开放式数控的研究

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,开放式数控研究,ITC,开放式数控的研究,刘 青,西安交通大学机械工程学院,工程训练中心,数控研究小组工作汇报,2024/9/16,开放式数控研究,规划,（1）数控系统发展背景、系统的设计方案,（2）主要讲,RTOS,的工作原理和,MMU,（3）ARM,系统的工作原理和,DRIVER,的编写,（4）,DSP,的工作原理和算法移值,（5）RTOS,的移值和实时联调,2024/9/16,开放式数控研究,数控系统发展背景、系统的设计方案,第一讲,数控系统发展背景、系统的设计方案,进入,2024/9/16,开放式数控研究,目录,（1）数控技术的发展历史。,（2）国内数控的研究情况。,（3）数控设备的发展趋势。,（4）开放式,CNC,的产生。,（5）开放式数控的特点。,（6）开放式数控的发展现状。,（7）本课题研究背景和设计思想。,（8）本课题研究目标硬件设计。,（9）本课题研究目标软件设计。,2024/9/16,开放式数控研究,目录,（10）本课题研究目标扩展设计。,（11）系统开放性的描述。,（12）实时和非实时操作系统的比较。,（13）,RTOS,的选择。,（14）,PCNC,的阐述。,（15）,IPCNC,的简述。,（16）基于,PC,的数控系统的组成。,（17）系统的网络拓扑,（18）硬件设计,2024/9/16,开放式数控研究,（19）系统硬件平台的设计（主控）。,（20）,DSP,多轴运动控制卡的设计。,（21）各模块的接口协议和通讯。,（22）系统反馈环节的选择。,（22）,CPLD,实现4倍频和辩向。,（23）,CPLD,实现高速计数。,（24）,CPLD,实现变频。,（25）致谢,目录,2024/9/16,开放式数控研究,数控技术的发展历史,（1）1952,研制了世界第一台三坐标立式数控铣床。,（2）50-60年代，发展到,NC（,硬件数控）阶段。,（3）70年代， 发展到,CNC（,计算机数控）阶段。,（4）80年代，出现高速高精度,CNC,的开发和应用阶段。,（5）90年代，基于,PC,的开放式,CNC,的开发与应用。,（6）当代，主要是基于,PC,的,CNC,开放式系统，软件有所提高。,数控技术的发展,2024/9/16,开放式数控研究,国内数控研究情况,（1）1958 开始起步。,（2）50-60,年代，处于研发阶段。,（3）60-70年代，研制了晶体管式数控系统。,（4）80年代，引进设备，进行技术吸收更新。,（5）80-90年代（七五），数控大发展的阶段。,（6）90年代，中国有自主产权的中高档数控设备产生。,（7）1995，高校和研究所加入，推出了基于,PC,的,CNC,系统。,（8）当今，着重研究高档数控设备。,国内数控研究情况,2024/9/16,开放式数控研究,数控设备的发展趋势,（1）,高速度、高精度发展,。,（2）,集成化和智能化,。,（3）,可靠性更高,。,（4）,开放化和,PC,化,。,（5）,具有更好的通讯功能。,数控设备的发展趋势,2024/9/16,开放式数控研究,开放式,CNC,的产生,（1）,CNC,都采用封闭式结构。,（2）,由于控制器功能与机床功能不匹配。,（3）用的硬件结构也限制了系统的本身的持续开发，更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。,（4）数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化频繁，竞争加剧的形式。,为了解决这个问题，提高数控系统的开放性变的非常重要，人们提出开放式数控系统,的概念,开放式,CNC,的产生,2024/9/16,开放式数控研究,开放式系统特点,（1）,互操作性,：,提供一个统一标准的通讯系统来实现各模块间的数据交换。,（2）,可移值性,：,应用程序可在不同的平台上运行。,（3）,伸缩性,：,可任意删除各功能模块,。,（4）,可交换性,：,可任意互换功能模块,。,开放式系统的特点,2024/9/16,开放式数控研究,开放式数控设备的发展现状,（1）美国的,NGC,和,OMAC,计划,。,（2）,日本的,OSEC,计划,。,（3）,欧盟,OSACA,计划。,目前开放式数控尚未形成商业化产品。,开放式数控设备发展现状,2024/9/16,开放式数控研究,美国的,NGC,和,OMAC,计划,（1）,NGC,是里根政府为了提高制造业，提出的广泛的合作关系，提出了,NGC,发展计划，是由,NCMS,（,美国国家制造中心）和空军共同实施的。,（2）,NGC,目标：为下一代开放式数控设备的控制器提供一个标准。不同的工程师可以开发出不同的互换性部件。,1994,年转入工业生产。,（3）,OMAC,计划：美国的,FORD,GM,CHRYSLER,等公司在,NGC,的领导下，提出了,OMAC,（,OPEN MODULER ARCHITECTURE CONTROLLER,）,（4）,主要计划：定义系统基础结构，信息库管理，任务调度，人机接口，运动控制，传感器接口等标准,API。,构成了完毕的体系结构。有利于系统的二次开发 。,（5）,PMAC,卡,：,DELTA TAU,公司在,NGC,和,OMAC,计划的领导下，成功提出了具有良好特性的多轴运动控制卡,。,（6）,PMAC,卡和,PC,之间的接口，双口,RAM,，,并行总线，串口等多种信息交换接口。,提供了丰富的,I/O,设备、电机接口、能与交直电机连续实现运动控制,，,该卡提供了丰富的接口函数。,2024/9/16,开放式数控研究,日本的,OSEC,计划,（1）,日本是一个数控设备生产大国，仅,FANUC,公司每年生产的数控系统占世界的,50%,。,（2）,为了保持世界的领先地位,，,1994,年，,6,家日本的企业开始,OSEC,计划（,OPEN SYSTEM ENVIRONMENT,），,提出了两种版本,。,（3）主要思想：,1),进化:,发展原有的思想,利用最新的技术去更新原有的思想,。,2),尽量做到软件的组态化: 以提高系统的互操作性、可扩展性、可配 置性和可移植性。,3)尽量利用计算机技术 。,2024/9/16,开放式数控研究,欧盟,OSACA,计划,（1）欧洲人的策略是联合百家之长，积极吸引世界上各种新技术，提出一个著名的计划：开放式自动化控制系统体系,。,（2）,思想：以平台为基础，有一组逻辑、离散的组件组成，控制系统本身不带有平台信息，而组件与平台之间定义了很好的接口，允许不同供应商提供的组件之间的协调工作，正确工作的控制器可运行于不同的系统平台之上。,（3）,OSACA,的核心部分：通讯系统，它屏蔽了操作系统的差异，保证了个功能单元（,AO,）,的可移值性和互操作性以及系统配置文件的通用性。对外接口是,API,。,（4）,OSACA,体系结构的主要目标：,1）,系统硬，软件平台定义统一标准，功能可由用户选择和配置；用户可以开发出自己的应用程序或使用第三方提供的程序。,2）在适应有特殊要求的机床控制时，要缩短开发时间，增加灵活性；,2024/9/16,开放式数控研究,CNC,都采用封闭式结构,软件和硬件不兼容,交互、通讯机制不同,2024/9/16,开放式数控研究,由于控制器功能与机床功能不匹配,特有的东西加入不了数控系统,数控设备没有标准接口,机床生产厂家,控制器生产厂家,产品升级、服务、更换部件和增加新功能必须找控制器厂家,咨询,2024/9/16,开放式数控研究,本课题研究的背景和设计思想,(1) 我国发展数控系统的起步较早，但大多数为简易数控，已不能适应市场的要求。,（2）引进和消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但无法从根本上解决自主开发数控系统的问题 。,（3）利用现有的资金、资源、人才与技术，研制我国自己的嵌入式实时多任务数控系统。开发自主知识产权,CNC,系统的一个可行的途径。,（4）基于,PC,的数控系统大都是以通用操作系统作为软件平台，虽能提供最优化的全局性能和便捷的计算机资源，但不能满足数控系统实时性要求。,（5）实时,Linux,版本出现为,PC,化数控系统的软件平台提供了一个好的选择 。,（6）以,PC,机为硬件平台在实时,LINUX,环境下开发开放式数控系统，是一项紧跟数控发展前沿的开拓性开发工作 。,（7）摆脱,PC,硬件对我们的不开放。,课题研究背景和设计思想,2024/9/16,开放式数控研究,本课题研究目标 硬件设计,1 硬件平台,方案采用：,ARM CPU+DSP+FPGA+,伺服装置+,双口,RAM,实现。,（1）,利用,DSP,完成多轴控制卡（控制的轴数可以扩展，并实现多轴联动）。,（2）完成硬件平台的建立，包括多层电路板的设计和调试。,（3）,FPGA,实现,I/O,输入，变频，倍频等。,（4）,DSP DRIVER,（,控制和算法的实现）,（,C+ASM,）。,（5）,ARM DRIVER,。,本课题研究目标,2024/9/16,开放式数控研究,本课题研究目标软件设计,1 软件平台,方案：,RTLinux,+,控制算法,+,插补算法,+,应用软件,+,BSP,。,（1）,裁减,Linux,，,完成,TCP/IP,通讯协议，图形显示，文件系统的裁减，以便于工业控制,。,（2）,利用,RTLinux,实时模块对通用,Linux,系统进行实时化,。,（3）,在,RTLinux,系统本身提供的强大网络功能组件的基础上实现,CNC,系统的网络通讯功能。,（4）利用,RTLinux,提供的开发函数库，完成对数控加工过程的速度控制、插补算法、位置控制、实时状态反馈等功能。,（5）利用,C,语言和,GNOME/GTK+,库以及,GCC,编译器实现人机界面，包括数控程序的编译、译码、数控加工的状态显示、参数设置、仿真模拟等。,本课题研究目标,2024/9/16,开放式数控研究,1 软件平台（续）,（6）熟悉,BSP（,Borad,Support Package）,的原码和,RTLinux,内核原码。,（7）利用师兄们好的控制算法（位置反馈和速度反馈）。,（8）利用空间自由曲面设计理论完成五轴的空间插补算法。,（9）实现数控设备自我描述和协议通明。,（10）利用,CORBA，COM+,技术易于实现系统分布化和组件化。,本课题研究目标软件设计,本课题研究目标,2024/9/16,开放式数控研究,本课题研究目标扩展设计,（1）,利用,ARM BSD,变种,：,实现强大的视频功能实施现场监控和自动刀具的磨损监测。,（2）,利用,ARM,的,J,变种 ：,实现在我们系统硬件平台上跑,JAVA,程序。,（3）,利用,ARM,的,E,变种,：,实现代替,DSP,的功能。,（4）,实现远程图形直接传输加工。,本课题研究目标,2024/9/16,开放式数控研究,系统开放性,的描述,（1）,采用自己设计的硬件平台，摆脱了,PC,低层硬件设计对我们不开放。使我们可以自己裁剪系统的硬件，简化了系统的硬件设计。,（2）,Linux,系统是开放式代码的，这就允许用户按照自己的需求对系统进行定制开发。特别对工业系统来，好多通用的操作系统的功能是我们不需要的，如果不对进行裁剪，会影响整体性能。,（3）,RTLinux,内核是对外开放的，我们可以自己编写,OS,的任务调度程序。,（4）,提供开放式结构的功能接口。用户可以选择不同的功能模块和接口，进行后期开发。,（5）,使用,CORBA,，,COM+,，,Bonobo,技术，可以实现软件的重组，加速数控机床的开发，易于,CNC,系统的分布化和组件化。,（6）,摆脱了通用的多轴运动控制卡，对低层的算法程序对我们不开发。,（7）,可以在我们自己的系统跑我们自己好的控制算法以及插补算法。,系统开放性的描述,2024/9/16,开放式数控研究,系统开放性,的描述（续）,（8）,实现机床的即插即用，协议互联。,（9）,用户界面开放，用户可以定制用户界面内容和形式。,（10）,可移植性，,RTLinux,支持的,POSIX,接口，有利于将通用模块以库函数的形式移植到其它项目和系统中。,（11）,RTLinux,支持,TCP/IP,，,PPP,，,SLIP,协议，对,CNC,的网络化提供技术支持。,（12）,硬件平台运行的操作系统和应用程序，可以通过网络进行软件的在线升级，利于我们系统的程序维护。,（13）由于,ARM,系列,CPU，,有多种版本，出现多种变种，主频从几十兆到几千兆，但系统的软件是向下兼容的。有利于利用硬件的升级。,系统开放性的描述,2024/9/16,开放式数控研究,实时和非实时操作系统的比较,1 非实时的操作系统,（1）,DOS,（2）Windows,2 嵌入式实时的操作系统,（1）,VxWorks,（2）,pSOS,（3）,Palm OS,（4）,Windows CE,（5）,QNX,（6）,uC,/OS-II,（7）,Linux-（,UCLinux,RTLinux,）,操作系统的比较一,2024/9/16,开放式数控研究,VxWorks,VxWorks,是美国,WindRiver,公司推出。被业内人士认为最好的实时操作系统，,商业内核,。,特点：,（1）,高实时性内核,。,（2）,友好的开发环境获得了很大的成功。,（3）,支持抢占式的基于优先级的任务调度。,（4）,支持任务间同步和通信,。,（5）,看门狗定时器和内存管理,。,（6）,任务切换时间短、中断延时小,。,（7）,网络功能很强大。,主要应用：火星探测车和爱国者导弹的导航系统。,2024/9/16,开放式数控研究,pSOS,Integrated System,公司推出，现在被,WindRiver,收购了，,商业内核,特点：,（1）,高实时性内核,。,（2）,模块化设计,。,（3）,支持抢占式的基于优先级的任务调度。,（4）,具有丰富的,Windows,界面。,（5）与大多数不同的是，该系统不和硬件发生丝毫关系，只要在配置表中定义应用程序环境和相关硬件。,（6）很好的调试开发环境。（任务切换和系统调用中设置中断） 。,2024/9/16,开放式数控研究,Palm OS,是,3,COM,公司出品，,商业内核,特点：,（1）,基本任务管理的抢占式的多任务管理内核,。,（2）,大多数应用程序并不需要和内核直接联系，系统自动处理,。,（3）,在存储器管理方面：,VFS(virtual file system ) API,来管理外存。,（4）,可以运行在硬件没有,MMU,的情况下。引入句柄，通过映射表，查找句柄，获取对物理地址的实际访问。,（5）,支持抢占式的基于优先级的任务调度,。,主要应用：,手持设备（,PDA,，,EBOOK,，,手机等）,。,2024/9/16,开放式数控研究,Windows,（1）,是一个很流行的操作系统，在操作界面和易用性等方面具有其它操作系统所无法比拟的优点。,（2）,与,DOS,相比，基于,Windows,平台开放式数控系统，人机界面友好，开发环境众多。,（3）,Windows,的抢占式多任务、内置的网络功能和对动态连接库的支持使,CNC,系统功能更加强大，某些开放功能只有在,Windows,平台上才能实现。,（4）,Windows,平台的不稳定性和非实时性使其无法很好的用于工业控制。,解决办法：多线程技术，减少任务间切换时间，采用,VXD,技术低层中断而实现实时控制。,总结：,Windows,在设计时就本身没有考虑实时控制应用，系统调用的效率低，加上内核设备驱动级的不确定性，使得,Windows,下实时控制只是对中断或定时性的局部改进，并未改变系统的非实时本质。,2024/9/16,开放式数控研究,Windows CE,是,Microsoft,公司出品，,商业内核,特点；,（1）,高实时操作系统,。,（2）,高度模块化，因此所占的资源较多，需要定制,。,（3）,支持的,CPU,较多（,200,多种）。,（4）,对嵌套中断的支持，支持任意等级的嵌套式中断。,（5）,256,优先级支持,。,（6）,低中断服务例程,/,中断服务线程（,ISR/IST,）,延迟，为了缩短高优先级的线程响应时间，允许开发人员线程转换发生的时间并通过不断增加的硬件监视与控制创建新的嵌入式应用程序。,（7）,虚拟内存写保护，防止其他应用程序设置比实时应用程序更高的优先级，增加系统的可靠性。,2024/9/16,开放式数控研究,Windows CE,（8）,线程时间片控制功能，对调度程序进行安全控制。,（9）,多媒体支持,。,（10）,网络和通讯支持,。,主要应用；,掌上设备、无线设备，游戏机、,NC,终端,。,2024/9/16,开放式数控研究,QNX,加拿大,QNX,软件公司出品,商业内核,特点；,（1）,内核只完成最基本的消息传送和调度控制功能（此外还包括低层的网络通讯功能）,（2）,进程实现、设备管理、文件管理、网络功能,。,（3）,高实时多任务操作系统,。,（4）,界面视窗,。,（5）,支持抢占式的基于优先级的任务调度。,2024/9/16,开放式数控研究,uC,/OS-II,美国人,Jean.J.,Labrosse,自己开发,免费内核,-,代码开放,特点：,（1）,高实时操作系统,。,（2）,支持抢占式的基于优先级的任务调度。,（3）,内核只有,8.3,K,字节，只包含（进程调度，时钟管理，内存管理和进程间的通信与同步,）。,（4）不带图形界面、文件系统、网络支持，,I/O,管理。,（5）支持64个任务建立，其中8个任务系统保留，以便升级。,说明：它总是执行处于就绪队列中执行优先级最高的任务。分为5个：,READY，RUNNING，WAITING，DORMANT，ISR 。,2024/9/16,开放式数控研究,Linux,linus,Benedict,Torvals,芬兰学生是这个系统的缔造者,代码开放,-,免费内核,特点；,（1）,多任务支持。,Linux,支持多进程同时执行。进程之间完全独立。,（2）,多用户支持。,Linux,允许多个用户同时在系统上工作。,（3）,多处理器支持。从,2.0,起，,Linux,可以在多处理器体系结构中运行，即操作系统可以将任务分布在多处理器中。,（4）,跨平台支持。,Linux,可以在几乎所有常见的硬件体系结构中运行，从,PC,机,Alpha,工作站,。,（5）,按需调入执行，只有实际执行的程序才调入内存，进程刚建立时，并不给分配内存，而使用父内存的内存。直至需要对内存出现写操作的时候，才将内存复制出来。即写时复制。,（6）,分页机制，,L,inux,中用缓存技术最大化应用物理内存，但仍然会出现内存不够用的情况，,Linux,将一个不常用,4,K,字节大小内存页面中的数据置换到外存内，将所需的数据页面调到内存中。,2024/9/16,开放式数控研究,Linux(,续,),（7）动态外存缓存，在内存中保留一块空间作为外存操作的缓存，从,MSDOS,就有的技术，但,Linux,自动调整缓存的大小。,（8）,共享库支持。一些库可能被很多应用程序所同时使用，然而如果每次使用时都将其调入内存，则内存中将同时存在多个版本，,Linux,只将调入内存一次，可被多个应用程序使用。,（9）,POSIX 1003.1,支持,定义了一个,UNIX,类操作的最小化截面。,Linux 2.1,版本以上支持。,（10）,多种不同格式可执行文件支持,Linux,可以支持所有的,UNIX,系统中的可执行文件,。,（11）,内存保护模式。,Linux,中使用处理器提供的内存保护模式来防止用户企图进入内核，从而保证了内核程序的安全可靠性。,（12）,支持的文件类型：,ext2/ext3,文件系统，,SDOS,VFAT,NTFS,AFF,HPFS,以及,NFS,（,网络文件系统）。,（13）,TCP/IP,，,SLIP,和,PPP,支持。,SLIP,和,PPP,支持使得可以在电话线上建立,TCP/IP,协议。,2024/9/16,开放式数控研究,uCLinux,LINEO,公司推出,代码公开,-,免费内核,特点：,（1）,支持多,CPU,。,（2）,标准,LINUX API,。,（3）,可定制的网络支持。具有完整的,TCP/IP,协议栈，同时支持大量的其他网络协议。,（4）,可定制的文件系统支持。支持大量文件系统，包括,NFS,，,EXT2,，,MSDOS,，,FAT16/32 ROMFS,，,RAMFS,等。,（5）,小型,LINUX,内核和开发系统。内核小到,512,K,，,内核加上开发工具小于,900,KB,2024/9/16,开放式数控研究,缺点,：,（1）,缺少,MMU,支持，,uCLinux,多任务管理功能受到一定限制,。,（2）,uCLinux,中无法实现,Fork(),只能使用,Vfork,（）,。,（3）,标准,Linux,中的内存分段为应用程序提供了接近无限的堆空间和栈空间，而,uclinux,为可执行程序在紧随它的数据段结束处，分配堆栈空间。这样栈增长的太大，它将可能覆盖程序的静态数据段和代码段。,（4）,uCLinux,中没有自动扩展的栈，也没有,brk,(),调用。用户必须通过使用,MMAP(),来分配内存空间，用户可以在程序的编译过程中指定栈的大小。,（5）不具有内存保护机制。任何程序都有可能导致内核崩溃 。,uCLinux,（,续）,2024/9/16,开放式数控研究,RTLinux,Victor,Yodaiken,提出的设计思想，由,Michael,Barabanov,实现的硬实时操作系统。,RTLinux,/open3.1,是,FSMLABS,公司推出的最新一款硬实时操作系统，,代码公开,-,免费内核,特点：,（1）标准的,API :,RTLinux,以最低优先级线程运行,Linux，,通过不同的通信方法实现对,Linux,的无缝隙访问。,（2）高的实时性，运行在,X86 PC,上，最高的事件中断反应的时间为15,us，,而在单片机，,PowerPC,以及,Compaq Alpha,平台上，运行,RTLinux,的响应时间更小。,（3）可靠的实时编程模式-传统的嵌入式,Linux,由于混合了实时和非实时代码。而,RTLinux,坚持分离实时和非实时代码，操作系统和应用软件中的关键实时组件将给予绝对的优先权。,2024/9/16,开放式数控研究,操作系统的选择,基于以上分析，系统选择,RTLinux,作为软件平台，,RTLinux,的开放性、模块化和可扩展性系统结构和抢占式多任务的调度机制。,这套操作系统的优势：,（1）,Linux,的图形接口可简化系统的界面开发,。,Linux,本身附带,GUI,函数库的支持，如,GNOME/GTK+,和,QT,，,方便用户开发,Linux,环境下的图形界面.，,（2）,便于,CNC,系统的任务调度,。,（3）,易于,CNC,功能的开放,。,（4）,可根据实时性不同合理划分各个功能模块,。,（5）,有利于,CNC,功能集成和扩展,。,（6）,Linux,下强大的软件功能，如果将这些和,CNC,系统结合起来，会使,CNC,的功能得到大大的扩展。而,Linux,的多任务、强大的网络支持等特点为,CNC,同这些软件的集成和通讯提供了良好的支持。,2024/9/16,开放式数控研究,（7）,有利于,CNC,的网络支持,。,（8）,有利于自主产权、安全、低成本的高级,CNC,系统。,利用,RTLinux,可以对我们系统设计好处：,（1）,利用,RTLinux,的丰富的资源，有利于提高软件工程在数控系统开发的应用水平。,（2）利用强实时性和稳定性，满足数控设备的不同任务等级需求。,（3）抢占式多任务系统，优化,CNC,系统任务的调度管理。,（4）模块化的设计思路和面向对象的设计方法，利于系统的维护和减少开发时间。,操作系统的选择（续）,2024/9/16,开放式数控研究,PCNC,PCNC,：,就是用,PC,作为硬件平台的基础上，使用市场上销售或自行开发的应用软件和硬件插卡，构造出数控系统的功能。,基于,PC,发展,CNC,系统的背景在于,:,（1）,PC,的性能不断提高，价格不断下降,。,（2）,降低,CNC,系统成本，增加其开放性的需要,。,（3）,办公自动化技术的发展及,PC,文化的渗透。人们感觉到自然，亲切、方便，并且会有大量优秀的软件开发者涌现。,（4）,先进制造技术发展的需求。,CAD/CAPP/CAM,之间的数据处理等信息集成技术是,FMS、CIMS,的关键技术。这之中，,CNC,控制数据与其他数据信息的协调问题 。,2024/9/16,开放式数控研究,PCNC,的应用几种方式：,（1）,PC,连接型,CNC,。,（2）,PC,内藏,CNC,。,（3）,CNC,内藏,PC,。,（4）,全软件型,NC,。,PCNC,2024/9/16,开放式数控研究,PC,连接型,CNC,串口连接,CNC,部分不能实现开放化，且系统的响应速度、通讯速度都比较慢,2024/9/16,开放式数控研究,PC,内藏,CNC,不能直接使用通用,PC,，,PC,的开放程度受到限制。,2024/9/16,开放式数控研究,CNC,内藏,PC,系统不能利用原有的,CNC,资源，系统可靠性的确保也是个有待进一步的问题,2024/9/16,开放式数控研究,全软件型,NC,通用,PC,上进行实时处理较困难，较难保证系统的性能，难以利用原有,CNC,资源,2024/9/16,开放式数控研究,IPCNC,IPCNC：,基于工业控制计算机的,CNC,。,（1）,工业,PC,的采用工业级芯片，在抗干扰方面采用了有效措施，能够适应生产的恶劣环境,。,（2）,兼容个人计算机，为软件的开放和扩展提供了优良平台。,2024/9/16,开放式数控研究,基于,PC,的数控系统,的组成,（1）,IPC。,（2）,伺服,/,步进电机驱动卡,。,（3）,驱动,/,放大部件,。,（4）,步进电机,。,（5）,位置检测部件,。,（6）,控制电路组成,。,2024/9/16,开放式数控研究,基于,PC,的数控系统,的组成（续,）,2024/9/16,开放式数控研究,系统的网络拓扑,系统网络的拓扑,中心网络接入,防火墙,交换机或路由,专用服务器,嵌入式数控终端,数据传输协议,TCP/UDP，FTP,HUB,2024/9/16,开放式数控研究,硬件设计,（1）,系统硬件平台的建立。（主控制器）。,（2）,DSP,多轴控制卡的硬件设计。,（3）各功能模块之间的接口和通讯协议 。,硬件设计,2024/9/16,开放式数控研究,系统平台的设计（主控）,系统平台的设计(主控),CS8900A,网卡控,制器,ARM7DMI,HMS30C7202,LAN,PS2,LCD,TFT,EPROM,512KB,SRAM,1MB,SDRAM,32MB,FLASH,32MB,电源变,换器,电源,串口,双口,RAM,4KB,与,DSP,接口,CAN,口,Multi,ICE,BSP,输入输出接口,2024/9/16,开放式数控研究,系统平台的设计（主控续）,系统的硬件包括：,（1）人机界面（,TFT LCD 640X480）,和,PS2,键盘各一个。,（2）实现系统联网的通讯接口，以太网控制器一个。,（3）扩充的,CAN,接口，便于和现场外围设备进行相连。,（4）其中一个串口是给多轴运动控制卡下发,G,代码，另一个是为了调试,RTLinux,内核所要，其他的2个232口为系统扩展用,（5）双口,RAM,是为了和,DSP,进行一些数据交互，多轴运动控制卡上的实时加工曲线显示的数据。,（6）输入输出接口用于机床的,I/O,控制，,AD/DA,，接点可以扩充。,系统平台的设计(主控续),2024/9/16,开放式数控研究,（7）在片的512,K ROM,是系统存储的,BSP。,没有烧写,RTOS,之前，,BSP,可以引导系统。相当于,PC,的,BIOS，,程序的在线升级就是利用它。,（8）32,M,的,FLASH,是为,load,主控的,RTOS,和应用程序，以及把,BSP,装载进去。,（9）32M,的,SDRAM,是为了系统在引导起来，把,FLASH,中程序,LOAD,到,SDRAM,中去，这样提高系统的运行速度。,（10）1,M SRAM，,作为系统的外存，也作为,LCD,的显存。,（11）,MULTI-ICE,是调试硬件使用。,（12）系统的电源种类较多：+3.3,V,+5V,+12V,-12V,-5V，,电源变送器，完成这个功能。,系统平台的设计（主控续）,系统平台的设计(主控续),2024/9/16,开放式数控研究,系统平台的设计（主控续）,ARM720T,ARM7TDMI + Cache + MMU,Power Management Unit,GPIO /,2 PWM,Interrupt,Timer /,Watch Dog,DMA,2,KB,SRAM,Real Time,Clock,BUS,Control,SDRAM,Control,External,Device,ROM,SDRAM,USB,Function,Host PC,LCD,Control,4,UART,5,Channel,10bit ADC,PS/2,I,2,S,2,CAN,8,bit DAC,SPI / MMC/,SMC,HMS30C7202,Touch Panel,Speaker,MMC,SIR,(115.2Kbps),Battery,MIC,Mono / Color,640 x 480 max.,RS232,PS2 Mouse or Keyboard,Audio,DAC,Music,KDB,Control,Keyboard,Serially interfaced network,(controlled area network),PKG : 256MQFP 256PBGA,SMC,2024/9/16,开放式数控研究,DSP,多轴运动控制卡的硬件设计,多轴运动控制卡的设计,DSP,TMS320C2407,双口,RAM,4KB,Winbond,W77E58,锁存器,数据同时输出,D/A,控制伺服接口,ALTRA,CPLD2,电机反馈接口,位置反馈,与主控的接口,SRAM,128KB,ALTRA,CPLD3,变频方式,ALTRA,CPLD1,2024/9/16,开放式数控研究,（1）,DSP,主要运行插补运算。,（2）,W77E58,主要取出插补数据进行控制，接收反馈指令。,（3）,CPLD1,用做双口,RAM,的逻辑控制，,CPLD2，,主要是读取插补数据，变频输出，,CPLD3,主要对编码盘的数据进行倍频输出。,（4）数据锁存器主要让多轴的数据能同时到达,D/A,或,CPLD，,同时进行转化，实现多轴的联动。,（5）双口,RAM,是为了,DSP,和,W77E58,进行数据共享。,（6）,SRAM,是为进行数据的缓存。,多轴运动控制卡的硬件设计,（续）,多轴运动控制卡的设计,2024/9/16,开放式数控研究,功能模块之间的接口和通讯协议,接口和通讯协议,机床接口,A/D，D/A,I/O,共享缓存,工业以太网,串口,模拟电压输出,变频输出,位置反馈，速度反馈,伺服装置,服务器,多轴控制卡,主控,2024/9/16,开放式数控研究,反馈环节的描述和实现,位置控制调节器,速度控制,调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,实际位置反馈,实际速度反馈,FPGA,来完成,DSP,插补,指令,系统准备采用半闭环系统设计,2024/9/16,开放式数控研究,反馈环节的描述和实现（续）,（1）位置采样点，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,（2）,不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。,（3）由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。,2024/9/16,开放式数控研究,CPLD,实现4倍频和辩向,对编码盘的,A，B,进行4倍频和辩向的信号时序分析,2024/9/16,开放式数控研究,CPLD,实现高速计数,对倍频完信号进行高速计数的时序分析,2024/9/16,开放式数控研究,易于,CNC,功能的开放,（1）,RTLinux,固有的软件开放式框架,。,（2）,无须大动系统就可以在,OS,增加删除一个任务，利于项目开发,。,（3）,各个程序员可以同时进行系统软件的开发，各开发单元制定接口和协议,。,（4）,RTLinux,支持,POSIX,接口，有利于将通用的模块以函数库的形式供其他项目和个人使用,。,2024/9/16,开放式数控研究,DOS,（,1,）,DOS,本质上是一种单任务操作系统，在,DOS,的多任务只能通过中断来实现。各软件功能模块一般不能同时执行，若要同时执行，需要自行解决模块之间的调度问题。,（2）,DOS,的系统接口简单，造成软件的低水平开发，代码重用率低。开发很好的人机界面的设计和开发占用了大量的时间。,（3）,开发,DOS,环境下的应用程序，人机界面的设计和开发占用了大量的时间。,DOS,程序的调试难度随着软件的复杂程度随着指数增长，同时,DOS,的,640,K,的内存管理能力又限制了系统的控制功能。,（4）,网络的支持非常差，无法满足日益增长的数控系统的联网需求。,总结：基于,DOS,的,CNC,系统，软件开发思想与技术落后，始终处于结构化程序设计的水平。无法利用面向对象，软件重用等软件工程中的新理论、新技术、而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。,-华中,I,和,II,就是采用的,DOS,的,CNC,系统。,2024/9/16,开放式数控研究,谢谢大家！,2024/9/16,开放式数控研究,