CNC動態(tài)卡在總線方式下的實(shí)現(xiàn)

1 引言

    20世紀(jì)90年代以來，隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)，計(jì)小閉式系統(tǒng)沒有一個強(qiáng)有力的體系結(jié)構(gòu)給以支足以持，在控制軟件開發(fā)讓缺乏持久的開發(fā)能力，并且不能進(jìn)行高可靠性的軟件擴(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)。

    現(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，它具有運(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，從而可以更好的實(shí)施整個控制系統(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，所以這是一個基于現(xiàn)場總線和PCI總線的智能動態(tài)控制器。

2 動態(tài)控制器的系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 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)控交換而開發(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（LIC）和媒體訪問控制子層（MAC）?，F(xiàn)在已形成該協(xié)議的國際標(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。

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，PCI總線規(guī)范2.0版支持3MHz總線操作，32位33MHz總線在讀寫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兩種信號環(huán)境，5-3.3V的組件技術(shù)可以是使電平平穩(wěn)過渡；

    即插即用 每個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。

2.3 微處理芯片

    動態(tài)控制器板卡上有一個高速DSP芯片作為運(yùn)動控制模塊的控制器，該設(shè)計(jì)選擇IT公司生產(chǎn)的TMS320LF2407作為動態(tài)控制卡的控制芯片，由于TMS320xx系列DSP芯片是專門為控制電機(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CAN控制器模塊，這樣就不需要另外選擇一個CAN控制器，簡化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了系統(tǒng)性能。