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| 并联机床位置控制卡局部总线接口设计 | |||||
作者：贾昊 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2006-5-5  |
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（西安交通大学机械学院数控所，陕西 西安710049） 摘 要：针对传统ISA总线位置控制卡由于带宽限制，数据传输速度慢，限制了主机的处理能力等缺陷，设计了基于PCI总接接口的并联机床高性能位置控制卡，打破了数据传输的瓶颈，大幅度地减轻主机负担，有效的提升系统整体性能。 关键词：并联机床；位置控制；PCI总线 The design of local bus interface for position controller of a parallel machine tool SHI Qun，WANG Xiao－chun （CNCInstitute of Xi’an Jiaotong University，ShaanxiXi’an710049，China） Abstract：Because of the restriction of bandwidth，the data transmission of the conventional ISApositioncontrol board is very slow，thus limitingthe processing capacity of a host．To passthelimitation，itis necessaryto design a high－performance position controlboard fora parallel machine toolbased on PCL，which breaksthebottleneck of data transmission，reducesthe host burden significantly and enhances the system performance ef－fectively． Key words：parallel machine tool；position control；PCIbus 0 引言 并联机床又称“虚拟轴机床”，是一个并联机构。 与传统机床相比，由于其结构特殊，并联机床在精度、刚性、加工效率3个方面均具有优势，且机械结构比同等功能的传统机床简单，便于制造。特别适合复杂三维空间曲面的加工，具有广阔的应用前景。 并联机床的位置控制系统是其数控系统的重要组成部分，在当今数控系统中，位置控制器＋PC型应用最多最广泛，在此系统中，位置控制器接收来自上位机（PC机）的指令，通过伺服系统来控制各个电机运动，从而实现一定的运动规划。可见，位置控制器作为连接PC和伺服系统之间的桥梁，是整个控制系统的核心。文中重点介绍浙江省重点项目“大型虚拟轴联机床”中高性能位置控制卡的设计。 并联机床位置控制器通过控制机床实轴（各个驱动杆），实现轴（传统概念的x、y、z轴）的联动控制，因为控制轴数较多，同时要得到所要求的刀具运动轨迹。实现对刀具的高速高精度轨迹控制，位置 控制器（下位机）和PC机（上位机）存在着大量的数据交互，传统的方式是采用ISA总线进行。ISA总线由于带宽限制，数据传输速度慢，使上位机在数据传输方面花费的时间过多，从而在其他方面的处理时间相对缩小。PCI局部总线的引入（PC104PLUS为PCI局部总线的一种，适用于工业现场），打破了这种数据传输的瓶颈，使PC机的处理能力大大增强，更好的发挥其在数据处理和图形显示方面的优势。PCI局部总线的引入，使开发相应的基于Windows平台的数控软件更容易，和配套的其他软件的接口更方便。 PCI总线规范十分复杂，其接口的实现比ISA、EISA困难。目前实现PCI接口的有效方案有3种： 可编程逻辑器件、具有集成PCI接口的芯片、专用芯片。 笔者选用了CYPRESS公司的CY7C09449PV－AC。 这些芯片专为PCI总线的使用者设计，它们将复杂的PCI总线接口关系转化为简单的8／16／32位附加总线（Add－on Bus）接口关系。其中CY7C09449PV具有可编程的本地端接口，可以和好几种微处理器直接相连。且CY7C09449PV－AC提供了容量较大的双向静态SRAM，对3 V、5 V信号电平容错。而现在绝大多数母板的PCI接口是5 V信号环境，故省却了电平转换。所以，该运动控制器采用CY7C09449PV－AC作为PCI的接口芯片，处理器选用TMS320VC33。下面详细讨论基于PCI总线接口的并联机床高性能位置控制卡的设计过程，重点介绍PCI接口的实现。 1 PCI局部总线设计 1．1 PCI总线及其数据传输规范及专用接口芯片CY7CO9449PV－AC简介 PCI总线兼容性最强，功能齐全，采用总线主控，支持64位数据传送（PC104PLUS除外）、多总线主控和线性突发方式。它将外设直接挂到主机CPU局部总线上，并以CPU速度运行，可以大大提高外设的运行速度。PCI传输率、工作频率33 MHz，最大传输率为132 NB／s；总线宽度，支持8、16、32和64；采用总线主控和同步操作，总线主控让任何一个具有处理能力的外设暂时接总线，加速执行吞吐量、高优先级的任务。同步操作可保下一步微处理器与总线主控同时操作，不必待总线主控的完成。PCI总线独立于处理器结构，不受处理器限制，形成一种独立的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外设分开，添加外设时不必担心使用不同的时钟频率而导致系统性能的下降，处理器升级不影响系统设计。PCI总线既能满足当今技术的要求，又有满足未来发展的需要，是业界公认的最具有发展前途的总线。 CY7C09449PV－AC是Cypress公司提供的符合PCI2．2总线规范的功能完善、价格低廉的双端口RAM接口芯片。其中一个端口是PCI接口，适合与PC机通信；另一端口为本地接口，适合与各类本地CPU通信，其总线通信时钟速率可达50 MHz，2个端口均可以独立读／写静态存储器SRAM。它提供PCI主／目标接口可以同任何通用微处理器连接，片内有128kB双端口存储器用于局部处理器与PCI总线数据共享。 1．2 PCI局部总线接口的设计 PCI的工作是从总线主控器宣布FRAME＃开始的。从这点开始，PCI总线上的全部其他设备便成为作业目标器，并对主控器放在总线上的地址和命令进行锁定，总线上的每个设备都对地址进行解码，以判定是否为一个匹配的地址。如果设备检测到匹配地址时，便宣布DEVSEL＃信号，以申请作业。这 时目标器准备好向主控器传送数据或从主控器接收数据。主控器和目标器都在宣布解除IRDY＃、TRDY＃后传送数据，由主控器宣布解除FRAME＃以表示作业完成。目标器可以宣布STOP＃信号而引发作业提前中断。在全部数据传送完成后总线转入等待状态。 （1）CY7C09449PV与本地处理器的连接 在位置控制卡上与TI公司的32位浮点数字信号处理器TMS320VC33的连接如图1所示。在FP－GA内部实现对CY7C09949PV的片选译码。采用32位局部总线接口方式。接口方式主要是由字节使能信号（BE＃［3∶0］）和局部总线配置寄存器的总线宽度位（BW［1∶0］）决定的。BE＃［3∶0］和BW［1∶0］的意义如表1所示。值得一提的是，CY7C09449PV的接口是和时钟信号CLKIN同步的，CLKIN信号可以是本地CPU的时钟，也可以是CY7C09449PV提供的PCI时钟信号PCLKOUT［2∶0］中的任意一个，还可以是单独提供的时钟源。局部总线的配置主要是由局部总线宽度寄存器来完成的，它主要对局部总线的读写模式、总线宽度、信号有效电平选择、输入信号采集的时钟边沿以及输出信号的时钟边沿等进行定义，具有很大的柔性。 （2）CY7C09449PV与PCI总线的连接 CY7C09449PV－AC符合PCI局部总线2．2规范，其与PCI总线的连接如图2所示。需要注意的是PCI槽位上的两个信号PRSNT1＃和PRSNT2＃，其用途有两个：其一用来表明槽位上实际存在一块扩展板；其二是提供该板对电源要求的有关信息。表2给出了这两个信号的设置情况。 （3）CY7C09449PV的配置空间 定义一个PCI的配置空间的目的在于：提供一套适当的配置措施，使之满足现行的和可预见的系统配置机构。一个设备的配置空间不仅在系统自举时可以访问，在其它时间内也可以访问。系统软件可能需要扫描PCI总线以便确定实际上存在什么样的设备。因此，配置软件必须读取每个PCI槽位上的设备供应商识别代码。如果所读取的位置上不存在一个设备，则从宿主总线送到PCI的桥必须准确无误地报告出来。由于0FFFFH是一个非法的供应商识别码，所以宿主总线到PCI的桥可以返回一个全“1”，作为一个设备的配置空间寄存器之读出值，以表示设备不存在。 对于配置空间中保留寄存器的写操作，所有的PCI设备都必须将其作为空操作来处理，也就是说访问必须在总线上正常完成，但总线数据要丢弃。对于保留的或者未实现的寄存器的读访问也必须按 正常方式完成，并且回送一个全“0”。 （4）总线的数据传输 在该运动控制器中选择的是高效的突发传输方式。PCI总线和CY7C09449PV的16KB双口RAM之间的突发传输由DMA控制器来完成。驱动程序开始一次DMA传输的基本步骤如下： 1）加载CY7C09449PV双口RAM的起始地址，即DMA局部基地址寄存器DMALBASE； 2）加载PCI总线传输块的起始地址，即DMA主基地址寄存器DMAHBASE； 3）加载传输块的大小，即DMA大小寄存器DMASIZE； 4）初始化DMA，对DMA控制器（DMACTL）最低字节的写操作，即启动DMA控制器。向位0写“1”将数据从CY7C09449PV地双口RAM传输到PCI总线空间，写“0”将反向传输； 5）当DMA完成后，LINT置位，如果DMA完成的中断允许，则产生中断，否则查询该位。 2 PCI接口并联机床数控系统位置控制器硬件系统位控卡设计 课题中并联机床的伺服控制包括6个伺服油缸和2个伺服电机，6个油缸由PARKER公司BD45伺服阀控制，伺服阀的信号由信号调理板BD101输出，BD101提供－10～＋10 V模拟量接口。油缸的反馈为超声波传感器经MK292处理后提供的24位二进制数字量。两个交流伺服电机由驱动模块控 制，驱动模块提供2 500线相对编码器反馈和－10～＋10 V模拟量接口。 位置控制卡硬件系统主要包括： 微处理器系统（处理器、辅助电路、板载存储器）完成系统的管理协调，位置控制。 PCI通讯接口采用CY7C09449PV专用芯片，片内集成了PCI接口逻辑，高速双端口存储器。 反馈处理提供两个接口，分别处理油缸的长度反馈和电机编码器反馈，油缸的反馈为活塞杆的绝对位置，由24位二进制数字量表示，直接由并行端口读入。电机编码器反馈的处理主要包括数字滤波、鉴相、倍频、计数等，获取各轴实际位置和手摇脉冲发生器的处理。 由于伺服电机驱动模块和伺服阀信号调理板提供相同的模拟量接口，所以模拟量输出提供8根实轴驱动模块的8路－10～＋10 V模拟信号。 3 结 论 并联机床作为21世纪高精度、高效率、高速度的新一代数控加工设备，正受到越来越多的机床制造业和科研机构的关注，并成为人们研究开发的热点。并联机床的位置控制系统是其数控系统的重要组成部分，位置伺服系统性能的好坏直接影响着并联机床的加工精度，笔者开发了基于PCI总线接口的并联机床高性能位置控制卡，可以有效的提高位置控制系统的性能、大幅度地减轻主机负担，提升系统整体性能。 参考文献 ［1］周凯．并联机床发展动态与应采取的对策［J］．江苏：江苏机械制造与自动化，2000，（2）：7－8． ［2］Masaru Uchiyama．Structures and characteristics of parallel ma－nipulators［J］．Advanced Robotics，1994，8（6）：545－557． ［3］Allcock A．Machine for the 21th century［J］．Machineryand Production Engineering，1995，20（1）：20－22． ［4］李诚人．数控技术的现状及进展［J］．西安：工业仪表与自动化装置，1996，（4）：56－58． ［5］刘笃仁，杨万海．系统可编程技术及其器件原理与应用［M］．西安：西安电子科技大学出版社，1999． ［6］杨 晖，张凤言．大规模可编程逻辑器件与数字系统设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社，1998． |
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