串行總線(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

1　前言

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總線(xiàn)接口對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能和功能都有直接影響，有關(guān)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在下一世紀(jì)里，串行總線(xiàn)將逐漸取代并行總線(xiàn)。

在數(shù)控系統(tǒng)中，個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)越來(lái)越緊密地結(jié)合，由此而產(chǎn)生的具有開(kāi)放性的PCNC數(shù)控系統(tǒng)，正在取代傳統(tǒng)形式的數(shù)控系統(tǒng)，并成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的變革，必將影響數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，串行總線(xiàn)的應(yīng)用將極大地改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

2　串行總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

同并行總線(xiàn)相比，串行總線(xiàn)具有許多優(yōu)點(diǎn)。串行總線(xiàn)連接引腳數(shù)量少，連接簡(jiǎn)單，成本較低，系統(tǒng)可靠性高。串行總線(xiàn)對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有重大的影響，它的應(yīng)用有助于數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，串行總線(xiàn)比并行總線(xiàn)更容易使用。在并行總線(xiàn)中，傳輸數(shù)據(jù)的各個(gè)位必須處于一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的相同位置，頻率越高，對(duì)器件的傳輸性能和電路結(jié)構(gòu)要求越嚴(yán)格，系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度加大，致使系統(tǒng)成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行總線(xiàn)時(shí)，數(shù)據(jù)的各個(gè)位是串行傳輸?shù)?。在串行總線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，既可以嵌入時(shí)鐘信號(hào)作為同步信號(hào)，也可以采用鎖相環(huán)的時(shí)鐘恢復(fù)方式；同并行總線(xiàn)相比，串行總線(xiàn)的傳輸線(xiàn)效應(yīng)比較容易處理，從而降低設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)成本。

另外，以串行信息包為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，不需要編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)斷開(kāi)任何一根互連線(xiàn)，對(duì)全部信息包進(jìn)行解碼時(shí)，串行總線(xiàn)將這些信息包移入存儲(chǔ)器并中斷處理器，這是一種局部的中斷或事件。隨后微處理器將查看這些信息包，而不需要用驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行上述工作。系統(tǒng)將成為一種信息傳遞系統(tǒng)，而不是事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

外圍串行總線(xiàn)方式，如IEEE-1394/火線(xiàn)和USB(通用串行總線(xiàn))，已能成功應(yīng)用。某些供應(yīng)商準(zhǔn)備采用某種串行總線(xiàn)方式替代PCI(外圍器件互連)系統(tǒng)總線(xiàn)。例如，Intel公司在1998年秋季披露，下一代I/O(NGI/O)串行總線(xiàn)能替代個(gè)人計(jì)算機(jī)中的PCI總線(xiàn)。

為了適應(yīng)串行總線(xiàn)系統(tǒng)的要求，一些從事前沿技術(shù)研究的計(jì)算機(jī)公司，如Mercury Computer Systems公司正在研究光學(xué)底板及光學(xué)接口等技術(shù)。可以預(yù)料，光學(xué)鏈路將會(huì)在串行總線(xiàn)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

3　國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)總線(xiàn)接口的發(fā)展概況

在數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)中，世界上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列數(shù)控系統(tǒng)，便是一種串行總線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控系統(tǒng)。該系列數(shù)控系統(tǒng)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的性能引起了關(guān)注。其中配備18i系統(tǒng)的鉆削中心已在我國(guó)銷(xiāo)售。
根據(jù)日本FANUC公司提供的資料，我們以15i系統(tǒng)為例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

15i系統(tǒng)是目前世界上最高性能的CNC數(shù)控系統(tǒng)，最多可進(jìn)行24軸控制，可控制5軸機(jī)床完成如航空部件，模具等零件的高速、高精度加工。插補(bǔ)精度為1nm(被稱(chēng)為NANO插補(bǔ))，改進(jìn)加減速控制(Fine HPCC)，適應(yīng)高速、高精度加工的要求。

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和每臺(tái)伺服單元相連都需要一根電纜線(xiàn)，系統(tǒng)連接比較復(fù)雜。15i系統(tǒng)與各軸伺服單元是通過(guò)高速串行總線(xiàn)連接的，僅需一根光纜就可以連接8臺(tái)伺服單元。另外通過(guò)一根電纜即可與I/O模塊相連，I/O模塊可以擴(kuò)展。操作單元采用14＂彩色液晶顯示觸摸屏，用戶(hù)的機(jī)床操作可在觸摸屏上進(jìn)行，大大簡(jiǎn)化了電氣配線(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)連接非常簡(jiǎn)單，從而降低了成本和維修難度，提高了可靠性和靈活性。

該系列產(chǎn)品在市場(chǎng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，在未來(lái)幾年中FANUC i系列數(shù)控系統(tǒng)將逐漸取代FANUC 0系列數(shù)控系統(tǒng)，成為該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。

1990年德國(guó)一些著名的CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，與科研機(jī)構(gòu)共同發(fā)起成立了SERCOS協(xié)會(huì)，并制訂了串行實(shí)時(shí)通訊協(xié)議(Serial Real Time CommunicatiON Specification)，以便在德國(guó)建立一個(gè)統(tǒng)一的CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。1992年4月，該協(xié)議已經(jīng)被建議作為新的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)DIN/IEC44。目前該協(xié)議已經(jīng)被歐洲主要CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商所接受，引起國(guó)際同行業(yè)的重視。THOMSON公司已經(jīng)取得SERCOS接口硬件的生產(chǎn)許可，生產(chǎn)出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家使用。1997年日本也成立了SERCOS協(xié)會(huì)。

另外，歐洲的一些公司已推出具有CAN總線(xiàn)接口的伺服控制單元，并投入實(shí)際應(yīng)用。

4　我國(guó)的現(xiàn)狀和對(duì)策

在我國(guó)市場(chǎng)上，國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)仍占統(tǒng)治地位，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)還占據(jù)著市場(chǎng)的絕大部分份額，中國(guó)市場(chǎng)成為其落后技術(shù)及庫(kù)存的傾銷(xiāo)地。

雖然中華Ⅰ型、航天Ⅰ型、華中Ⅰ型等PCNC系統(tǒng)相繼推出，但總體設(shè)計(jì)仍未擺脫傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的框架，成本較高，目前還難以取代傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)地位。但隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不可避免地將被更具有競(jìng)爭(zhēng)力的串行總線(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)所取代。串行總線(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的方向，對(duì)串行總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)引起我們的高度重視。

在學(xué)習(xí)消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，盡快研究、建立有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，選擇適用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)控軟件、串行接口芯片和伺服系統(tǒng)，推出我國(guó)自主版權(quán)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，為參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)打下良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

5　結(jié)束語(yǔ)

串行總線(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，我們不能完全依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)、新方法的研究。國(guó)內(nèi)同行應(yīng)團(tuán)結(jié)一致，共同努力，聯(lián)合相關(guān)行業(yè)，尋求發(fā)展，振興我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。