串行总线的计算机数控系统

1 前言

　　在计算机系统中，总线接口对整个系统的性能和功能都有直接影响，有关专家预测，在下一世纪里，串行总线将逐渐取代并行总线。

　　在数控系统中，个人计算机技术与数控技术越来越紧密地结合，由此而产生的具有开放性的PCNC数控系统，正在取代传统形式的数控系统，并成为市场的主流产品。计算机总线结构的变革，必将影响数控系统的体系结构，串行总线的应用将极大地改变现有的传统数控系统的结构形式。

2 串行总线的优点

　　同并行总线相比，串行总线具有许多优点。串行总线连接引脚数量少，连接简单，成本较低，系统可靠性高。串行总线对系统体系结构具有重大的影响，它的应用有助于数据流计算机体系结构的实现。

　　对于高速计算机系统，串行总线比并行总线更容易使用。在并行总线中，传输数据的各个位必须处于一个时钟周期内的相同位置，频率越高，对器件的传输性能和电路结构要求越严格，系统设计难度加大，致使系统成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行总线时，数据的各个位是串行传输的。在串行总线设计时，既可以嵌入时钟信号作为同步信号，也可以采用锁相环的时钟恢复方式；同并行总线相比，串行总线的传输线效应比较容易处理，从而降低设计难度和系统成本。

　　另外，以串行信息包为基础的系统，不需要编写驱动程序。当断开任何一根互连线，对全部信息包进行解码时，串行总线将这些信息包移入存储器并中断处理器，这是一种局部的中断或事件。随后微处理器将查看这些信息包，而不需要用驱动程序进行上述工作。系统将成为一种信息传递系统，而不是事件驱动系统。

　　外围串行总线方式，如IEEE-1394/火线和USB（通用串行总线），已能成功应用。某些供应商准备采用某种串行总线方式替代PCI（外围器件互连）系统总线。例如，Intel公司在1998年秋季披露，下一代I/O（NGI/O）串行总线能替代个人计算机中的PCI总线。

　　为了适应串行总线系统的要求，一些从事前沿技术研究的计算机公司，如Mercury Computer Systems公司正在研究光学底板及光学接口等技术。可以预料，光学链路将会在串行总线系统中发挥重要作用。

3 国外数控系统总线接口的发展概况

　　在数控系统行业中，世界上最大的数控系统生产厂日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列数控系统，便是一种串行总线结构形式的数控系统。该系列数控系统以其独特的结构、优良的性能引起了关注。其中配备18i系统的钻削中心已在我国销售。

　　根据日本FANUC公司提供的资料，我们以15i系统为例进行简要介绍。

　　15i系统是目前世界上最高性能的CNC数控系统，最多可进行24轴控制，可控制5轴机床完成如航空部件，模具等零件的高速、高精度加工。插补精度为1nm（被称为NANO插补），改进加减速控制（Fine HPCC），适应高速、高精度加工的要求。

　　传统数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连接比较复杂。15i系统与各轴伺服单元是通过高速串行总线连接的，仅需一根光缆就可以连接8台伺服单元。另外通过一根电缆即可与I/O模块相连，I/O模块可以扩展。操作单元采用14“彩色液晶显示触摸屏，用户的机床操作可在触摸屏上进行，大大简化了电气配线，整个系统连接非常简单，从而降低了成本和维修难度，提高了可靠性和灵活性。

　　该系列产品在市场中具有很强的竞争力，在未来几年中FANUC i系列数控系统将逐渐取代FANUC 0系列数控系统，成为该公司的主导产品。

　　1990年德国一些着名的CNC系统和伺服系统制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，与科研机构共同发起成立了SERCOS协会，并制订了串行实时通讯协议（Serial Real Time CommunicatiON Specification），以便在德国建立一个统一的CNC系统与数字伺服系统接口标准，并开发相应的产品。1992年4月，该协议已经被建议作为新的德国标准和国际标准DIN/IEC44.目前该协议已经被欧洲主要CNC系统和伺服系统制造商所接受，引起国际同行业的重视。THOMSON公司已经取得SERCOS接口硬件的生产许可，生产出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系统和伺服系统生产厂家使用。1997年日本也成立了SERCOS协会。

　　另外，欧洲的一些公司已推出具有CAN总线接口的伺服控制单元，并投入实际应用。

4 我国的现状和对策

　　在我国市场上，国外数控系统仍占统治地位，传统数控系统还占据着市场的绝大部分份额，中国市场成为其落后技术及库存的倾销地。

虽然中华Ⅰ型、航天Ⅰ型、华中Ⅰ型等PCNC系统相继推出，但总体设计仍未摆脱传统数控系统的框架，成本较高，目前还难以取代传统数控系统的市场地位。但随着个人计算机及网络