基于現場總線的可重構數控系統的研究

引言

數控系統的開放性、可重構設計、模塊化、網絡化是當前數控技術領域研究的熱點。開放式數控的技術本質是標準化，它的目標是把復雜的數控技術產品體系分割開，形成公認的模塊化構件，讓更多的廠商能夠參與到數控技術的廣闊市場中來。顯然，模塊化是開放式控制的原始基礎和技術雛形，而實現這一目標的前提是共同制定一個產品的標準，準確地說，就是制定一個共同遵循接口的標準，以實現龐大數控系統架構的分解和集成。

可重構數控的技術本質是柔性化。其實際上和原有的柔性制造系統一脈相承，只不過加入了管理學和運籌學的技術內容。不同的是，這種管理過程不是完全由人來主導，而是在人預先定義的決策下，由控制系統本身按照某種程度的自動化來實施的，其目標是系統實現從一種形態(tài)轉變成另一種形態(tài)。重構后的系統，可適應新的制造環(huán)境，或提供更優(yōu)化的效率，這正是柔性制造的核心內容。隨著高集成度、高速度和具備硬件可重構能力的現場可編程門陣列(Field Programmable Gates Array，FPGA)器件的出現，利用其實現可重構數控系統是一條快速、簡捷、可靠的途徑。

隨著工業(yè)現場環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數控系統所包含的控制器、驅動器、輸入輸出模塊、傳感器、執(zhí)行器之間需要更多的信息交互。采用傳統的模擬通道和并行連線的方式，不僅使得數控系統整體結構復雜，而且在信息交互密集的控制任務下，實時性無法得到保證，由此造成了數控系統控制能力的不可靠。另一方面，一些已經具備獨立性的功能模塊迫切需要建立自己的處理運算體系，需要單獨的控制器和運算器的支持，以一種全新的優(yōu)化方式和拓撲結構融入到數控系統的功能框架中，形成具備網絡特征的數控系統控制網絡，以使得數控系統在功能實現、現場配置、資源優(yōu)化方面適應生產過程自動化和控制流程自動化的柔性、復合型和綜合處理能力等多方面的技術和應用需求。

由此，筆者提出了一種基于現場總線(Processfield bus—DP，PROFIBUS—DP)的可重構開放式數控系統。

1基于先進精簡指令集微處理器和運動控制芯片的可重構數控系統平臺的構建

1．1 基于先進精簡指令集微處理器和運動控制芯片的數控系統的設計

由于采用精簡指令集計算機(Reduced Instruc—tion Set Computer，RISC)架構的先進精簡指令集微處理器(Advanced RISC Microprocessor，ARM)具有如下特點：①體積小、低功耗、低成本、高性能；②支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位／16位器件；③大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；④大多數數據操作都在寄存器中完成；⑤尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；⑥指令長度固定。因而，在本系統設計中，采用ARM的全數字式的控制，可以實現生產過程的數字化與高速高精度。

為縮短開發(fā)周期，提高控制性能和系統可靠性，在系統設計中采用了運動控制芯片MCX314AS。MCX314AS是性能優(yōu)良、接口簡單、編程簡單且工作可靠的運動控制專用芯片，該芯片能夠控制4軸，并實現4軸3聯動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，可實現直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補。所有插補計算由芯片完成，且多軸插補控制功能特別突出。

系統硬件采用主從式雙CPU結構模塊化設計，分為基于ARM和現場總線的主控模塊、基于MCX314AS的運動控制模塊、基于FPGA的可配置模塊、交互模塊和網絡模塊。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤、顯示、文件存取、網絡通訊等管理工作；而從CPU為MCX314AS運動控制芯片，專門負責完成復雜的運動控制的處理工作。

MCX314AS與ARM的通訊是靠讀寫總線上的幾個地址來進行指令和數據的傳輸。圖1為基于這種思想開發(fā)的數控系統結構框圖。

圖1 主輕系統結構框圖

1．2可重構制造系統的設計

可重構制造系統能夠通過重組或改變自身部件，快速調整生產能力和功能，以適應新的生產環(huán)境需要。美國國家研究委員會(National ResearchCouncil)發(fā)表了題為《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)設想》的報告，其中將可重構制造系統列為優(yōu)先考慮的領域之一。對一個制造系統來說，要想滿足系統重構要求，它的子系統或部件應具有重構能力，而作為制造系統的關鍵單元，數控系統也必須具備重構能力。就重構角度而言，把能夠通過重組或改變自身構件，快速調整控制能力，以適應制造系統整體重構需要的數控系統稱為可重構數控系統。在可重構數控系統的研究方面，國內外主要采用軟件的途徑，而隨著FPGA的出現，利用其構造數控系統的控制內核，并充分利用它的硬件可重構性，實現數控系統功能的重構，是可重構數控系統硬件實現的一條途徑。

按照文獻[3]對可重構制造系統特征的定義，可重構數控系統具備模塊化、可集成、可轉換、可維護和可定制的特征。采用FPGA構建的數控系統能夠很好地體現這些特征。

(1)模塊化可對數控系統按功能劃分模塊，然后采用硬件描述語言進行邏輯描述，制成專門的數控IP。

(2)集成化使用專門的綜合軟件，將從其他IP供應商購買到的IP和自己開發(fā)的數控IP集成為數控系統。

(3)可配置FPGA是基于靜態(tài)隨機存儲器(Static Random Access Memory，SRAM)編程的，而硬件描述語言支持參數化設計，只要模塊接口定義開放，也可以通過修改數控IP和整合不同的IP來改變設計，下載不同的配置數據以實現柔性化的設計。

(4)可定制FPGA能夠通過裁減和重整不同的IP，實現數控系統的功能定制，滿足特定的加工要求，避免功能的冗余。

(5)可維護性FPGA能夠實現在系統編程和在系統重構，因而可以通過重新下載配置數據，實現系統本地或遠程升級與維護。

FPGA的上述優(yōu)點可滿足實現數控系統重構的硬件需要。當數控系統根據用戶需求對伺服驅動或邏輯開關量等外部硬件進行擴展或重構后，FPGA在外部邏輯的控制下可通過對存儲于E2PROM存儲器中的FPGA配置數據重新下載，實現內部邏輯電路更新，從而使數控系統的邏輯電路也完成相應的重構。

基于FPGA的可重構設計，可按需要實時地調整系統的控制邏輯，因而可大大增加計算機數控(Computer Numerical Control，CNC)系統的柔性和現場可重構性。如圖2為基于FPGA的可重構系統的結構框圖，系統可實現對數控鏜床、數控鉆床、數控銑床和數控車床的重構設計。