串行總線計算機數控系統

   1　前言

   在數控系統中，個人計算機技術與數控技術越來越緊密地結合，由此而產生的具有開放性的PCNC數控系統，正在取代傳統形式的數控系統，并成為市場的主流產品。計算機總線結構的變革，必將影響數控系統的體系結構，串行總線的應用將極大地改變現有的傳統數控系統的結構形式。


   2　串行總線的優點

   同并行總線相比，串行總線具有許多優點。串行總線連接引腳數量少，連接簡單，成本較低，系統可靠性高。串行總線對系統體系結構具有重大的影響，它的應用有助于數據流計算機體系結構的實現。

   對于高速計算機系統，串行總線比并行總線更容易使用。在并行總線中，傳輸數據的各個位必須處于一個時鐘周期內的相同位置，頻率越高，對器件的傳輸性能和電路結構要求越嚴格，系統設計難度加大，致使系統成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行總線時，數據的各個位是串行傳輸的。在串行總線設計時，既可以嵌入時鐘信號作為同步信號，也可以采用鎖相環的時鐘恢復方式；同并行總線相比，串行總線的傳輸線效應比較容易處理，從而降低設計難度和系統成本。

   另外，以串行信息包為基礎的系統，不需要編寫驅動程序。當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，而不需要用驅動程序進行上述工作。系統將成為一種信息傳遞系統，而不是事件驅動系統。

   外圍串行總線方式，如IEEE-1394/火線和USB(通用串行總線)，已能成功應用。某些供應商準備采用某種串行總線方式替代PCI(外圍器件互連)系統總線。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。

   為了適應串行總線系統的要求，一些從事前沿技術研究的計算機公司，如Mercury Computer Systems公司正在研究光學底板及光學接口等技術。可以預料，光學鏈路將會在串行總線系統中發揮重要作用。


   3　國外數控系統總線接口的發展概況

   在數控系統行業中，世界上最大的數控系統生產廠日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列數控系統，便是一種串行總線結構形式的數控系統。該系列數控系統以其獨特的結構、優良的性能引起了關注。其中配備18i系統的鉆削中心已在我國銷售。

   根據日本FANUC公司提供的資料，我們以15i系統為例進行簡要介紹。

   15i系統是目前世界上最高性能的CNC數控系統，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)，適應高速、高精度加工的要求。

   傳統數控系統和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統連接比較復雜。15i系統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。

   該系列產品在市場中具有很強的競爭力，在未來幾年中FANUC i系列數控系統將逐漸取代FANUC 0系列數控系統，成為該公司的主導產品。

   1990年德國一些著名的CNC系統和伺服系統制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，與科研機構共同發起成立了SERCOS協會，并制訂了串行實時通訊協議(Serial Real Time Communication Specification)，以便在德國建立一個統一的CNC系統與數字伺服系統接口標準，并開發相應的產品。1992年4月，該協議已經被建議作為新的德國標準和國際標準DIN/IEC44。目前該協議已經被歐洲主要CNC系統和伺服系統制造商所接受，引起國際同行業的重視。THOMSON公司已經取得SERCOS接口硬件的生產許可，生產出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系統和伺服系統生產廠家使用。1997年日本也成立了SERCOS協會。

   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，并投入實際應用。


   4　我國的現狀和對策

   在我國市場上，國外數控系統仍占統治地位，傳統數控系統還占據著市場的絕大部分份額，中國市場成為其落后技術及庫存的傾銷地。

   雖然中華Ⅰ型、航天Ⅰ型、華中Ⅰ型等PCNC系統相繼推出，但總體設計仍未擺脫傳統數控系統的框架，成本較高，目前還難以取代傳統數控系統的市場地位。但隨著個人計算機及網絡技術在數控系統中的應用，傳統數控系統不可避免地將被更具有競爭力的串行總線計算機數控系統(SCNC)所取代。串行總線計算機數控系統將成為數控系統未來發展的方向，對串行總線系統結構的研究應引起我們的高度重視。

   在學習消化國外先進技術的基礎上，盡快研究、建立有關的標準和協議，選擇適用的實時操作系統，開發相應的數控軟件、串行接口芯片和伺服系統，推出我國自主版權的新一代數控系統，為參與國際市場競爭打下良好的物質基礎。


   5　結束語

   串行總線計算機數控系統(SCNC)是數控系統的發展方向，我們不能完全依賴國外進口，應加強對新技術、新方法的研究。國內同行應團結一致，共同努力，聯合相關行業，尋求發展，振興我國數控系統產業。

　

作者單位

鄭立新，北京朝陽區東直門外望京路4號，北京機床研究所數控工程中心，郵編：100102

參考文獻

1，郇極.CNC系統數字伺服接口協議SERCOS.機械工業自動化，1997，19(2)
2，JEEE CHILD.未來的計算領域：串行總線革命如火如荼.電子設計(中文版)，1999(3)