計自己的反饋模塊，而與DSP插補板沒有關(guān)系，從而體現(xiàn)其開放性。

　　(3)開關(guān)量I/O控制和輔助功能控制。I/O控制是CNC裝置和機床驅(qū)動部件之間傳遞信息的接口，主要用于接收各種開關(guān)、按鈕以及機床上各行程限位開關(guān)等信號。輔助功能也通過I/O端口實現(xiàn)，常用的輔助功能有程序停，主軸啟、停、轉(zhuǎn)向，冷卻泵的接通和斷開，刀庫的起、停等。

　　(4)故障檢測功能，主要對驅(qū)動電路、電機運行方面等進(jìn)行故障檢查，對故障的原因進(jìn)行定位和報警提示，保護(hù)硬件電路的運行。例如電流過限、短路、斷路、電壓過高或過低等硬件故障。由于DSP有錯誤自檢的功能，可以自己設(shè)計軟硬件處理故障的電路，用于保護(hù)DSP的正常運行，例如看門狗電路、 存儲器讀寫錯誤、指令溢出、過載等錯誤。

　　(5)驅(qū)動單元，設(shè)計三種不同電機的帶有速度控制的驅(qū)動裝置。

　　(6)PC機功能設(shè)計，完成數(shù)據(jù)參數(shù)的輸入，運動控制監(jiān)視，手動操作，通過總線與其他實時控制單元通信，提供友好的人機界面，編寫各控制單元的通信軟件。

　　2 軟件開放性設(shè)計

　　在軟件設(shè)計方面，許多開放式數(shù)控系統(tǒng)均采用面向?qū)ο?OOP)的技術(shù)，將數(shù)控功能模塊化，構(gòu)建基本類庫。利用派生功能，當(dāng)需要擴展某基類的功能時，通過從基類中派生出新的基類來完成新的功能，較好地實現(xiàn)了軟件重用和二次開發(fā)的功能。這種傳統(tǒng)的OOP技術(shù)僅僅是軟件源代碼級的可重用，它存在互操作能力差、可移植性不強、擴展不方便等缺點，不能很好滿足一個開放式數(shù)控系統(tǒng)所強調(diào)的要求。在數(shù)控系統(tǒng)中引入COM作為底層支持可以更好的滿足數(shù)控系統(tǒng)開放的要求。COM技術(shù)中組件的二進(jìn)制級交互保證了所構(gòu)建出的數(shù)控系統(tǒng)具有良好的可重用性，可以快速方便地擴展，而不必再關(guān)注數(shù)控組件的內(nèi)部實現(xiàn)，擴充功能時只需要修改或更換相關(guān)的組件而不必再重新編譯原系統(tǒng)，可以快速滿足新的生產(chǎn)需要，提高軟件的開發(fā)效率和可維護(hù)性。

　　為了更好地實現(xiàn)軟件的重用性和二次開發(fā)功能，將與底層無關(guān)的軟件功能用WDM技術(shù)實現(xiàn)。WDM(Windows Driver Model)是Microsoft為Windows 98和Windows 2000作業(yè)系統(tǒng)提供一系列I/O服務(wù)及二進(jìn)制相容設(shè)備的驅(qū)動方式，有助于減少在Windows平臺上對硬件設(shè)定所花費的成本。在PC端，PC和運動控制卡之間進(jìn)行中斷和I/O操作的接口采用WDM實現(xiàn)，將與硬件有關(guān)的操作屏蔽起來。對應(yīng)用程序而言，可見的是一個虛擬化的設(shè)備對象，PC程序可以根據(jù)任務(wù)的實時性來選擇和控制卡的通訊方式。對于實時性要求高的緊迫任務(wù)，如緊急停車或出錯處理，應(yīng)用程序可以用直接寫端口的方式向控制卡發(fā)送中斷請求。而對于一般實時性和大批量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，應(yīng)用程序可以用與WDM進(jìn)行消息映射的方式完成，然后再完成硬件的相關(guān)操作。通過模塊化的WDM體系結(jié)構(gòu)中靈活統(tǒng)一的接口，使操作系統(tǒng)可以動態(tài)地配置不同的驅(qū)動程序模塊來支持特定的設(shè)備。這樣更好的體現(xiàn)了軟件的重用性和可移植性，利于軟件的二次開發(fā)。表1描述了軟件的層次結(jié)構(gòu)。