開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)高水平數(shù)字化裝備的保證。其核心是開放式，即系統(tǒng)模塊與運行平臺的無關(guān)性、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作性和人機界面及通信接口的統(tǒng)一性。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

　　我國在20世紀(jì)90年代中期已開始了具有自主知識產(chǎn)權(quán)和一定開放性的數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)，代表產(chǎn)品有華中I型、中華I型、航天I型和藍天I型。其均以PC為平臺構(gòu)成的總線式、嵌入式、多通道的結(jié)構(gòu)，雖然具有一定的開放性，但還不具備開放數(shù)控的本質(zhì)特征，主要問題在于沒有解決開放式數(shù)控系統(tǒng)的平臺問題。各系統(tǒng)所采用的體系結(jié)構(gòu)仍是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，所謂開放仍停留在PC平臺的開放層次上。其次是軟件開發(fā)思想與技術(shù)落后，沒有充分利用面向?qū)ο?、軟件重用等軟件工程的新理論、新技術(shù)，而這些正是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)開放性的關(guān)鍵所在。近年來，以華中科技大學(xué)的學(xué)者為代表提出了一種基于“軟件芯片”開放式數(shù)控的實現(xiàn)模式，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的繼承和派生原理，提高數(shù)控軟件的重用性。

　　由于PC+I／0的軟件化結(jié)構(gòu)具有較大技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，已逐漸成為當(dāng)前Pc數(shù)控系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)。在PC+I/O軟件化數(shù)控系統(tǒng)中，PC數(shù)控裝置的主要數(shù)控功能全部由軟件來實現(xiàn)，因此可有效消除自制硬件帶來的可靠性差、成本高等問題。開發(fā)基于Pc+I／O軟件化開放式數(shù)控系統(tǒng)，可以對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級換代，進一步減少硬件規(guī)模、降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)。

1 PC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析

　　經(jīng)過近20年的發(fā)展，基于PC的通用計算機數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成多種類型。從體系結(jié)構(gòu)上看，基本可以分成以下幾類：(1)NC+PC的復(fù)合式結(jié)構(gòu)；(2)PC+NC的遞階式結(jié)構(gòu)； (3)PC+I／O的軟件化結(jié)構(gòu)；(4)PC+功率接口的集成化結(jié)構(gòu)；(5)pC+實時網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)。

　　NC+PC的復(fù)合式結(jié)構(gòu)是一種由專用數(shù)控裝置與通用PC相結(jié)合構(gòu)成的雙平臺復(fù)合結(jié)構(gòu)，設(shè)計思想是：將專用Nc與通用PC通過高速信息交換通道連接在一起，組成一個既具有專用數(shù)控特點又具有現(xiàn)代PC風(fēng)格的復(fù)合式控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是可以保持原有數(shù)控基礎(chǔ)，發(fā)揮廠家在以硬件專用芯片實現(xiàn)特殊控制功能等方面的優(yōu)勢，且技術(shù)上容易保密，因此多為一些老的數(shù)控廠商或?qū)嵙^強的廠家所采用。這類系統(tǒng)的最大缺點是開放性有限、開發(fā)和生產(chǎn)成本較高、技術(shù)升級換代較慢。

　　PC+NC的遞階式結(jié)構(gòu)是以PC為基礎(chǔ)，在其上擴展各類數(shù)控系統(tǒng)模塊所形成的一種PC數(shù)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。與NC+PC結(jié)構(gòu)不同，PC+NC結(jié)構(gòu)的重心在PC，組成系統(tǒng)所需的其他模塊將根據(jù)被控對象的要求靈活確定，具有良好的開放性。但這類系統(tǒng)也存在一些缺點，最突出的就是系統(tǒng)組成單元和模塊較多，各單元和模塊間，特別是實時控制單元與伺服驅(qū)動單元間的信息交換，往往成為阻礙系統(tǒng)性能提高的瓶頸。

　　隨著PC硬件技術(shù)水平的提高和數(shù)控軟件設(shè)計水平的提高，一種新的PC數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——PC+I／O的軟件化結(jié)構(gòu)正逐漸發(fā)展起來，目前已呈現(xiàn)PC+NC遞階式結(jié)構(gòu)將被PC+L／0軟件化結(jié)構(gòu)所取代的趨勢。由于PC+I／O的軟件化結(jié)構(gòu)具有較大的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，已逐漸成為當(dāng)前PC數(shù)控系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)。

　　基于數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的趨勢及企業(yè)在數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化自主研發(fā)的需求，作者以PC+I／O軟件化結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)為項目重點進行了研究。

2 PC+I／O軟件化結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想

　　采用功能更為強大的PC硬件平臺和更有效的實時程序設(shè)計技術(shù)，將PC+NC系統(tǒng)中NC部分的控制功能(由單片機和DSP加硬件完成的進給軸運動控制、主軸運動控制、開關(guān)量控制等)納入到PC平臺中，由PC的主CPU來完成，從而減少PC數(shù)控系統(tǒng)的硬件規(guī)模，使PC數(shù)控的硬件系統(tǒng)僅為PC硬件平臺加少量的I／O接口。

　　PC+I／O的軟件化數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1PC+I／0軟件化數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 硬件平臺的構(gòu)建

　　系統(tǒng)硬件平臺由通用PC機、SoftsERcANs被動式主站卡、帶SERCOS接口的伺服驅(qū)動器、伺服電動機、光纜若干等構(gòu)建。

　　準(zhǔn)備工作如下：

　　(1)將伺服驅(qū)動器與伺服電動機用專用光纜連接；

　　(2)將SoftSERCANS被動式主站卡插在PC機的PCI插槽上；

　　(3)按規(guī)定的方式用光纜把伺服驅(qū)動器和softSERCANS被動式主站卡相連；

　　(4)驅(qū)動器地址設(shè)置。

　　2.2 軟件平臺的構(gòu)建

　　系統(tǒng)軟件平臺由windows xP操作系統(tǒng)、Vc++6．0、softsERcANs驅(qū)動軟件、RTX實時擴展軟件等構(gòu)建。

　3 若干關(guān)鍵技術(shù)的解決方案研究

　　3.1 Windows操作系統(tǒng)的實時化

　　windows操作系統(tǒng)是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)，但不是一個實時操作系統(tǒng)。由于友好的人機界面和允許多任務(wù)的并行處理，越來越多的數(shù)控系統(tǒng)以Windows作為操作平臺，這就需要解決Windows操作系統(tǒng)的實時化問題。

　　解決windows操作系統(tǒng)的實時化問題主要可以考慮兩種方法：(1)在Ring3層開發(fā)數(shù)控軟件，通過設(shè)置wiIl32定時器并通過相應(yīng)WM-TIMER消息來實現(xiàn)實時處理，或者采用Windows多媒體定時器通過設(shè)置回調(diào)函數(shù)可以獲得最高精度1 ms的定時信號。這種方法容易占用較多系統(tǒng)資源以及造成系統(tǒng)實時處理不穩(wěn)定，且在實現(xiàn)高精度實時化方面存在問題； (2)直接在Ringo層通過軟件設(shè)計WDM驅(qū)動程序來響應(yīng)時鐘中斷，即通過引入外部定時時鐘中斷的方法，在操作系統(tǒng)的內(nèi)部通過編寫系統(tǒng)WDM程序來響應(yīng)這個外部中斷。

　　　PC+I／O的軟件化數(shù)控系統(tǒng)高精度定時時鐘解決方案，即在Pc機的外部提供一個高精度的定時中斷源，在PC機一側(cè)則是利用ISA總線通過中斷IRQ5接入PC機，在windows操作系統(tǒng)內(nèi)部通過wDM程序來響應(yīng)這個外部中斷。

　　3.2 底層通信和實時控制

　　底層通信和控制系統(tǒng)是數(shù)控裝置與執(zhí)行裝置間進行信息交換的通道，是保證數(shù)控系統(tǒng)可靠高效運行的中樞，在數(shù)控系統(tǒng)中具有非常重要的地位。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一般通過模擬信號線、脈沖信號線、RS232串行通信等方式來實現(xiàn)底層通信功能。這種數(shù)控裝置(數(shù)字控制器)與執(zhí)行裝置(伺服驅(qū)動器)間的信息傳遞存在連線多、可靠性差、速度慢等問題。SERCOS總線應(yīng)運而生。

　　SERCOS是一種串行實時通信協(xié)議，是一種運動控制總線，把運動控制器和驅(qū)動器連接起來。SERcOs接口具有以下應(yīng)用特點：(1)環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)使配線減少到最少，使用光纜使系統(tǒng)避免了電磁干擾并保證了同步高速數(shù)據(jù)交換率；(2)在標(biāo)準(zhǔn)化的運行環(huán)境下交換所有的數(shù)據(jù)、參數(shù)和指令；(3)使眾多診斷數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定成為可能；(4)來自不同制造商的cNc和伺服系統(tǒng)能結(jié)合使用。

　　3.3 SERCOS的網(wǎng)絡(luò)組成

　基本的SERCOS網(wǎng)絡(luò)由一個主站和若干個從站組成。主站為系統(tǒng)的主控制器，如cNC裝置、FMC控制器等。從站為系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，如進給伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動系統(tǒng)、PLC輸入輸出裝置等。SERCOS采用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，以光纜作為物理層的傳遞介質(zhì)。站點間最大距離為40 m，最大從站數(shù)為254，通信速度可達16 Mbi/s。

　　3.4 SERCOS報文類型

　　控制器與驅(qū)動器之間所有數(shù)據(jù)交換都是通過報文來進行的。sERCOs接口協(xié)議定義了3種報文類型：

　　(1)主控同步報文MST。由主站在傳輸周期開始時廣播MST，用來保證每個周期時序同步。

　　(2)主控數(shù)據(jù)報文MDT。由主站在一個周期內(nèi)所規(guī)定的時期內(nèi)發(fā)送一次，用來把命令值數(shù)據(jù)從控制器發(fā)送到驅(qū)動器。

　　(3)驅(qū)動器報文AT。由每一個從站(驅(qū)動器)分別發(fā)送，用來把反饋值數(shù)據(jù)從驅(qū)動器發(fā)送到控制器。

　　3.5 SoRSERCANS

　　SoftsERcANS實質(zhì)上是一個sERcOs接口的軟件驅(qū)動器，其在全面實施sERcOs協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了與應(yīng)用軟件通信的DLL接口。S0ftSERCANs只需要一張被動式主站卡，其向運動控制器提供的通信接口是一個動態(tài)鏈接庫(DLL)。用戶只需要掌握DLL函數(shù)及相關(guān)參數(shù)的使用方法，就可以設(shè)計數(shù)控應(yīng)用軟件。要想在PC數(shù)控系統(tǒng)中使用SoftsERcANs被動式主站卡，需要對操作系統(tǒng)平臺進行實時化擴展，可以通過在Ringo層編寫WDM設(shè)備驅(qū)動程序來實現(xiàn)，也可以通過一些windows實時擴展軟件來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

　　通過對PC+I／O的軟件化數(shù)控體系的研究，探討了數(shù)控系統(tǒng)實時化的解決方案以及底層通信和運動控制方案，提出了一種基于PC+I／O軟件化開放式數(shù)控系統(tǒng)框架；在方案實施的技術(shù)路線上，利用Vis．ual C++開發(fā)工具開發(fā)軟件模塊，構(gòu)成模塊庫，利用cOM技術(shù)將這些模塊編制成為在windows環(huán)境下運行的cOM組件。數(shù)控系統(tǒng)中另一部分實時任務(wù)在RTX環(huán)境下完成，考慮RTX可能不支持COM技術(shù)，利用與win32 DLL功能類似的RTDIJL解決，其可以在RTX環(huán)境下動態(tài)地加載或卸載。具體的實現(xiàn)已在下一步的工作中深入進行。