開放數(shù)控系統(tǒng)模型的建立及實(shí)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(jī)的豐富資源(內(nèi)存空間大、硬盤容量大和高速運(yùn)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(jì)。DSP因其高速、強(qiáng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)多軸控制，單個(gè)DSP芯片就顯得鞭長(zhǎng)莫及。在多軸控制卡設(shè)計(jì)中，最常用的有三種設(shè)計(jì)方案：(1)采用主DSP作為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)從DSP節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控和管理，每個(gè)從DSP控制一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，多個(gè)從DSP芯片通過總線與主DSP芯片進(jìn)行通訊，形成一個(gè)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(chǔ)DSP最新的脈沖寬度，發(fā)出PWM波，控制多軸運(yùn)動(dòng);(3)單個(gè)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(dòng)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)。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(gè)DSP控制多軸運(yùn)動(dòng)成為可能。利用FPGA的并行性對(duì)DSP的PWM功能進(jìn)行擴(kuò)展，從而可實(shí)現(xiàn)高精度的不同電機(jī)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(jì)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(kuò)展功能，體現(xiàn)出其良好的硬件平臺(tái)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(diǎn)處理器，系統(tǒng)處理能力為150MIPS，指令周期6.67ns，實(shí)時(shí)控制能力很強(qiáng)。兩個(gè)事件管理器模塊EVA、EVB中各有兩個(gè)通用定時(shí)器，三個(gè)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(cè)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(shí)工作，在定時(shí)器中斷響應(yīng)時(shí)可能檢測(cè)不到電流的變化，這樣對(duì)于16位的DSP處理器的兩個(gè)EV只能有一個(gè)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(shí)器中斷也能得到及時(shí)響應(yīng)，其EVA、EVB能夠同時(shí)得到應(yīng)用。因此，一片F(xiàn)2812 DSP能夠很好地控制兩臺(tái)三相伺服電機(jī)和四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。

　　圖1為開放數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，在硬件方面實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，通過ISA總線與PC機(jī)通訊，由PC機(jī)控制各實(shí)時(shí)模塊的協(xié)調(diào)工作。對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由F2812 DSP通過其EVA、EVB完成兩通道的PWM波形輸出，F(xiàn)PGA擴(kuò)展PWM功能，完成另兩通道PWM的控制輸出;對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，全部由F2812 DSP的EV完成，控制四軸聯(lián)動(dòng)。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(diǎn)。

　　本數(shù)控模型包括六部分：

　　(1)DSP插補(bǔ)板，由DSP完成比較復(fù)雜的插補(bǔ)和位置控制計(jì)算，并通過事件管理器控制兩電機(jī)軸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生。FPGA接收DSP最新脈沖寬度，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，控制多種電機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī))的驅(qū)動(dòng)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(cè)絲杠或電機(jī)軸的回轉(zhuǎn)角，間接測(cè)出機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(jì)算，精確控制電機(jī)的運(yùn)行。閉環(huán)系統(tǒng)中，直接測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位置，然后通過位置控制控制電機(jī)運(yùn)行。位置反饋模塊作為單獨(dú)的模塊通過總線與PC機(jī)進(jìn)行通訊，用戶可根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)自己的反饋模塊，而與DSP插補(bǔ)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(jī)床驅(qū)動(dòng)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(jī)床上各行程限位開關(guān)等信號(hào)。輔助功能也通過I/O端口實(shí)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(kù)的起、停等。

　　(4)故障檢測(cè)功能，主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)運(yùn)行方面等進(jìn)行故障檢查，對(duì)故障的原因進(jìn)行定位和報(bào)警提示，保護(hù)硬件電路的運(yùn)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(cuò)誤自檢的功能，可以自己設(shè)計(jì)軟硬件處理故障的電路，用于保護(hù)DSP的正常運(yùn)行，例如看門狗電路、 存儲(chǔ)器讀寫錯(cuò)誤、指令溢出、過載等錯(cuò)誤。

　　(5)驅(qū)動(dòng)單元，設(shè)計(jì)三種不同電機(jī)的帶有速度控制的驅(qū)動(dòng)裝置。

　　(6)PC機(jī)功能設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)參數(shù)的輸入，運(yùn)動(dòng)控制監(jiān)視，手動(dòng)操作，通過總線與其他實(shí)時(shí)控制單元通信，提供友好的人機(jī)界面，編寫各控制單元的通信軟件。

　　2 軟件開放性設(shè)計(jì)

　　在軟件設(shè)計(jì)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(kù)。利用派生功能，當(dāng)需要擴(kuò)展某基類的功能時(shí)，通過從基類中派生出新的基類來完成新的功能，較好地實(shí)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(jí)的可重用，它存在互操作能力差、可移植性不強(qiáng)、擴(kuò)展不方便等缺點(diǎn)，不能很好滿足一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)所強(qiáng)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(jí)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?cái)U(kuò)展，而不必再關(guān)注數(shù)控組件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)充功能時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)方式，有助于減少在Windows平臺(tái)上對(duì)硬件設(shè)定所花費(fèi)的成本。在PC端，PC和運(yùn)動(dòng)控制卡之間進(jìn)行中斷和I/O操作的接口采用WDM實(shí)現(xiàn)，將與硬件有關(guān)的操作屏蔽起來。對(duì)應(yīng)用程序而言，可見的是一個(gè)虛擬化的設(shè)備對(duì)象，PC程序可以根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性來選擇和控制卡的通訊方式。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的緊迫任務(wù)，如緊急停車或出錯(cuò)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(qǐng)求。而對(duì)于一般實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)地配置不同的驅(qū)動(dòng)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)。