CNC動(dòng)態(tài)卡在總線方式下的實(shí)現(xiàn)
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1 引言
20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)，計(jì)小閉式系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)強(qiáng)有力的體系結(jié)構(gòu)給以支足以持，在控制軟件開(kāi)發(fā)讓缺乏持久的開(kāi)發(fā)能力，并且不能進(jìn)行高可靠性的軟件擴(kuò)展，不能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的需求，因此人們提出了放開(kāi)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(kāi)放化等特點(diǎn)。
現(xiàn)有的放開(kāi)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)通信，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)行參數(shù)經(jīng)過(guò)處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時(shí)將檢測(cè)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(jí)帶來(lái)了方便。
放開(kāi)式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動(dòng)算法的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動(dòng)態(tài)控制卡越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將多軸動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，位置反饋信號(hào)的采集、閉環(huán)控制計(jì)算及控制量的輸出均由動(dòng)態(tài)控制卡完成，極大的提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機(jī)的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解決出來(lái)，從而可以更好的實(shí)施整個(gè)控制系統(tǒng)的管理。
作者經(jīng)過(guò)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(chǎng)總線技術(shù)同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊，所以這是一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線和PCI總線的智能動(dòng)態(tài)控制器。
2 動(dòng)態(tài)控制器的系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線
基于PCI總線的動(dòng)態(tài)控制器采用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線采用數(shù)字信號(hào)而不是傳統(tǒng)的模擬信號(hào)作為通信手段，解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中的難以解決的零漂問(wèn)題，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)這種總線有利于放開(kāi)式系統(tǒng)的發(fā)展。
CAN是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)控交換而開(kāi)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（LIC）和媒體訪問(wèn)控制子層（MAC）?，F(xiàn)在已形成該協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO1898），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(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理（包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(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(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼（取消了傳統(tǒng)的對(duì)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、通信速率快、穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，開(kāi)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(chǎng)總線之一。
2.2 PCI 總線
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(lái)是專(zhuān)門(mén)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，PCI總線規(guī)范2.0版支持3MHz總線操作，32位33MHz總線在讀寫(xiě)操作中峰值傳輸速率達(dá)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(shè)計(jì)獨(dú)立于處理器， 定義了3.3-5V兩種信號(hào)環(huán)境，5-3.3V的組件技術(shù)可以是使電平平穩(wěn)過(guò)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(dòng)配置，使系統(tǒng)BIOS和操作系統(tǒng)的系統(tǒng)層軟件能自動(dòng)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)行傳輸時(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(zhuān)門(mén)為開(kāi)發(fā)PCI板卡而設(shè)計(jì)的一種PCI總線控制器，圖1是放開(kāi)式數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。
2.3 微處理芯片
動(dòng)態(tài)控制器板卡上有一個(gè)高速DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制器，該設(shè)計(jì)選擇IT公司生產(chǎn)的TMS320LF2407作為動(dòng)態(tài)控制卡的控制芯片，由于TMS320xx系列DSP芯片是專(zhuān)門(mén)為控制電機(jī)設(shè)計(jì)的一款高性能低價(jià)位的產(chǎn)品，同時(shí)作為控制電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)兼容性能，TMS3201LF2407內(nèi)部還有一個(gè)CAN控制器模塊，這樣就不需要另外選擇一個(gè)CAN控制器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了系統(tǒng)性能。
由于DSP芯片和PC機(jī)都是控制器，他們對(duì)存儲(chǔ)器編址是不同的，為了統(tǒng)一編碼，在PCI控制器和DSP之間要加一個(gè)雙口RAM來(lái)連接2個(gè)控制器。IDT7024是IDT公司生產(chǎn)的一款雙口RAM，他和普遍的RAM不同之處是它有2個(gè)地址4單元，1個(gè)存儲(chǔ)單元，對(duì)于PC機(jī)來(lái)說(shuō)他就對(duì)對(duì)應(yīng)于一段內(nèi)存單元，對(duì)于DSP來(lái)說(shuō)他可以對(duì)應(yīng)于一段片外存儲(chǔ)單元，這樣就解決了DSP和PC機(jī)之間的通信問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用的是通用PC機(jī)加實(shí)時(shí)控制單元的遞階式結(jié)構(gòu)。采用放開(kāi)式數(shù)控系統(tǒng)上PC機(jī)的Windows環(huán)境形成良好的人機(jī)界面，利用PC機(jī)的資源優(yōu)勢(shì)，放開(kāi)式結(jié)構(gòu)平臺(tái)（動(dòng)態(tài)控制器）可以集成不同開(kāi)發(fā)商提供的軟件并適合連網(wǎng)需要，且具有與硬件無(wú)關(guān)的特性，設(shè)備層高速度、高可靠性，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字通訊，可滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化要求且保證高性能、低成本。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理
基于CAN總線動(dòng)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(guò)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(lái)的信息經(jīng)過(guò)緩存最終存儲(chǔ)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，所以PC機(jī)就像操作內(nèi)存一樣將信息存儲(chǔ)到雙口RAM，等待DSP的讀取，DSP定時(shí)從雙口RAM中讀取PC機(jī)傳來(lái)的各種控制信息，DSP的主要功能是根據(jù)PC機(jī)送來(lái)得插補(bǔ)信息，通過(guò)插補(bǔ)算法形成伺服控制模塊能夠接受的動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)CAN總線將運(yùn)動(dòng)信息傳遞到伺服控制器，通過(guò)伺服控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。
在設(shè)計(jì)中由于PCI9052，IDT7024都是5V元件，TMS2320LF2407屬于3.3V器件，同時(shí)PCI插槽提供5V電源模塊，所以電路只使用了電壓轉(zhuǎn)換電路將5V信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V信號(hào)，如圖2，由于DSP內(nèi)嵌CAN控制器，所以外部只需要一個(gè)PCAC82520T-CAN收發(fā)器就可以直接掛在CAN總線上進(jìn)行通訊。
4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
放開(kāi)式CAC系統(tǒng)解決軟件公用的最主要措施是采用通用的操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCI動(dòng)態(tài)控制卡可以在Windows90/2000/XP中文操作系統(tǒng)下正常工作，軟件框圖如圖3所示。
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(wèn)題：
（1）保證系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)時(shí)性
系統(tǒng)對(duì)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)作出響應(yīng)，本控制系統(tǒng)是利用Windows中斷保證實(shí)時(shí)響應(yīng)；
（2）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(jí)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)生的順序合理的切換各任務(wù)的狀態(tài)；
（3）提供任務(wù)通信機(jī)制
由于CNC系統(tǒng)中各任務(wù)并否是孤立的，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，互斥是針對(duì)不可共享資源的訪問(wèn)問(wèn)題，如大多數(shù)外部設(shè)備和共享的可讀寫(xiě)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(duì)速度有不可預(yù)見(jiàn)性，必須由任務(wù)通信機(jī)制達(dá)到同步；
（4）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)或延遲條件來(lái)激活。
5 驅(qū)動(dòng)程序
PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序需要解決的問(wèn)題，首先是即插即用的問(wèn)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(wèn)設(shè)備I/ O內(nèi)存映射硬件，如何處理硬件中斷，最后還是解決和應(yīng)用程序的通訊問(wèn)題。
5.1 獲取系統(tǒng)分配的配置資源
對(duì)于即插即用型設(shè)備，系統(tǒng)都是動(dòng)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(dòng)程序需要解決的首要問(wèn)題。在PCI的配制周期機(jī)制中，主橋路提供了兩個(gè)寄存器用于對(duì)配置空間的操作，第一個(gè)是配置空間基地址寄存器CANFIG-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(duì)配置空間的操作是通過(guò)輸入一個(gè)值到設(shè)備的CONFIG-DATA寄存器，在此之后如果對(duì)CONFIG-DATA寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，PCI控制器就會(huì)將CONFIG-ADDRESS寄存器中的
5.2 VxD與應(yīng)用程序的通訊
VxD運(yùn)行在系統(tǒng)Ring0級(jí)，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(lái)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，Win23應(yīng)用程序?qū)xD的通訊方法只有一種，利用設(shè)備輸入輸出控制函數(shù)DeviceIoControl（）來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用CreateFile（）函數(shù)加載VxD獲得VxD設(shè)備句柄，如果調(diào)用成功，Win32應(yīng)用程序就可以調(diào)用DeviceIoControl（）程序與VxD進(jìn)行通訊。
VxD的命令代碼需要根據(jù)其固定格式進(jìn)行定義，程序中共定義了2個(gè)命令代碼，分別用于對(duì)雙口靜態(tài)RAM的讀寫(xiě)操作和VxD對(duì)Win32應(yīng)用程序異步過(guò)程調(diào)用時(shí)回調(diào)函數(shù)地址傳輸。
在VxD中與DeviceIocontrol（）函數(shù)相對(duì)應(yīng)的是OnW32DeviceIocontrol（）函數(shù)，他W32_DeviceIoControl控制信息，當(dāng)Win32應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)加載Vxd，動(dòng)態(tài)卸載VxD以及調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)時(shí)，OnW32DeviceI0control（）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。另外，由于采用中斷方式對(duì)DSP處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，所以中斷事件發(fā)生時(shí)， 需要VxD異步通知Win32應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)時(shí)在應(yīng)用程序中創(chuàng)建了兩個(gè)線程，一個(gè)用于等待中斷事件，當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，讀取DSP送到雙口RAM中數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于顯示數(shù)據(jù)。
5.3 訪問(wèn)I/O以及內(nèi)存
在S599的串行存儲(chǔ)器中，將PCI配置基礎(chǔ)地址寄存器BADR1配置為4k，16位寄存器空間，BADR2設(shè)置為8個(gè)自己的I/O空間，基地址寄存器BADRO對(duì)應(yīng)S5933內(nèi)部16個(gè)雙字節(jié)PCI總線操作寄存器，當(dāng)利用查找方式獲得配置空間數(shù)據(jù)時(shí)，即可得到存儲(chǔ)器空間基地址和I/O端口基地址。
5.4 處理中斷
當(dāng)DSP處理數(shù)據(jù)寫(xiě)滿(mǎn)2k的存儲(chǔ)器空間時(shí)PCI將產(chǎn)生中斷，中斷信號(hào)從配置空間寄存器中讀出，PCI設(shè)備分配的硬件中斷信號(hào)是共享中斷，必須使用類(lèi)VsharedHardwareInt的中斷通知事件處理函數(shù)OnSharedHardwareInt（）。
6 應(yīng)用程序的編寫(xiě)
6.1 人機(jī)接口模塊
使用VC編寫(xiě)基于PCI總線動(dòng)態(tài)控制器板卡的應(yīng)用程序，主要利用設(shè)備輸入輸出控制函數(shù)DeviceIoControl（），將界面上對(duì)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進(jìn)行通信。
6.2 解決程序模塊
對(duì)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?zhuān)瓿蓪⑸衔粰C(jī)輸入信息解釋成下位機(jī)DSP能夠執(zhí)行的語(yǔ)言，程序解釋模塊固化到PCI板卡的DSP片內(nèi)ROM中。
6.3 PLC接口模塊
實(shí)現(xiàn)PCI控制卡與現(xiàn)場(chǎng)總線上的PLC模塊之間的通訊，由于CAN總線的特點(diǎn)是可以將對(duì)PLC模塊的控制作為一個(gè)應(yīng)用模塊做在PCI控制卡上，從而實(shí)現(xiàn)了模塊化控制。
6.4 插補(bǔ)模塊
在加工信息解釋的基礎(chǔ)上，調(diào)用運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模塊，將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在操作空間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的伺服運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)生成刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將各伺服軸的移動(dòng)指令送給伺服模塊。
6.5 運(yùn)動(dòng)算法模塊
主要為伺服驅(qū)動(dòng)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。
7 結(jié)語(yǔ)
采用PC+動(dòng)態(tài)控制卡模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的放開(kāi)式設(shè)計(jì)方法開(kāi)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(jí)以及用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)都比較方便。
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