CNC動態(tài)卡是怎樣以總線方式實現(xiàn)的？

1 引言

隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護(hù)性等都有更高的要求。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。1984年，現(xiàn)場總線的概念得到正式提出。IEC（International Electrotechnical Commission，國際電工委員會）對現(xiàn)場總線（Fieldbus）的定義為：現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。

現(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實現(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，同時將檢測系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機(jī)實現(xiàn)實時監(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，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)采集和計算中解決出來，從而可以更好的實施整個控制系統(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，同時由于現(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)的實現(xiàn)方案，同時這種總線有利于放開式系統(tǒng)的發(fā)展。

can最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，具有自動關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達(dá)40M /1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)實際可達(dá)110個。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。

can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）。現(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， 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：

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)計獨立于處理器， 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)計的一款高性能低價位的產(chǎn)品，同時作為控制電機(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，同時提高了系統(tǒng)性能。

由于dsp芯片和pc機(jī)都是控制器，他們對存儲器編址是不同的，為了統(tǒng)一編碼，在pci控制器和dsp之間要加一個雙口ram來連接2個控制器。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個地址4單元，1個存儲單元，對于pc機(jī)來說他就對對應(yīng)于一段內(nèi)存單元，對于dsp來說他可以對應(yīng)于一段片外存儲單元，這樣就解決了dsp和pc機(jī)之間的通信問題，本設(shè)計采用的是通用pc機(jī)加實時控制單元的遞階式結(jié)構(gòu)。采用放開式數(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，放開式結(jié)構(gòu)平臺（動態(tài)控制器）可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合連網(wǎng)需要，且具有與硬件無關(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，可滿足用戶個性化要求且保證高性能、低成本。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理

基于can總線動態(tài)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，從個人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)傳來的信息經(jīng)過緩存最終存儲到雙口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)存一樣將信息存儲到雙口ram，等待dsp的讀取，dsp定時從雙口ram中讀取pc機(jī)傳來的各種控制信息，dsp的主要功能是根據(jù)pc機(jī)送來得插補(bǔ)信息，通過插補(bǔ)算法形成伺服控制模塊能夠接受的動態(tài)信息，通過can總線將運(yùn)動信息傳遞到伺服控制器，通過伺服控制器來驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動，從而控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動。

在設(shè)計中由于pci9052，idt7024都是5v元件，tms2320lf2407屬于3.3v器件，同時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信號轉(zhuǎn)變?yōu)?.3v信號，如圖2，由于dsp內(nèi)嵌can控制器，所以外部只需要一個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

放開式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pci動態(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，需要解決如下幾個關(guān)鍵問題：

（1）保證系統(tǒng)相應(yīng)的實時性

系統(tǒng)對外界信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時間內(nèi)作出響應(yīng)，本控制系統(tǒng)是利用windows中斷保證實時響應(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，互斥是針對不可共享資源的訪問問題，如大多數(shù)外部設(shè)備和共享的可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，同步是指任務(wù)之間的協(xié)同工作，任務(wù)之間的相對速度有不可預(yù)見性，必須由任務(wù)通信機(jī)制達(dá)到同步；

（4）提供定時和延時

定時和延時功能一般由時鐘提供，cnc系統(tǒng)大部分任務(wù)都是依據(jù)定時或延遲條件來激活。

5 驅(qū)動程序

5.1 獲取系統(tǒng)分配的配置資源

對于即插即用型設(shè)備，系統(tǒng)都是動態(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)動程序需要解決的首要問題。在pci的配制周期機(jī)制中，主橋路提供了兩個寄存器用于對配置空間的操作，第一個是配置空間基地址寄存器canfig-address，雙字地址是cf8h，第二個是配置空間數(shù)據(jù)緩沖寄存器config-data，地址是cfch，對配置空間的操作是通過輸入一個值到設(shè)備的config-data寄存器，在此之后如果對config-data寄存器進(jìn)行讀寫操作，pci控制器就會將config-address寄存器中的值轉(zhuǎn)換成pci總線上所需要的配置周期。

5.2 vxd與應(yīng)用程序的通訊

vxd運(yùn)行在系統(tǒng)ring0級，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（）來實現(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個命令代碼，分別用于對雙口靜態(tài)ram的讀寫操作和vxd對win32應(yīng)用程序異步過程調(diào)用時回調(diào)函數(shù)地址傳輸。

另外，由于采用中斷方式對dsp處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，所以中斷事件發(fā)生時， 需要vxd異步通知win32應(yīng)用程序，設(shè)計時在應(yīng)用程序中創(chuàng)建了兩個線程，一個用于等待中斷事件，當(dāng)中斷事件發(fā)生時，讀取dsp送到雙口ram中數(shù)據(jù)，另一個用于顯示數(shù)據(jù)。

5.3 訪問i/o以及內(nèi)存

在s599的串行存儲器中，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個自己的i/o空間，基地址寄存器badro對應(yīng)s5933內(nèi)部16個雙字節(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，即可得到存儲器空間基地址和i/o端口基地址。

5.4 處理中斷

當(dāng)dsp處理數(shù)據(jù)寫滿2k的存儲器空間時pci將產(chǎn)生中斷，中斷信號從配置空間寄存器中讀出，pci設(shè)備分配的硬件中斷信號是共享中斷，必須使用類vsharedhardwareint的中斷通知事件處理函數(shù)onsharedhardwareint（）。

6 應(yīng)用程序的編寫

6.1 人機(jī)接口模塊

使用vc編寫基于pci總線動態(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（），將界面上對數(shù)控機(jī)床的各個參數(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，完成將上位機(jī)輸入信息解釋成下位機(jī)dsp能夠執(zhí)行的語言，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

實現(xiàn)pci控制卡與現(xiàn)場總線上的plc模塊之間的通訊，由于can總線的特點是可以將對plc模塊的控制作為一個應(yīng)用模塊做在pci控制卡上，從而實現(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)動學(xué)算法模塊，將運(yùn)動平臺在操作空間的運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g的伺服運(yùn)動，實時生成刀具的運(yùn)動軌跡，并將各伺服軸的移動指令送給伺服模塊。

6.5 運(yùn)動算法模塊

主要為伺服驅(qū)動提供逆解、速度映射算法，為加工狀態(tài)的實時仿真及精度補(bǔ)償提供正解算法。

7 結(jié)語

采用pc+動態(tài)控制卡模式，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的放開式設(shè)計方法開發(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，同時基于組件技術(shù)，界面友好，操作方便，進(jìn)行軟件升級以及用戶進(jìn)行二次開發(fā)都比較方便。