1 前言
在計算機系統(tǒng)中,總線接口對整個系統(tǒng)的性能和功能都有直接影響,有關(guān)專家預(yù)測,在下一世紀里,串行總線將逐漸取代并行總線。
在數(shù)控系統(tǒng)中,個人計算機技術(shù)與數(shù)控技術(shù)越來越緊密地結(jié)合,由此而產(chǎn)生的具有開放性的PCNC數(shù)控系統(tǒng),正在取代傳統(tǒng)形式的數(shù)控系統(tǒng),并成為市場的主流產(chǎn)品。計算機總線結(jié)構(gòu)的變革,必將影響數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),串行總線的應(yīng)用將極大地改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。
2 串行總線的優(yōu)點
同并行總線相比,串行總線具有許多優(yōu)點。串行總線連接引腳數(shù)量少,連接簡單,成本較低,系統(tǒng)可靠性高。串行總線對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有重大的影響,它的應(yīng)用有助于數(shù)據(jù)流計算機體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。
對于高速計算機系統(tǒng),串行總線比并行總線更容易使用。在并行總線中,傳輸數(shù)據(jù)的各個位必須處于一個時鐘周期內(nèi)的相同位置,頻率越高,對器件的傳輸性能和電路結(jié)構(gòu)要求越嚴格,系統(tǒng)設(shè)計難度加大,致使系統(tǒng)成本提高,可靠性降低。相比之下,使用串行總線時,數(shù)據(jù)的各個位是串行傳輸?shù)?。在串行總線設(shè)計時,既可以嵌入時鐘信號作為同步信號,也可以采用鎖相環(huán)的時鐘恢復(fù)方式;同并行總線相比,串行總線的傳輸線效應(yīng)比較容易處理,從而降低設(shè)計難度和系統(tǒng)成本。
另外,以串行信息包為基礎(chǔ)的系統(tǒng),不需要編寫驅(qū)動程序。當(dāng)斷開任何一根互連線,對全部信息包進行解碼時,串行總線將這些信息包移入存儲器并中斷處理器,這是一種局部的中斷或事件。隨后微處理器將查看這些信息包,而不需要用驅(qū)動程序進行上述工作。系統(tǒng)將成為一種信息傳遞系統(tǒng),而不是事件驅(qū)動系統(tǒng)。
外圍串行總線方式,如IEEE-1394/火線和USB(通用串行總線),已能成功應(yīng)用。某些供應(yīng)商準備采用某種串行總線方式替代PCI(外圍器件互連)系統(tǒng)總線。例如,Intel公司在1998年秋季披露,下一代I/O(NGI/O)串行總線能替代個人計算機中的PCI總線。
為了適應(yīng)串行總線系統(tǒng)的要求,一些從事前沿技術(shù)研究的計算機公司,如Mercury Computer Systems公司正在研究光學(xué)底板及光學(xué)接口等技術(shù)。可以預(yù)料,光學(xué)鏈路將會在串行總線系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
3 國外數(shù)控系統(tǒng)總線接口的發(fā)展概況
在數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)中,世界上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列數(shù)控系統(tǒng),便是一種串行總線結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控系統(tǒng)。該系列數(shù)控系統(tǒng)以其獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的性能引起了關(guān)注。其中配備18i系統(tǒng)的鉆削中心已在我國銷售。
根據(jù)日本FANUC公司提供的資料,我們以15i系統(tǒng)為例進行簡要介紹。
15i系統(tǒng)是目前世界上最高性能的CNC數(shù)控系統(tǒng),最多可進行24軸控制,可控制5軸機床完成如航空部件,模具等零件的高速、高精度加工。插補精度為1nm(被稱為NANO插補),改進加減速控制(Fine HPCC),適應(yīng)高速、高精度加工的要求。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線,系統(tǒng)連接比較復(fù)雜。15i系統(tǒng)與各軸伺服單元是通過高速串行總線連接的,僅需一根光纜就可以連接8臺伺服單元。另外通過一根電纜即可與I/O模塊相連,I/O模塊可以擴展。操作單元采用14"彩色液晶顯示觸摸屏,用戶的機床操作可在觸摸屏上進行,大大簡化了電氣配線,整個系統(tǒng)連接非常簡單,從而降低了成本和維修難度,提高了可靠性和靈活性。
該系列產(chǎn)品在市場中具有很強的競爭力,在未來幾年中FANUC i系列數(shù)控系統(tǒng)將逐漸取代FANUC 0系列數(shù)控系統(tǒng),成為該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。
1990年德國一些著名的CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商,例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司,與科研機構(gòu)共同發(fā)起成立了SERCOS協(xié)會,并制訂了串行實時通訊協(xié)議(Serial Real Time CommunicatiON Specification),以便在德國建立一個統(tǒng)一的CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)接口標準,并開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。1992年4月,該協(xié)議已經(jīng)被建議作為新的德國標準和國際標準DIN/IEC44。目前該協(xié)議已經(jīng)被歐洲主要CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商所接受,引起國際同行業(yè)的重視。THOMSON公司已經(jīng)取得SERCOS接口硬件的生產(chǎn)許可,生產(chǎn)出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片,供CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家使用。1997年日本也成立了SERCOS協(xié)會。
另外,歐洲的一些公司已推出具有CAN總線接口的伺服控制單元,并投入實際應(yīng)用。
4 我國的現(xiàn)狀和對策
在我國市場上,國外數(shù)控系統(tǒng)仍占統(tǒng)治地位,傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)還占據(jù)著市場的絕大部分份額,中國市場成為其落后技術(shù)及庫存的傾銷地。
雖然中華Ⅰ型、航天Ⅰ型、華中Ⅰ型等PCNC系統(tǒng)相繼推出,但總體設(shè)計仍未擺脫傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的框架,成本較高,目前還難以取代傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的市場地位。但隨著個人計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用,傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不可避免地將被更具有競爭力的串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)所取代。串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控系統(tǒng)未來發(fā)展的方向,對串行總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)引起我們的高度重視。
在學(xué)習(xí)消化國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,盡快研究、建立有關(guān)的標準和協(xié)議,選擇適用的實時操作系統(tǒng),開發(fā)相應(yīng)的數(shù)控軟件、串行接口芯片和伺服系統(tǒng),推出我國自主版權(quán)的新一代數(shù)控系統(tǒng),為參與國際市場競爭打下良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。
5 結(jié)束語
串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向,我們不能完全依賴國外進口,應(yīng)加強對新技術(shù)、新方法的研究。國內(nèi)同行應(yīng)團結(jié)一致,共同努力,聯(lián)合相關(guān)行業(yè),尋求發(fā)展,振興我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
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