摘要:基于数控智能芯片的架构和软件硬化的理念,利用FPGA/ CPLD 设计插补模块既保留了硬件电路运算速度快(纳秒级) 、插补思路清晰的优点,又克服了原有数字逻辑插补电路灵活性差的缺点。选用美国Altera 公司的Cyclone Ⅱ系列芯片进行下载配置,实现了脉冲增量式插补中的逐点比较法轮廓插补算法,定义出了芯片的输入/ 输出接口,通过VHDL 语言进行编程仿真,获得了输出脉冲波形,完成了直线和圆弧轮廓4 个象限的插补功能。

关键词:计算机数控系统;插补算法;FPGA/ CPLD ;VHDL

开放化、高速化和高精度化都是现代计算机数控系统最新的发展趋势和研究热点。目前,我国在紧密跟踪国外发展趋势的同时,对开放式数控的体系结构和实现方法从多个侧面开展了广泛的研究,华中科技大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等单位,学者还提出了可重用数控、全软件数控、可重构数控和数控智能芯片等先进的理念,并基于高性能的DSP (Digital Signal Processor ,数字信号处理器) 、ARM(英国Advanced RISCMachine 有限公司知识产权) 嵌入式微处理器和现场总线技术构建出了相应的原型样机。

本文基于数控智能芯片的思想,采用FPGA(Field Programmable Gates Array ,现场可编程逻辑门阵列) 或CPLD ( Complex Programmable LogicDevice ,复杂可编程逻辑器件) 电路的二次开发和在线编程能力硬化实现计算机数控系统的插补功能模块。虽然国内也有不少学者已经尝试过这种硬化实现技术,但一般仍然是针对数控系统内部某项功能的局部实现和替换,没有站在整个系统的角度,按照一定的标准和规范来设计出标准的数控智能芯片,也就无法做到真正的即插即用。由于软件硬化模块处理速度相当于ASIC 芯片,因此可获得很高的处理速度,为我国超高速加工机床的研制提供了一条有效途径。

基于智能芯片的数控系统架构

由于32 位微处理器技术的发展,数控系统中的数值计算和控制精度已经不是主要问题了。与此同时,处理速度也得到了较大幅度的提高。但对于利用纯软件完成数控系统功能来讲,毕竟执行控制程序需要一定的时间(微秒级) ,相对一定运行频率的微处理器而言,速度的提高不是无限制的,而具有一定的极限。特别是对于超高速加工场合,随着数控设备中关键功能部件(直线进给伺服单元、大功率电主轴和磁悬浮轴承等) 的技术突破,如果继续采用全软件方法来实现数控加工功能,其速度和加工效率将无法得到进一步提高。为此,有些研究人员或数控系统公司开始引入先进的SoC(System on Chip ,片上系统) 理念和ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit ,专用集成电路) 设计技术,也就是针对制约数控系统处理速度提高的瓶颈设计独立的硬件电路来承担相应的数控功能,从而达到提高数控机床综合加工能力的目的。ASIC 芯片的处理速度虽然是纳秒级,但设计过程中要求具有微电子设计和制造技术作为支撑,而对于一些中、小型数控企业来讲一般不具备相应的技术能力和设备条件,并且还要承担比较大的技术风险。

国外一些著名的数控系统公司( 例如SIEMENS、FANUC 等) 大多采用ASIC 技术路线,并且核心技术对我国实行封锁。国内现有的数控技术还是基于20 世纪80 年代的一批援华项目和早期的国家级科技攻关成果,最近20 年还主要停留在富有中国特色的经济型或普及型(全功能型)数控技术水平,虽然产值不断增长,但综合竞争实力与国外公司相比还存在不小的差距。由于国外公司综合实力很强,有的集团内部就具备超大规模集成电路设计和制造能力,加上数控系统的生产批量比较大,所以适合采用ASIC 技术。而国内由于相关产业以及数控行业综合实力的制约,无法照搬国外公司的经验,必须另辟途径,寻找到一条适合我国国情的开放式数控技术实施路线。经过反复权衡和综合比较,大多数行业内专家一致认为,基于FPGA/ CPLD 的二次开发平台,将数控功能固化集成于一个芯片内,设计成一个标准模块,不但提高了处理速度,而且减小了硬件电路的面积,保证了系统的可靠性。另一方面由于芯片是基于SRAM 工艺制造的,可以对其进行升级,从而实现完全的开放和可重构。

整个开放式数控系统基于智能芯片的概念设计功能模块,遵循ISO/ OSI 参考模型的规范和协议,采用前后台体系结构,具体如图1 所示。图中整个开放式数控系统控制体系架构划分为数控智能芯片、应用程序接口和系统平台共3 个层次。

最底层是数控智能芯片( NC IntelligentChip) ,它是根据所实现数控功能的相对独立性和实时性进行设计,然后下载固化在FPGA/ CPLD中,相当于一个专用芯片的功能,并且通过约定的内部并行总线与外部交换信息。

第二层是应用程序接口(Application ProgramInterface ,API) ,其作用是将数控系统内部所有的智能芯片集成调度起来,采用动态连接库(DLL) 技术完成芯片之间的信息交换,并实时下达控制命令,回传数控机床的实际状态信息,以供后台的管理软件使用。

第三层是系统平台(System Platform) ,相当于整个数控机床的操作系统,是一个纯软件的背景程序,并要求提供友好的人机界面和交互功能,一般可以选用VB、VC + + 、Win CE 和L INUX 等实时性较强的通用软件平台进行二次开发完成。

在整个系统架构中最关键的技术是数控智能芯片的功能界定、芯片之间接口的兼容性、芯片通信协议和总线形式以及其间的逻辑时序配合等。因篇幅所限,有关这方面内容的深入阐述将另行介绍。

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