基于运动控制卡的开放式数控系统研制

1 引言

　　90年代以后，数控技术发展的一个重要方向是数控系统的开放化。一方面，以往的数控系统由于其封闭性无法将计算机技术发展的最新成果运用于数控系统中，严重地阻碍了数控技术的发展。另一方面，由于加工的多样化、专业化，对加工“个性化”的要求越来越高。如何有效地利用PC机丰富的软件资源，强大的运算能力，统一的人机界面实现专业化、低价格、高精度、易扩展升级的开放式数控系统成为未来数控系统研究和发展的方向。在PC机的主流操作系统MS Windows下有两种方法可以实现数字控制：一种是由一台计算机和一些I/O模块组成的单机模式，这种模式在硬件成本上是较为便宜的，但在软件的编写上却很复杂，需要对Windows加以改造(如内嵌实时操作系统)以保证系统的实时控制性能，这是未来数控系统的一个重要发展方向，但现阶段Windows的非开放源码特性使之具有相当的难度，可行性较差。另一种是并行双CPU上下位机通讯模式，相对而言该种模式具有很大的灵活性和可行性，是一种便于用户化开发的全方位的开放式体系结构。本文所讨论的将GT400-SV运动控制卡插入PC机中所构成的数控系统，开发周期短、运行速度快、控制精度高、价格低廉，是第二种模式的一个代表。

2 硬件系统原理与结构

　　2.1 固高GT400-SV运动控制卡的特点

　　固高公司生产的GT400—SV是高性能的伺服运动控制卡，它可以同步控制四个运动轴，实现复杂的多轴协调运动。其核心是ADSP2181数字信号处理器和FPGA，前者的哈佛结构和MAC单元非常适合完成复杂的运动控制算法，后者实现译码、倍频、脉冲分配、定时、计数等功能。运动控制卡采用ISA总线与PC相连，数据通过双端口RAM在上下位机间传送。双端口RAM是一种特殊的随机存储器，它具有两组数据总线和地址总线，在地址不冲突的情况下两组总线可以在同一时间并行地访问不同的存储器单元，双端口RAM的这种特殊结构使得上下位机可以快速地进行大规模数据交换，大大提高了主机与DSP运动控制卡的并行处理能力，解除了以往主从式系统CPU间通讯的瓶颈。图1是主从式微处理器通过双端口RAM进行数据交换的示意。

图1 主从机数据交换示意

　　GT400-SV运动控制卡在双端口RAM的基础上提供了缓冲区命令机制，用户能够先将部分运动控制指令存放在运动控制器内部开辟的循环队列命令缓冲区内，然后发出执行命令。在运动控制器执行缓冲区内存放的运动指令的同时，主机能够继续向缓冲区内下载运动指令，这样进一步降低了对主机通讯的实时性要求，同时运动控制器通过预处理多段缓冲区内的轨迹信息，能够获得良好的运动特性，使轨迹更连贯光滑。

　　2.2 试验平台结构(如图2所示)

　　图2 实验平台结构