基于网络监测的嵌入式数控系统的研究

0 引言

　　数控系统的开放性是目前数控技术研究的热点。现阶段，数控系统的真正开放性还很难做到，一些数控系统只是具备了开放式系统的特点或者开放程度相对大一些而已。目前的研究大都着眼于基于PC 平台的软硬件开发，其实质就是在PC 平台的基础上，配以一定的接口卡及人机交互界面进行数控加工的专门工具，在结构和性能上都存在很大局限性。由于嵌入式数字信号处理器具有高速运算能力，使许多复杂的控制算法和功能得以实现；加之其把实时处理能力和控制的外设功能集于一身等优点，所以它在数控技术中越来越被广泛应用。本文提出了基于T I 公司嵌入式数字信号处理器

　　TMS320F2812 的数控系统，此控制系统能够独立完成伺服电机的实时运动控制,另外利用DSP 内部的CAN总线控制器，实现了数控设备检测系统的网络化，构成了分布式测控网络。为弥补单任务系统的软件设计的不足,本系统移植了嵌入式实时内核mC/OS-II,为上层的软件开发建立了良好的任务管理平台和底层驱动平台。

1 嵌入式数控系统的硬件构成

　　本系统采用模块化的设计方法，定义了系统的总线，预留了标准的工业级接口，用户可根据不同功能要求选择模块以重构自己的系统。这样的设计为实现数控系统的开放性要求做了良好的硬件基础。系统硬件结构框图如图1 所示。

　　1.1 主控及交互模块

　　主控及交互模块主要由T I 公司的T M S 3 2 0F2812 DSP 及相应的存储单元、显示、键盘、外围驱动等电路组成，是该系统的硬件基础。

　　1.2 控制电路

　　本数控系统采用全数字式交流伺服电机，其控制由定制的运动控制模块完成。准确可靠的位置和速度检测环节是数控系统高速高精度的基础。为此，我们采用一片CPLD 来实现4 倍频计数电路，由于在CPLD 内的门电路和触发器的特性完全一致，所以在相同转速下各电机轴倍频信号的脉冲周期可以保持一致。为抑制长距离传输中可能引入的干扰信号，输出至驱动器的脉冲信号和输入至CPLD 的编码器反馈信号采用差分输出方式。该方案可改善整个电路的逻辑和电气特性，增强电路的抗干扰性能，从而提高整个数控系统的加工精度和工作的可靠性。

图1 系统硬件结构框图

　　1.3 信号采集模块

　　数据采集模块实时地监测数控加工过程，可采集当前各个控制轴坐标位置、运动速度、加速度、加工程序指针、系统增益、刀具参数等数据，保证系统的可靠运行，对数控系统进行实时监测及诊断。该模块主要由TMS320F2812 片内的ADC 和外围的信号调理电路组成。

　　1.4 网络通讯模块

　　CAN（Controller Area Network）总线，属于现场总线技术范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络，以半双工的方式工作，采用基于数据的传输方式，消息可以在任何时刻由任何节点发送到总线上，并被其他所有节点接受、判断后决定是否应用这个消息。由于其具有通信速率高、开放性好、实时性好、纠错能力强以及控制简单、传输可靠性高、扩展能力强、系统成本低等特点，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信，是当今自动化领域中公认为最具有应用前景的技术之一。

　　CAN总线系统的硬件电路主要由T M S 3 2 0 -F2812、CAN 总线收发器PCA82C250 等芯片组成。TMS320F2812 中的CAN 有32 个邮箱，占用512 字节RAM，并且所有邮箱都具有独立的接收屏蔽寄存器，都可以配置为发送或接收邮箱，且都有一个可编程的接收屏蔽寄存器。所有进行数据传输和接收滤波的协议功能都是由CAN 控制器执行的，通过DSP 片内的特殊功能寄存器可配置CAN 控制器访问接收到的数据以及传输数据。因此，TMS320F2812可完成CAN 总线协议的数据链路层和应用层的所有功能。

另外，TMS320F2812 片内有集成的SCI接口,我们通过DSP 的SCI 实现了与PC 机的RS-232 通讯，可进行上下位机的数据交换。