基于現(xiàn)場總線的可重構數(shù)控系統(tǒng)的研究

引言

數(shù)控系統(tǒng)的開放性、可重構設計、模塊化、網(wǎng)絡化是當前數(shù)控技術領域研究的熱點。開放式數(shù)控的技術本質是標準化，它的目標是把復雜的數(shù)控技術產(chǎn)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(shù)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(xiàn)這一目標的前提是共同制定一個產(chǎn)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(xiàn)龐大數(shù)控系統(tǒng)架構的分解和集成。

可重構數(shù)控的技術本質是柔性化。其實際上和原有的柔性制造系統(tǒng)一脈相承，只不過加入了管理學和運籌學的技術內(nèi)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(tǒng)本身按照某種程度的自動化來實施的，其目標是系統(tǒng)實現(xiàn)從一種形態(tài)轉變成另一種形態(tài)。重構后的系統(tǒng)，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(nèi)容。隨著高集成度、高速度和具備硬件可重構能力的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gates Array，F(xiàn)PGA)器件的出現(xiàn)，利用其實現(xiàn)可重構數(shù)控系統(tǒng)是一條快速、簡捷、可靠的途徑。

隨著工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)的模擬通道和并行連線的方式，不僅使得數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)控制能力的不可靠。另一方面，一些已經(jīng)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(shù)控系統(tǒng)的功能框架中，形成具備網(wǎng)絡特征的數(shù)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡，以使得數(shù)控系統(tǒng)在功能實現(xiàn)、現(xiàn)場配置、資源優(yōu)化方面適應生產(chǎn)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(xiàn)場總線(Processfield bus—DP，PROFIBUS—DP)的可重構開放式數(shù)控系統(tǒng)。

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(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)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(shù)數(shù)據(jù)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(tǒng)設計中，采用ARM的全數(shù)字式的控制，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)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(tǒng)可靠性，在系統(tǒng)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(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，可實現(xiàn)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(tǒng)硬件采用主從式雙CPU結構模塊化設計，分為基于ARM和現(xiàn)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(wǎng)絡模塊。主CPU為ARM處理器，用于鍵盤、顯示、文件存取、網(wǎng)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(shù)據(jù)的傳輸。圖1為基于這種思想開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)結構框圖。

圖1 主輕系統(tǒng)結構框圖

1．2可重構制造系統(tǒng)的設計

可重構制造系統(tǒng)能夠通過重組或改變自身部件，快速調整生產(chǎn)能力和功能，以適應新的生產(chǎn)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(tǒng)列為優(yōu)先考慮的領域之一。對一個制造系統(tǒng)來說，要想滿足系統(tǒng)重構要求，它的子系統(tǒng)或部件應具有重構能力，而作為制造系統(tǒng)的關鍵單元，數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)整體重構需要的數(shù)控系統(tǒng)稱為可重構數(shù)控系統(tǒng)。在可重構數(shù)控系統(tǒng)的研究方面，國內(nèi)外主要采用軟件的途徑，而隨著FPGA的出現(xiàn)，利用其構造數(shù)控系統(tǒng)的控制內(nèi)核，并充分利用它的硬件可重構性，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能的重構，是可重構數(shù)控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的一條途徑。

按照文獻[3]對可重構制造系統(tǒng)特征的定義，可重構數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)能夠很好地體現(xiàn)這些特征。

(1)模塊化可對數(shù)控系統(tǒng)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(shù)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(shù)控IP集成為數(shù)控系統(tǒng)。

(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(shù)化設計，只要模塊接口定義開放，也可以通過修改數(shù)控IP和整合不同的IP來改變設計，下載不同的配置數(shù)據(jù)以實現(xiàn)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(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)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(xiàn)在系統(tǒng)編程和在系統(tǒng)重構，因而可以通過重新下載配置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)本地或遠程升級與維護。

FPGA的上述優(yōu)點可滿足實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)重構的硬件需要。當數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)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，F(xiàn)PGA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(shù)據(jù)重新下載，實現(xiàn)內(nèi)部邏輯電路更新，從而使數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)的控制邏輯，因而可大大增加計算機數(shù)控(Computer Numerical Control，CNC)系統(tǒng)的柔性和現(xiàn)場可重構性。如圖2為基于FPGA的可重構系統(tǒng)的結構框圖，系統(tǒng)可實現(xiàn)對數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床和數(shù)控車床的重構設計。