串行總線計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

   1　前言

   在數(shù)控系統(tǒng)中，個人計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)越來越緊密地結(jié)合，由此而產(chǎn)生的具有開放性的PCNC數(shù)控系統(tǒng)，正在取代傳統(tǒng)形式的數(shù)控系統(tǒng)，并成為市場的主流產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)總線結(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　串行總線的優(yōu)點(diǎn)

   同并行總線相比，串行總線具有許多優(yōu)點(diǎn)。串行總線連接引腳數(shù)量少，連接簡單，成本較低，系統(tǒng)可靠性高。串行總線對系統(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)。

   對于高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，串行總線比并行總線更容易使用。在并行總線中，傳輸數(shù)據(jù)的各個位必須處于一個時鐘周期內(nèi)的相同位置，頻率越高，對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，使用串行總線時，數(shù)據(jù)的各個位是串行傳輸?shù)摹Ｔ诖锌偩€設(shè)計(jì)時，既可以嵌入時鐘信號作為同步信號，也可以采用鎖相環(huán)的時鐘恢復(fù)方式；同并行總線相比，串行總線的傳輸線效應(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)，不需要編寫驅(qū)動程序。當(dāng)斷開任何一根互連線，對全部信息包進(jìn)行解碼時，串行總線將這些信息包移入存儲器并中斷處理器，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)動系統(tǒng)。

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

   為了適應(yīng)串行總線系統(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)鏈路將會在串行總線系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。


   3　國外數(shù)控系統(tǒng)總線接口的發(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銷售。

   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)和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統(tǒng)連接比較復(fù)雜。15i系統(tǒng)與各軸伺服單元是通過高速串行總線連接的，僅需一根光纜就可以連接8臺伺服單元。另外通過一根電纜即可與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，用戶的機(jī)床操作可在觸摸屏上進(jìn)行，大大簡化了電氣配線，整個系統(tǒng)連接非常簡單，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)品在市場中具有很強(qiáng)的競爭力，在未來幾年中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，并制訂了串行實(shí)時通訊協(xié)議(Serial Real Time Communication Specification)，以便在德國建立一個統(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標(biāo)準(zhǔn)和國際標(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。

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


   4　我國的現(xiàn)狀和對策

   在我國市場上，國外數(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)著市場的絕大部分份額，中國市場成為其落后技術(shù)及庫存的傾銷地。

   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)的市場地位。但隨著個人計(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爭力的串行總線計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)所取代。串行總線計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控系統(tǒng)未來發(fā)展的方向，對串行總線系統(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)時操作系統(tǒng)，開發(fā)相應(yīng)的數(shù)控軟件、串行接口芯片和伺服系統(tǒng)，推出我國自主版權(quán)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，為參與國際市場競爭打下良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。


   5　結(jié)束語

   串行總線計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，我們不能完全依賴國外進(jìn)口，應(yīng)加強(qiáng)對新技術(shù)、新方法的研究。國內(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，振興我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

　

作者單位

鄭立新，北京朝陽區(qū)東直門外望京路4號，北京機(jī)床研究所數(shù)控工程中心，郵編：100102

參考文獻(xiàn)

1，郇極.CNC系統(tǒng)數(shù)字伺服接口協(xié)議SERCOS.機(jī)械工業(yè)自動化，1997，19(2)
2，JEEE CHILD.未來的計(jì)算領(lǐng)域：串行總線革命如火如荼.電子設(shè)計(jì)(中文版)，1999(3)