基于现场总线的可重构数控系统的研究

[3]对可重构制造系统特征的定义，可重构数控系统具备模块化、可集成、可转换、可维护和可定制的特征。采用FPGA构建的数控系统能够很好地体现这些特征。

(1)模块化可对数控系统按功能划分模块，然后采用硬件描述语言进行逻辑描述，制成专门的数控IP。

(2)集成化使用专门的综合软件，将从其他IP供应商购买到的IP和自己开发的数控IP集成为数控系统。

(3)可配置FPGA是基于静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)编程的，而硬件描述语言支持参数化设计，只要模块接口定义开放，也可以通过修改数控IP和整合不同的IP来改变设计，下载不同的配置数据以实现柔性化的设计。

(4)可定制FPGA能够通过裁减和重整不同的IP，实现数控系统的功能定制，满足特定的加工要求，避免功能的冗余。

(5)可维护性FPGA能够实现在系统编程和在系统重构，因而可以通过重新下载配置数据，实现系统本地或远程升级与维护。

FPGA的上述优点可满足实现数控系统重构的硬件需要。当数控系统根据用户需求对伺服驱动或逻辑开关量等外部硬件进行扩展或重构后，FPGA在外部逻辑的控制下可通过对存储于E2PROM存储器中的FPGA配置数据重新下载，实现内部逻辑电路更新，从而使数控系统的逻辑电路也完成相应的重构。

基于FPGA的可重构设计，可按需要实时地调整系统的控制逻辑，因而可大大增加计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统的柔性和现场可重构性。如图2为基于FPGA的可重构系统的结构框图，系统可实现对数控镗床、数控钻床、数控铣床和数控车床的重构设计。

图2基于FPGA的可重构系统结构

这种新型的数字逻辑系统从资源利用率来讲，可以动态重构地复用资源，资源利用率将成倍地提高，所需的硬件规模也将大大下降。同时，由于不是采用指令运算而是采用硬件复用原理，在某种意义上还有助于系统工作速度的提高。

2基于现场总线的数控系统的研究

2．1 PROFIBUS总线简介

开放式数控系统的两个重要内涵是自身接口的标准化、协议化和分布式体系的模块互连结构，这实际上与现场总线的技术纲领是一致的，即开放的、互联的接口规范和通信规范所组成的控制系统模型。因此，采用现场总线技术构建开放结构数控系统是一种必然的技术发展趋势，而且这种趋势定位在体系结构这个级别上，由此会彻底影响数控系统的设计、操作和配置等一系列特征，它正在触发传统数控技术领域内的重大变革，特别是伴随着开放式数控技术的研究和应用的升温，以数控系统为控制中心的控制系统和控制平台框架正在形成。

PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，目前已广泛应用于加工制造和过程控制，属于成熟的总线技术，世界上众多自动化技术生产厂家都为他们的设备提供了PROFIBUS接口。PROFI—BUs—DP是经过优化的高速廉价的通信连接，专为自动化系统和分散的现场控制设备之间通信而设计，特别是加工制造过程的控制，因此是分布式控制系统的高速数据传输的首选，而且PROFIBUS—DP定义了非常适合于数控系统功能实现的专用行规。所谓行规，就是根据应用的行业，对用户数据的含义进行了具体的、有针对性的定义和说明，从而使不同生产商的自动化设备只要遵循行规的格式描述，就可以实现互换。PROFIBUS—DP共有3个特别为数控应用定义的行规：

(1)NC／RC行规(文件编号：3．052) 描述了如何通过PRoFIBUS—DP对机器人和数控机床机型进行控制，提供了详细的顺序图解，从高级自动化的角度描述了机械运动和过程控制的实现。

(2)编码器行规(文件编号：3．062) 描述了带单转或多转分辨率的旋转编码器、角度编码器和线性编码器与PROFIBUS—DP的连接，并为这些设备分两种等级定义了基本功能和附加功能，如标定、中断处理和扩充的诊断。编码器正是数控系统中各类伺服电机和主轴电机测量位置和速度的核心测量传感器。

(3)变速传动行规(文件编号：3．071) 描述了传动设备如何参数化以及如何传送设定值和收集实际值，它包括对速度控制和定位控制的必要规格参数规定基本的传动功能，又为特殊的应用扩展和进一步协议进化留有余地。

可见，采用PROFIBUS—DP作为基础，进行分布式数控系统的设计是最合适的，而且符合未来技术的发展趋势。

2．2 PROFIBUS—DP总线时间特性分析

PROFIBUS—DP采用单一的总线存取协议，通过开放式系统互联(0pen System Interconnect，OSI)参考模型的第2层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS—DP中，这一层被称为现场总线数据链路(Fieldbus DataLink，FDL)，但实际上由介质存取控制(Med