PC-based 开放式数控系统体系结构的研究

1 前言

　　数控系统按照控制装置来划分，主要有硬件数控系统和软件数控系统。硬件数控系统的所有功能均有硬件电路来实现，如第一、二代NC 系统;而数控系统的部分或全部功能采用软件来实现后就成为了软件数控，如第三、四代CNC 或MNC 系统。随着计算机技术的发展，全软件数控系统将成为数控系统的主流。

　　数控系统一般由硬件和软件两个部分组成。传统的数控系统中，硬件模块和软件结构绝大多数是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独立、彼此封闭。

　　随着数控系统的功能越来越复杂，以及用户要求定制和裁剪数控系统功能的呼声越来越高，传统数控系统越来越暴露其本质的缺陷：一方面，各控制系统间互连、互操作性差影响了整个系统的集成、维护和功能扩展，各厂家不同数控系统风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但导致用户培训成本的增加，还给数控设备的最终用户带来诸多不便;另一方面，数控系统的封闭性造成数控设备制造商对系统制造商的过度依赖，不利于将整台设备的其他控制系统以及相应的技术工艺集成为一个完整、无缝的控制系统，并形成自己的产品，导致系统开发投资大、周期长、更新换代慢，不利于产品的技术进步。

　　自上世纪90 年代以来，计算机软硬件技术的飞速发展为数控系统的开放化奠定了技术基础，开放式数控系统已成为世界各国数控厂商开展竞争的重点领域。

　　开放式数控系统都采用模块化结构，在软件和硬件上均可灵活配置，即可通过修改硬件的基本配置或改变软件各层面的控制，并且允许第三方来开发或集成新的软硬件，为新技术的产生提供了强大的发展基础。因此，一个开放的数控系统应该在系统平台上满足可扩展性、可移植性、互换性和互操作性等要求。

2 基于PC 的开放式数控系统平台

　　系统平台包括系统硬件和系统软件。

　　根据数控系统软硬件结构的不同，开放式数控系统平台主要有：PC 嵌入NC、NC 嵌入PC、纯PC 型等三种结构形式。这里选取PC 机及标准接口的运动控制卡作为系统的硬件平台，选取Windows 操作系统作为软件开发平台，搭建基于PC 的开放式数控系统平台，这是因为：

　　(1)PC 技术不断发展，基于PC 的数控系统具有可持续发展的空间。自1981 年IBM 正式推出PC 机到现在，PC 机发生了翻天覆地的变化，特别是64 位PC 机出现后，PC 机的处理速度、存储量及各种功能均得到了显著提升，并且PC 机的功能仍在不断加强和升级。由于PC 的向下兼容性，为基于PC 的数控系统可以随着PC 技术的发展奠定了技术基础。(2)PC 机是一种基于总线的具有开放式体系结构的计算机系统，易于标准化、普及化。

　　PC 机软硬件结构的标准化、模块化以及基于总线的开放式体系结构，使基于PC 的开放式数控系统体系结构成为可能。PCbased开放式数控系统在硬件上以PC 机为基础，为用户提供通用的、标准化的硬件平台，摒弃了原有的基于专用计算机的封闭式体系结构;在软件上，以Windows 操作系统为基础为用户提供软件平台，基于Windows 操作系统的CNC 系统软件具有更大的柔性和良好的可移植性和可扩展性;同时基于Windows 的PC 机在图形、图像和视频方面的处理能力大大加强，为数控系统功能的实现提供了强大的系统支持。因此，使用通用PC 的开放式数控系统完全有能力在性能上赶上或超过专用数控系统，便于数控系统的产业化。

　　如图1 所示，建立在PC 技术之上的开放式数控系统平台。

　　该数控平台可分为三个层次：硬件层、系统软件层、应用软件层。

　　硬件层中的各种硬件通过标准的通用的系统总线(如PCI)连接在一起，通过通用总线用户可以方便的加入购买的第三方硬件或自己的硬件。PC 的通讯联网、电子邮件、语音、视频等多种功能都是通过附加扩展卡的形式来实现的。对于数控专用硬件，也可以通过附加卡的形式插入到总线插槽中。应用软件层则是通过操作系统和相关设备驱动程序实施对硬件资源的使用和控制。这种开放架构的系统平台允许数控系统完成诸如开放式数据库连接、目标的连接和嵌入、动态数据交换和动态连接等。并且在这个平台上可以运行其它应用软件如CAD/CAM、PDM、ERP 等。