PCI5565反射內(nèi)存網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究

　　隨著嵌入式與通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的單處理器的集中式體系結(jié)構(gòu)到開放式體系結(jié)構(gòu)，再到多處理器的分布式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。分布式數(shù)控系統(tǒng)以高精、高速的加工特征為發(fā)展核心，同時以達到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間信息的無縫融合，實現(xiàn)高實時性、高可靠性和高兼容性的新一代生產(chǎn)制造系統(tǒng)為發(fā)展方向。

　　針對如何提高分布式數(shù)控系統(tǒng)實時通信能力的問題，陶林等［1］提出了一種基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)控系統(tǒng)實時通信網(wǎng)絡(luò); 宋真君等［2］提出了基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，雖然以太網(wǎng)技術(shù)有良好的穩(wěn)定性、低成本、高帶寬及優(yōu)良的兼容性等優(yōu)點，但以太網(wǎng)的CSMA /CD（ 載波多路訪問、沖突檢測）的傳輸機制決定了它無法確保網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，導致其實時性差。金振華［3］提出了基于CAN 總線的分布式數(shù)控系統(tǒng)，雖然各種現(xiàn)場總線廣泛應(yīng)用于連接現(xiàn)場設(shè)備，有布線簡單、硬件成本低、運行精確穩(wěn)定等優(yōu)點，但數(shù)據(jù)傳輸率低，實時性不高。反射內(nèi)存網(wǎng)光纖總線不但數(shù)據(jù)傳輸率遠高于以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，而且是一種實時、確定性的網(wǎng)絡(luò)，可以較好地解決實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題［4 － 5］。

　　反射內(nèi)存技術(shù)用于所有使用以太網(wǎng)、光纖通道或其他串行網(wǎng)絡(luò)將計算機或可編程邏輯控制器連接在一起的應(yīng)用場合，如實時的飛行仿真器、電訊、高速過程控制（ 軋鋼廠和制鋁廠） 、高速測試和測量系統(tǒng)等，但并非適用于所有應(yīng)用場合［6 － 8］。因此反射內(nèi)存網(wǎng)是否適用

　　于分布式數(shù)控系統(tǒng)，如何將反射內(nèi)存網(wǎng)有效地應(yīng)用到數(shù)控機床中成為反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。文中在分析分布式數(shù)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和反射內(nèi)存網(wǎng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于反射內(nèi)存網(wǎng)的分布式數(shù)控系統(tǒng)實時通信網(wǎng)絡(luò)方案，給出了系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)、節(jié)點模型和拓展結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)方案的實現(xiàn)不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且也提高了數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性能。

　　分布式數(shù)控系統(tǒng)是分布式控制思想在數(shù)控系統(tǒng)上的綜合應(yīng)用。隨著數(shù)控系統(tǒng)功能的增加，數(shù)控機床加工速度的提高，許多數(shù)控系統(tǒng)采用了多微處理器結(jié)構(gòu)，每個微處理器通過數(shù)據(jù)總線或者通信方式進行連接，共享系統(tǒng)的公用存儲器與I /O 接口，每個處理器分擔系統(tǒng)的一部分工作［3，9－ 11］。在分布式數(shù)控系統(tǒng)中，信號傳遞對實時性要求越來越高。

　　圖1 是分布式數(shù)控系統(tǒng)共享總線基本結(jié)構(gòu)。

　　2． 1 反射內(nèi)存網(wǎng)工作原理

　　反射內(nèi)存網(wǎng)（ ＲeflecTIve Memory Network，ＲNN） 是一種高速實時網(wǎng)絡(luò)，是由光纖連接的高速共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)，與一般的基于TCP/IP 協(xié)議的局域網(wǎng)一樣，也是在每個節(jié)點計算機上附加一塊網(wǎng)卡。反射內(nèi)存網(wǎng)接口適配器為各任務(wù)設(shè)備和反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)相連的接口，具有數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)管理雙重功能，是整個反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)的核心設(shè)備。ＲM 接口適配器主要由光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編/解碼/并行處理、網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機、存儲器、協(xié)議管理模塊及任務(wù)設(shè)備接口等組成，系統(tǒng)功能框圖如圖2 所示。

　　圖2 ＲM 接口適配器功能框圖

　　反射內(nèi)存網(wǎng)是一種特殊的共享內(nèi)存系統(tǒng)，每個節(jié)點都占有一段對應(yīng)的內(nèi)存地址，可以在每一個節(jié)點子系統(tǒng)中獨立地保存整個系統(tǒng)內(nèi)存。在實時通信網(wǎng)的節(jié)點機上各插一塊反射內(nèi)存卡，卡上帶有雙口內(nèi)存，各層軟件可以讀寫這些內(nèi)存［12 － 13］。反射內(nèi)存網(wǎng)可以在分布系統(tǒng)中實現(xiàn)內(nèi)存到內(nèi)存的通信。當數(shù)據(jù)被寫入一臺機器的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存中后，反射內(nèi)存卡FPGA 硬件通過光纖自動將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄崟r通信網(wǎng)上其他反射內(nèi)存網(wǎng)中反射內(nèi)存網(wǎng)節(jié)點卡的內(nèi)存里。通常，一個節(jié)點的更新只有不到0． 4 μs 的時間延遲，傳輸遍歷所有反射內(nèi)存卡，所有反射內(nèi)存網(wǎng)節(jié)點中對應(yīng)地址都被寫入對應(yīng)數(shù)據(jù)。因此，實時通信網(wǎng)上各成員在訪問數(shù)據(jù)時，只要訪問本地反射內(nèi)存卡的內(nèi)存即可［9， 14 － 15］。一個反射內(nèi)存網(wǎng)節(jié)點由本地內(nèi)存、嵌入式接口和用來提供訪問主機和反射內(nèi)存的仲裁邏輯構(gòu)成，反射內(nèi)存網(wǎng)節(jié)點可以安裝或者連接在不同種類的計算機總線上，包括VME、PCI /PCI － X、PCI Express 等［4］。

　　2． 2 反射內(nèi)存網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

　　反射內(nèi)存網(wǎng)主要是由反射內(nèi)存卡通過光纖等傳輸介質(zhì)連接而成的，它主要有兩種物理拓撲結(jié)構(gòu)： 星型拓撲結(jié)構(gòu)（ 如圖3 所示） 和環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)（ 如圖4 所示） 。對于環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的反射內(nèi)存網(wǎng)，相鄰反射內(nèi)存卡通過輸入端和輸出端的連接形成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包沿著環(huán)形網(wǎng)絡(luò)進行傳遞。其優(yōu)點是不需要光纖Hub、光纖使用量小、節(jié)省經(jīng)費; 缺點是每個節(jié)點都有延時，如果任何節(jié)點或者光纖發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)包將不能被發(fā)送，從而導致整個傳遞網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，一般采用星型結(jié)構(gòu)。事實上，星型拓撲結(jié)構(gòu)只是一個物理意義上的結(jié)構(gòu)，因為網(wǎng)絡(luò)集線器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是環(huán)型連接。邏輯上來講，它仍然是一個環(huán)型結(jié)構(gòu)［4］。在網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點都有唯一的節(jié)點ID，在同一個網(wǎng)絡(luò)中，不允許有兩個一樣的標識ID，這個ID 是通過板上的撥碼開關(guān)進行設(shè)置的。ID 號越小，優(yōu)先級越高。當數(shù)據(jù)源節(jié)點通過集線器發(fā)送數(shù)據(jù)包時，集線器可以根據(jù)相鄰板的高低ID 來找出數(shù)據(jù)傳遞方向，從而實時更新所有節(jié)點的相應(yīng)數(shù)據(jù)。在星型配置中，如果一個節(jié)點不工作時，集線器可以自動屏蔽故障節(jié)點，而不影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，當然星型結(jié)構(gòu)的缺點是網(wǎng)絡(luò)中的Hub 一旦發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡(luò)將會癱瘓［16］。圖3 星型拓撲結(jié)構(gòu)圖4 環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)

　　3． 1 數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)信息傳輸?shù)奶攸c及總體傳輸要求，擬采用反射內(nèi)存光纖總線連接CNC 裝置、PLC、故障診斷專家系統(tǒng)、HMI 控制面板、CAD/CAM、數(shù)控加工仿真模擬系統(tǒng)等部件構(gòu)成一個分布式數(shù)控系統(tǒng)?？偩€網(wǎng)絡(luò)的每個任務(wù)節(jié)點接一個ＲM（ ＲeflecTIve Memory） 接口適配器，每個ＲM 接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，系統(tǒng)將該存儲空間映射到該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理系統(tǒng)的地址空間，這樣節(jié)點處理系統(tǒng)對ＲM 接口適配器的操作就和對本機內(nèi)存操作方式一樣。當節(jié)點任務(wù)設(shè)備往映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個位置寫數(shù)據(jù)的時候，反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在納秒級的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳播到網(wǎng)絡(luò)上的每個其他節(jié)點。并且更新的傳播操作是異步的，沒有應(yīng)用系統(tǒng)處理器的介入。數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

　　圖5 數(shù)控系統(tǒng)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)連接圖分布式數(shù)控系統(tǒng)工作過程： CAD/CAM 系統(tǒng)對待加工零件建模，并根據(jù)加工工藝生成NC 代碼［17］; 數(shù)控仿真加工及加工模擬系統(tǒng)對生成的NC 代碼進行圖形仿真，進行預加工，檢測是否有刀具干涉等異常現(xiàn)象;HMI（ 人機操作界面） 作為工控機的輸入和顯示單元是系統(tǒng)和用戶之間進行信息交換的媒介，顯示各種控制信號的狀態(tài)，操作人員可以通過它對機床進行操作，對機床參數(shù)進行設(shè)定和修改，加載零件加工文件; CNC模塊接收上位機傳送的加工代碼，通過解釋器、插補器生成運動控制指令; 遠程監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)通過采集數(shù)控系統(tǒng)及機床本體傳感器件信息，遠程監(jiān)控機床運行狀態(tài)，對運行故障進行故障原因分析和故障點定位。如果將這些功能或者系統(tǒng)裝在一臺計算機上，會增加計算機負載，而插補過程是一個高實時性的過程，用反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)把這些模塊分別連接起來，并且其相互之間信息交換幾乎沒有時間延遲，相當于一臺計算機實現(xiàn)的控制，能很好地滿足數(shù)控機床對加工實時性的要求。

　　3． 2 反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)通訊過程

　　由于反射內(nèi)存網(wǎng)的傳輸是純硬件操作，所以不受特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的限制，也就不用編寫復雜的接口程序，軟件上只需幾行代碼就可以完成對反射內(nèi)存卡的讀寫操作。整個通訊過程如下：Step1： 打開板卡并復位板卡;Step2： 板卡初始化設(shè)置：執(zhí)行中斷初始化函數(shù)（ INT_Init） ;設(shè)置板卡中斷包中斷使能（ ＲM_IntDataArrive_IntEnable） ;使能光纖收發(fā)器（ ＲM_FM_Enable）Step3： 通訊開始

　?。?） 發(fā)送方發(fā)送中斷包（ ＲM_TxIntPkt） ，中斷包中斷后，中斷處理函數(shù)自動調(diào)用中斷處理函數(shù)（ ＲM_Ｒx-IntPkt） 。發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包（ ＲM_TxDatPk） ： 當產(chǎn)生一個對SDＲAM 的寫操作時，反射內(nèi)存卡自動將數(shù)據(jù)和其他相關(guān)信息（ 包括數(shù)據(jù)地址、節(jié)點號等） 寫入到發(fā)送緩沖器中，在發(fā)送緩沖器中，發(fā)送電路檢測并將數(shù)據(jù)變成一個4 到64 字節(jié)長度可變的數(shù)據(jù)包，通過光纖接口發(fā)送到下一個板卡的接收端口。

　?。?2） 接收方接收中斷包; 中斷包中斷后，中斷處理函數(shù)自動調(diào)用中斷處理函數(shù)（ ＲM_ＲxIntPkt） 。接收數(shù)據(jù)包（ ＲM_ＲxDatPkt） ，寫入磁盤，開啟線程函數(shù)查詢板卡接收數(shù)據(jù)包狀態(tài)（ ＲM_IntStatus） ，先判斷本節(jié)點是否需要寫入數(shù)據(jù)，若不需要，則直接轉(zhuǎn)發(fā)寫中斷給下一組內(nèi)節(jié)點; 否則，向其反射內(nèi)存卡中寫入數(shù)據(jù)后發(fā)送讀中斷，接收電路解開數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)存儲到板載的接收緩沖器中，在接收緩沖器中，另一個電路將數(shù)據(jù)寫入到本地的SDＲAM 的和源節(jié)點相同的地址中。同時該電路將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送FIFO 中，重復這個處理過程直至所發(fā)送的數(shù)據(jù)返回到源節(jié)點接收端，然后源節(jié)點將節(jié)點ID 相同的數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中刪除，從而實現(xiàn)所有節(jié)點都被更新。重復上述流程。退出程序，關(guān)閉板卡（ ＲM_Card_close） 。

　　3． 3 帶寬及實時性分析高速、高精加工中插補周期一般控制在1 ～ 2 ms，插補周期越短，以直代曲插補直線段越逼近實際加工曲線，加工精度越高。對于分布式數(shù)控系統(tǒng)而言，地理位置上相對獨立的各個單元通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進行互聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捈皩崟r性會極大地影響實際加工效果。

　　表 1 為幾種數(shù)控系統(tǒng)中常用網(wǎng)絡(luò)通信方式的對比情況。文中采用的發(fā)射內(nèi)存網(wǎng)帶寬最高可達1． 06Gbps，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲為400 ～ 750 ns，這兩個指標都明顯優(yōu)于FDDI（ Fiber Distributed － Data Interface） 、CAN、工業(yè)以太網(wǎng)及PＲOFIUBS 現(xiàn)場總線。表1 幾種通訊網(wǎng)絡(luò)對比網(wǎng)絡(luò)類型帶寬實時性分析ＲMN 1． 06 Gbps 節(jié)點確定的傳輸延遲為400 ～ 750 nsFDDI 100 Mbps光纜延遲和站延遲使其響應(yīng)時間至少為＞ 5msCAN 1 Mbps數(shù)據(jù)率很低，速度低，一般響應(yīng)時間5 ～ 10ms工業(yè)以太網(wǎng)100 MbpsCSMA/CD 的傳輸機制決定了它無法確保傳輸延遲的確定性，導致其實時性差。傳輸延遲可達到1 ～ 10 msPＲOFIBUS ＜ 12 Mbps 響應(yīng)時間＞ 10 ms4

         中對反射內(nèi)存網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)這一極富研究價值的領(lǐng)域作了初步探索，提出了一種基于反射內(nèi)存網(wǎng)的分布式數(shù)控系統(tǒng)實時通信網(wǎng)絡(luò)方案，給出了系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)、節(jié)點模型和拓展結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，可以考慮把反射內(nèi)存網(wǎng)同以太網(wǎng)相結(jié)合，在強實時部分使用反射內(nèi)存網(wǎng)，在弱實時部分則利用以太網(wǎng)，實現(xiàn)資源的充分利用，降低開發(fā)成本。