（机械工程专业论文）基于dsp和can总线的铣床数控系统开发.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 近年来，随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已 成为计算机技术应用领域最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。总线化是工业控制 系统的一个发展方向，它在适用范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面较集 中式控制系统有明显的优越性。c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线由于其高性能、高可 靠性及独特的设计，具有较强的抗干扰能力，适合用于实时性要求很高的系统。 本文的目的是研究开发铣床数控系统中的通讯子系统，给出基于双口存储器、数字 信号处理器和c a n 总线的通讯子系统设计。实现n c 主机与伺服驱动器之间、n c 主机 与i o 模块之间的信息传输，提升数控系统的性能。 本文首先介绍了数控系统的发展趋势、几种常用总线。结合本项目详细说明了c a n 总线通讯技术。提出了一种基于c a n 总线的通讯子系统设计方案，采用数字信号处理 器与c a n 总线技术完成该通讯子系统硬件设计。在这个设计方案中主控制计算机采用 嵌入式工业计算机标准模块p c i 0 4 ，通讯模块中采用一d s p ，数字信号处理器 t m s 3 2 0 l s 2 4 0 7 ，通过数据地址总线和双口r a m 技术，使p c 与d s p 进行实时数据交 互，再通过d s p 控制实现p c 与c a n 总线控制器之间的通讯，并由c a n 总线通讯完成 数控系统对数字伺服驱动器的运动控制。结合这种硬件设计譬研究开发予确套数控系统 与多个伺服驱动器间基于c a n 总线通讯协议，消除了数控系统与驱动器间指令异步传 输对数控系统性能的影响。并在通讯子系统的d s p 和伺服驱动器上编程实现该通讯协 议，对其中通讯控制软件的设计进行了详细论述。通过实验验证了本文中提出的这种基 于d s p 的c a n 总线结构数控系统及c a n 总线通讯协议设计方案的可行性。实际应用 也表明这种通讯子系统设计达到了预期目标，有很高的可靠性和实时性。 关键词：c a n 总线；d s p ；数控系统；数字伺服 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 d e v e l o p m e n t o fm i l l i n gc n c s y s t e mb a s e d o nd s pa n dc a n a b s t r a c t i nt h el a t e s ty e a r s ，t h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，f o l l o w i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e c o m p m e rh a r d w a r et e c h n o l o g y 、t h ec o m p u t e rs o r w a r et e c h n o l o g ya n dt h ei n t e g r a t e dc i r c u i t t e c h n o l o g y ，h a sb e e no n eo ft h em o s tl i v i n gb r a n c h e si nt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g i e sa p p l i c a t i o n a r e a , w i t hag r e a tp r o g r e s sa tt h es a m et i m e b u s l i z a t i o ni so n ed i r e c t i o no ft h ei n d u s t r y c o n t r o l s y s t e md e v e l o p m e n t i th a s o b v i o u s s u p e r i o r i t i e s i n a p p l i c a b i l i t ys c o p e ，i n e x p a n s i b i l i t y ，i nm a i n t a i n a b i l i t y a n di na n t i - m a l f u n c t i o na b i l i t y 鼬c o m p a r i n gw i t ht h e c o n c e n t r a t i v ec o n t r o ls y s t e m f o ri t sg r e a tp e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dt h eu n i q u ed e s i g n ， c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) h a ss t r o n ga n t i m a l f u n c t i o na b i l i t yw h i c hi sa p p l i c a b l et ot h e s y s t e md e m a n d i n gh i g hr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e 1 1 1 i sp a p e ra i m sa ts t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mf o rm i l l i n gc n c s y s t e ma r r i v e sa tac o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mb yu s i n gd p r a m ，d s pa n dc a n b u s w h i c h t r a n s f o r mi n f o r m a t i o na m o n gn ca n ds e 0d r i v e r s ，n ca n di om o d u l e s ，i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fn cs y s t e m i nt h i sp a p e r ，d e v e l o p m e n to fc n cs y s t e ma n ds e v e r a lk i n do f f i e l db u si si n t r o d u c e da t f i r s t , t h e nt h ec a nb u st e c h n o l o g y i si l l u s t r a t e di nd e t a i l s t h ea u t h o r g a v e a c o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mh a r d w a r ep r o p o s a l ，c o m p l e t e dt h e ：d e s i g no fc o m m u n i c a t i o n s u b - s y s t e mh a r d w a r eu s i n gd s p a n dc a nb u s i nt h i sp r o p o s a l ，g e n e r a lp e r s o n a lc o m p u t e r u s i n gp c 10 4a n dd s pc o r ep r o c e s s o rt m s 3 2 0 l s 2 4 0 7 ，t h ed a t at r a n s m i t t e db yd s pa r e c h a n g e di n t os t a n d a r df o r m a tc o n f o r m i n gt oc a n 2 0a g r e e m e n tb yc a nc o n t r o l l e r t h e nt h e d a t aa r es e n tt or e l a t e dn o d e so fc a nb u si nt h ef o r mo fm e s s a g e r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d as e to fp r o t o c o lf o rc a nb u sc o m m u n i c a t i o na m o n gn ca n ds e r v od r i v e s ，w h i c he l i m i n a t e d t h ee f f e c to fa s y n c h r o n o u si n s t r u c t i o nt h a tt r a n s f o r m e da m o n gn ca n ds e r v od r i v e r s t h c a u t h o rr e a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb yp r o g r a m m i n gb o t hi nd s pa n ds e r v od r i v e r , i l l u s t r a t e dt h ed e s i g n so fs o f t w a r ei nd e t a i l 1 1 l ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g nw a sp r o v e db y e x p e r i m e n t ；t h ea c t u a la p p l i c a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ed e s i g na r r i v e da to r i g i n a lt a r g e t ，w i t h k 曲r e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c a n b u s ；d s p ：c n cs y s t e m ：s e r v od r i v e r i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王垒墨里生g 奠! 鳖绫鲍锰虚数控蠢统匠发 作者签名： 缘盔鱼日期。z 盟星年j 王月j - 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：基士望墨里生g 堕! 望线鲍丝鏖熬撞丕红匠发 作者签名： 缉! 盏壶日期：三堡1 2 年上l 月二日 导师签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 传统伺服驱动系统的控制信号普遍采用模拟电流、电压或脉冲序列，采用多条并行 信号线，布线繁琐，维护困难。随着计算机技术的飞速发展，数控系统的体系结构向着 开放式、p c 化、模块化、软件化、网络化、智能化等方向发展。因此传统伺服系统的 接口方式与开放式数控系统p c 化、模块化、软件化、网络化、智能化要求之间的矛盾 日益凸现。在现代工业控制领域，现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需要， 解决了传统总线插板i o 模块多，干扰严重、系统软件编写复杂、系统硬件兼容性差等 问题，大大减轻了现场信号连接的繁琐与费用，提高了信号传输的精度与灵活性，给安 装、调试和维护带来诸多方便，为现场用户带来巨大的经济效益，代表着自动化领域发 展的一个重要方向，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域，通 过现场总线实现伺服控制的方案势在必行，而控制器局域网( c a n ) 是现场总线中最有 前途的一种总线。 本文针对目前实时数控系统的发展现状和存在问题，提出了一种基于美国t i 公司 d s p 的c a n 总线通讯控制的铣床数控系统，该系统由嵌入式工业计算机标准模块p c i 0 4 作为主控制计算机，以d s p 数字信号处理器t m s 3 2 0 l s 2 4 0 7 为主构成的通讯模块，主 轴及i o 控制模块和多台基于高性能d s p 数字信号处理器t m s 3 2 0 l s 2 8 1 2 的伺服驱动 系统三部分组成。通过双口r a m 实现p c 与d s p 的实时数据交互，由d s p 来驱动c a n 控制器s j a l 0 0 0 对c a n 总线发送和接收数据，实现主控制器p c i 0 4 与c a n 总线个节 点上伺服驱动系统的通讯，完成对伺服电机的运动控制。 本文介绍该数控系统硬件组成结构，总线通讯应用协议的设计方法，着重阐述了该 系统通讯控制软件部分的设计开发和具体实现过程。 本课题属于公司重点开发项目高档铣床系统的组成之一，该项目从2 0 0 7 年l o 月开 始立项开发，截至2 0 0 9 年4 月实现原型机调试，并在厂内进行实际加工测试。 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 1 绪论 1 1选题的背景和意义 1 1 1 数控系统简介 最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代末， 经历了电子管、晶体管、小规模集成电路和中大规模集成电路几个阶段。它们共同的特 点是控制功能主要由系统的硬件来实现，这类系统称为硬件数控系统，其缺点是明显的， 尤其大型复杂的数控系统，不仅硬件结构复杂，性能有限，开发周期长，成本高，而且 其可靠性也随着硬件数量的增多而大大下降，因此这种数控系统通用性差，缺乏柔性【l l 。 传统c n c 系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，如f a n u c 0 系统、m i t s u b i s h i m 5 0 系统、s i n u m e r i k8 1 0 m t g 系统等。传统c n c 系统的系统软硬件都是各自 专用的，各厂家的主板、伺服电路与系统软件的设计各自为政，数控产品没有统一的标 准，严重影响数控技术的发展进步和普及。 2 0 世纪8 0 年代开始，随着计算机技术，尤其是微电子技术的飞速发展，数控系统 的结构有了明显变化，产生了系统功能由控制软件来实现的计算机数控系统( c n c ，仍 然通称为数控) 这种系统克服了n c 系统的最大弱点，柔性很大，因而大大促进了数控 技术的发展和产量的提高。f a n u c 公司是世界上产量最大的数控系统生产厂，产品的 产量约占一半。德国s i e m e n s 公司的产品数量占第二位，但其产品覆盖面广、品种全。 意大利f i d i a 公司生产的数控在技术上颇具特色。日本o k u m a 公司作为主机厂自行 开发的数控系统与其产品相结合，性能上有其独到之处。2 0 世纪9 0 年代以来，p c 技术 的引入为数控技术的发展提供了新的机遇，而当今市场对于适合中小批量加工、具有良 好柔性和多种加工功能的制造系统的需求逐步超过对大型单功能制造系统的需要，现有 的大多数的商用数控系统都是基于专用设计，即使这些专用的数控系统己证明是可靠的 且能满足应用的需要，在实际使用它们时仍然存在价格高及结构不通用，系统兼容性问 题；修改和扩充新功能存在困难；集成成本高；故障解决和操作都需要重新培训的高成 本这些问题都在客观上促进了数控系统向开放式、模块化、网络化及智能化方向的发 展。开放式控制系统是以通用的个人计算机的硬件( p c ) 和软件为基础，采用模块化、层 次化的体系结构；能通过各种形式向外提供统一应用程序接口的系统。其特点是具有可 扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性，开放式数控系统能够在多种平台上 运行，可以和其他系统相互操作并能给用户提供一种统一风格的交互方式的系统【2 1 。 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 1 2 国内外数控系统的研究和发展现状 近十年来，随着计算机技术的快速发展，各种不同层次的数控系统应运而生，发展 很快。就结构形式而言，目前数控系统大致可分为3 种类型【3 】： ( 1 ) 传统的n c 数控系统。如f a n u c o 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i n u m e r i k 8 1 0 m t g 系统等，这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。 ( 2 ) “n c + p c ”结构的开放式数控系统。如美国d e l t a t a u 公司用p m a c 多轴运动控 制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0 c n c 等。它由开放体系结构运动控制卡和p c 机共同构成，开 放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。 ( 3 ) s o f t 型开放式数控系统。如美国m n s l 公司的o p e n e n e 、德国p o w e r a u t o m a t i n n 公司的8 0 0 0 n t 等。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算 机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口，就像计算 机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w s n t 平台上， 利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前 几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比 我国已建立起不同程度的拥有一定规模的中高档数控设备生产基地。华中理工大学 和珠峰公司采用p c + 数控卡的方案构成硬件平台，开发了华中i 型和中华i i 型数控系统， 这是将数控专用模板嵌入通用p c 机，构成单机数控系统：航天数控集团公司则采用通 用p c 机的体系结构，开发的航天i 型和蓝天i 型是将p c 机嵌入到数控之中，构成多机 数控系统，其中蓝天高档数控系统，已经成功打入国际市场，这表明我国在数控行业有 了前所未有的进展。成都广泰g r e a i - 1 6 0 i m 铣削加工中心数控系统，采用基于3 2 位的 高性能、低功耗的工业级a r m 微处理器+ f p g a 技术。南京四开电子企业公司研发的 s k y 2 0 0 6 型新一代开放式数控系统，采用通用工业p c 机进行数控运算( 软件实时模块) ， 通过1 0 0 m i g 以太网与基于f p g a 精密插补核心( 硬件实时模块) 相连。系统多轴运动 和f p g a 的精插补软核并行完成，保证数控轨迹高精密性【4 】。 但国内关于开放式数控系统所具备的开放性都是基于工控p c 机本身固有的开放特 征，这种开放式体系的代价就是要完全依赖于计算机的结构框架。其次，工控p c 机模 式的开放式数控系统为了降低软件开发的难度，实现诸如远程通讯、多媒体编程、与通 用大型软件兼容等功能，一般都要采用w i n d o w s 操作系统平台，简单依靠w i n d o w s 本 身的时钟消息不能满足控制系统的实时要求，且p c 机在运行时都配备大的硬盘，并与 数控加工无关的任务和控件要占去许多内存额。由于其系统软件结构和管理要求，程序 运行时w i n d o w s 管理系统软件会不断地读写硬盘，不能很好体现控制过程要求的实时 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 性，这些因素影响着系统对数控加工过程的及时响应，降低了系统对重要控制事件的处 理速度，增加了系统运行的开销，导致系统长期运行过程的不稳定。另外，n c 嵌入p c 模式的数控系统基本上不提供二次开发环境，只提供一些接口和参数的重新配置和功能 定义，还有一些提供了p l c 的编程功能和相应的编程工具，但这也只是对开关量的简 单配置。 国外中高档开放式数控系统也借助于w i n d o w s 平台和其丰富的软件资源。在系统 体系结构上，大都采用上下位机结构，即上位机运行平台为w i n d o w s 软件系统，高档 数控一般采用l i n u x 、v x w o r k s 等嵌入式操作系统下位机采用专用的运动控制板和与 上位机无关的自带操作平台软件，上下位机间只是数据流的传输，以实现加工过程中的 数据在线显示，如美国p m a c 公司、g a l i l 公司等的运动控制板结构，其自身的多轴控 制配置、自带的用于底层板卡操作控制的软件，及与上位机间的数据传输模式保证了加 工过程的可靠性和系统本身的开放性。二次开发时，一方面通过板卡上增减接口数来实 现控制轴数和通道数的改变，另一方面通过将自己构建下位机软件的函数库以封装的形 式提供给用户，来实现用户自己动手配置控制系统，但难度较大。 1 1 3 数控技术的发展趋势 目前，数控技术正朝着这样几个方向发展。 ( 1 ) 继续向具有开放式体系结构的数控系统发展 基于p c 机所具有的开放性、成本较低、高可靠性、软硬件可剪裁目前许多国家 等都投入大量的人力、物力，建立基于p c 机的新研究。根据最新i e e e 定义，开放系 统应该能够使系统运行于不同销售商的不同平台之上，可以与其他应用系统实行一致风 格的用户交互界面一般认为，开放式体系结构应具备相互操作性、可移植性、可缩放 性、可互换性1 5 j 。 相互操作性。系统提供标准化的接口、通讯和交互模型模块可以通过标准化的应 用程序接口运行于系统平台之上，相互操作能力，协调工作。 可移植性。不同的应用程度模块可以运行于不同供应商平台之上 可缩放性。可以通过装载和卸载特定功能模块单元来实现特定的功能。 可互换性。不同性能、可靠性的单元可以相互替代。 ( 2 ) 向高速化、高精度和高自动化发展 高速、高精度和高自动化是机械加工的目标和方向发展。高速、高精度和高自动化 技术可极大地提高精度和效率，提高产品的质量，缩短开发周期、适应市场的需求和提 高市场竞争能力。世界各国的数控专家在提高系统的控制精度和加工速度上努力。要求 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 数控系统能够高速插补的位移量，伺服电机可以在极短的时间内达到指定的运行速度并 且保持高的定位精度。 ( 3 ) 向智能化方向发展 应用自适应控制技术，数控系统能检测加工过程中一些重要信息以及与系统有关参 数，达到改进系统运行状态的目的。带有自适应控制的系统可以在加工过程中根据切削 力和切削温度等加工参数，自动优化各项控制功能。达到提高生产率，增加刀具寿命并 改善加工的表面质量等目的。智能管理功能可以智能地管理刀具，使得刀具保持最佳工 作状态。 ( 4 ) 向网络化发展 为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化日趋成熟。在企业内 部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的利益最大化，更加适应未来车间 的面向任务的订单的生产发展模式，使得底层更加简便有效【9 j 。在生产企业之间，数控 系统的网络化功能可充分利用共享资源，互通有无。 1 2 现场总线技术简介 1 2 1 现场总线技术概述 在计算机数据传输领域内，长期以来使用r s 2 3 2 和c c i t tv 2 4 通信标准，尽管他 们被广泛地使用，但确是一种低数据速率和点对点的数据传输标准，无能力支持更高层 次的计算机之间的功能操作。同时在复杂或大规模的应用( 如工业现场控制或生产自动 化领域) 中需要使用大量的传感器、执行器和控制器，他们通常分布在非常广的范围内， 如果在最低层上采用传统的星形拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常昂贵；采 用流行的l a n 介质及相关的硬件和软件又使其系统造价与行星系统相差无几。所以在 最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统，现场总 线就是在这种背景下产生的。 现场总线是在制造过程现场和安装在生产控制室先进自动化装置中所配置的主要 自动化装置之间的一种串行通信数据链路。 现场总线采用三层网络结构物理层、数据链路层和应用层。流量控制和差错控 制在在数据链路层执行。这种网络结构具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点， 同时性能又令人满意。因此，现场总线是一种开放式的实时系统，它只具有简化的网络 结构，而与o s i ( 七层开放系统接口) 不完全保持一致。 采用现场总线的系统具有如下特点： 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 在分级控制系统中，采用现场总线的系统虽然可能具备足够的智能( 数字计算能 力) ，但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低的功能。 现场总线通常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高 一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段。 采用现场总线的系统通常费用较低，可以用低廉的造价组成一个系统，而且与上层 网络连接的费用也不高。 对于工业领域，采用现场总线的最大优点是可大大节约连接导线、维护、和安装费 用。同时，现场总线能够传送多个过程变量，而且在传输变量过程的同时，仪表的标识 符和简单的诊断信息也可一并传送。数字信号的精确性是现场总线的又一优点，数字信 号比4 m a 一2 0 m a 模拟信号分辨率高，因此，可排除过去在数模转换中所产生的误差。 远程维护在采用数字通信和现场智能仪表后也将成为可能【5 j 。 1 2 2 几种常用现场总线的比较 下面介绍几种较有影响的工业现场总线： ( 1 ) b i t b u s 总线，由i n t e l 公司推出。它是一种低成本的串行控制总线，其物理层使 用e i a 4 8 5 标准，采用两对双绞线，一对用于传输数据，另一对用于传输时钟和控制信 号。它的数据链路层采用i b m 同步数据链路控制标准s d l c 。b i t b u s 允许一条线路上最 多挂接2 5 0 个节点，它以主从方式工作，最高传输速率5 0 0 k b p s ，最大传输距离1 2 k m 。 ( 2 ) p r o f i b u s ，由欧洲i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o j e c t ) 组织推出。它是一种多主多从 的令牌网络。物理层使用e i a 4 8 5 标准，数据链路层采用分布式令牌协议。每一个系统 允许最多4 个网段，每个网段可挂接3 2 个节点。p r o f i b u s 自1 9 8 9 年问世以来，其严格 的定义和完善的功能成为开放式系统的典范。 ( 3 ) f f 基金会总线，由i s p 和w o r l df i p 组织合并而成的f f 组织推出。f f 网络除 了应用层、数据链路层核物理层之外，还增加了用户层，各厂家设备通过用户层实现互 操作。f f 总线协议包括低速总线协议h 1 和高速总线协议h 2 ，h 1 和h 2 可以通过网桥连 结。 ( 4 ) l o n w o r k s ，由美国e c h e l o n 公司推出。它采用l o n t a l k 通信协议，该协议 遵循i s o o s i 参考模型，提供了o s i 所定义的全部7 层服务。这是一种对等网络，其碰 撞检测机制为c s m a 加时隙方式，使网络碰撞的几率大大降低。n e u r o n 芯片是l o n 总 线的核心，具有强的网络处理能力。其物理层可使用多种物理介质，具有专门的网络收 发器以适应不同的物理线路。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 5 ) c a n b u s ，这是一种对等的总线网；其物理层符合i s od i sl1 8 9 8 标准，可使用 双绞线；数据链路层采用了载波监听冲突检测机制，并增加了优先级控制。c a n 的最 大传输速率为1 m b p s ，最大传输距离为1 0 k m ，网络上节点数量无特定限制。有关c a n 的知识将在下面章节中作详细叙述。 ( 6 ) b i t b u s 是多主多从结构的总线形式，不利于系统的扩展；p r o f i b u s 的最远通信距 离为1 2 k m ，这也限制了它在某些方面的应用；f f 基金会总线的协议已经形成，但其现 场测试一直没有完整地进行；l o n w o r k s 网络功能强大，但针对不同的物理线路需要 不同的网络收发器，无疑增加了系统的造价。c a n 总线以其独特的优点，在各个领域 的到了越来越多的应用。 1 3 本课题研究的意义 数控系统( c n c ) 是控制数控机床的大脑，c n c 性能高低是衡量一台数控机床整 体功能和性能的重要技术指标。随着我国工业现代化不断发展，数控机床的市场份额占 我国机床市场的比重越来越大，作为国内机床行业的龙头企业，独立开发一套完全自主 知识产权的铣床数控系统，是企业抢占相应的市场份额，提高自身优势竞争力的有效途 径。 为了实现这一设计目标，本项目在伺服驱动器控制模块和n c 控制模块中均采用了 c a n 总线技术、数字伺服控制算法，p i d 控制算法，加工轨迹解析、控制算法，p m c 控制等软硬件技术。本系统具有p c 平台的开发环境好、软硬件资源丰富。同时，根据 多年的市场信息反馈和应用经验，采用了全新的用户操作架构和用户界面，提供了更加 友好的h m i 界面。 本论文研究了基于美国t i 公司d s p 的c a n 总线通讯控制的数控系统的设计开发 方法。论文给出了了该系统的硬件配置组成，详细描述了系统软件中c a n 总线通讯功 能模块的设计原理、程序架构和具体实现方法。以及该系统在产品化之前的所做各项可 靠性试验。 随着国内数控系统行业的技术进步和市场发展，数控机床的普及程度越来越高。用 户对数控机床包括数控系统本身的性能的要求也越来越严格。一款成功的高性价比数控 系统也能够有效的刺激中国数控行业的良性竞争和加快发展。目前，该产品现进小规模 试生产阶段，该产品在“2 0 0 9c i m t 第十一届中国国际机床展览会上获得大量参观 人员的关注和好评，对提升企业的竞争力具有重要的实际意义。 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 1 4 论文主要研究内容 本文研究的目的是在数控系统中利用微处理器d s p 来完成c a n 总线技术的应用， 采用1 6 位d s p 数字信号处理器与基于c a n 总线的分布式控制模型，利用c a n 总线的 实时性和可靠性，来提高数控铣床的性能。 在本设计中上位机采用研华公司嵌入式工业计算机标准模块p c i 0 4 ，通讯模块中采 用t i 公司的d s p 数字信号处理器t m s 3 2 0 l s 2 4 0 7 ，通过标准i s a 接口和双口r a m 技 术，使p c 与d s p 进行实时数据交互，再通过d s p 控制实现p c 与c a n 总线控制器之 间的通讯；应用了d s p 多任务和实时性，及高速运算能力，研究了c a n 总线在数控系 统运动控制中的应用，解决了数控系统与伺服间指令信息误差对数控系统性能的影响， 设计了数控系统与多个d s p 的数字交流伺服系统间基于c a n 总线的通讯协议，介绍了 一种基于c a n 总线技术的数控系统及数字交流伺服系统的结构原理和软、硬件设计。 在本论文中作了如下工作： ( 1 ) 分析了数控系统的发展及目前国内数控系统的不足之处后，阐述了选题的背景 和意义； ( 2 ) 介绍了c a n 总线技术的发展与应用，c a n 总线通讯帧的构成及传输技术的性 能和特点； ( 3 ) 对该项目的系统结构需求及其硬件构成，做出了分析说明，对所选用的c a n 总 线控制器芯片s j a l 0 0 0 ，通讯模块中选用的d s p 微处理器t m s 3 2 0 l s 2 4 0 7 和伺服驱动 系统中选用的d s p 微处理器t m s 3 2 0 l s 2 8 1 2 及其c a n 模块进行了简单介绍； ( 4 ) 详细说明了该课题中c a n 总线通讯的数据结构，设计了一套数控系统与多个 d s p 的数字交流伺服系统间基于c a n 总线的通讯协议； ( 5 ) 详细说明了该课题中主控制计算机的通讯模块和伺服驱动系统中的软件设计； ( 6 ) 对该系统总线性能的测试及系统整体的性能和可靠性测试说明； 最后，对全文进行了总结。 1 5本章小结 本章介绍了课题的选题及背景，对数控系统的发展及目前国内数控系统的不足继续 进行了分析，介绍了现场总线技术的发展，并对几种现场总线技术进行了对比分析，最 后提出了本文的主要研究内容。 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 c a n 总线技术应用 2 1现场总线的产生 工业控制系统中测控仪表的传输信号经历了从最初的四线制模拟量到统一的两线 制4 - - - 2 0 m a 标准模拟量再到集中式数字量的发展过程，在精度、抗干扰能力以及整个 控制系统的控制效果和系统稳定性方面都得到了逐步改善。2 0 世纪7 0 年代中期，随着 计算机可靠性的提高，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶构成的 集中和分散相结合的集散控制系统( d e s ) ，并从8 0 年代开始得到了普遍应用。集散控制 系统是一种模拟数字的混合系统，在功能和性能上又实现了一大进步。但是，d c s 属于 封闭式的控制系统，由于各厂商不论大小，有其独到之处、各具特色，因此其产品也自 成系统，只能通过网关等才能与其他厂家的设备互连，与他们的系统进行互操作，难以 组成更大范围内信息共享的网络体系。然而，用户需要的是开放式控制系统，以便择优 选择不同公司的产品，从而达到系统的最佳集成。d c s 中的测量变送仪表仍为模拟仪表， 随着生产规模的不断扩大，检测的点数和控制回路急剧上升，d c s 系统不可避免地会造 成信号堵塞而出现。瓶颈一现象，降低了系统的安全性与可靠性。因此，迫切需要一种 全数字化、双向、多变量的通信规程，来代替正在流行着的4 - - 一2 0 m a 单变量、单向模 拟传输方式。各个厂家为此进行了大量的工作，他们各自采用了不同的手段和不同的信 号标准，结果导致了智能化工业控制仪表的不兼容。鉴于这种情况，国际电工技术委员 会从1 9 8 5 年即开始着手制定国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信 标准，并命名为现场总线( f i e d d b u s ) 。这样现场总线诞生了，并迅速成为自控技术的热 点现场总线技术是计算机技术、通信技术、集成电路技术和智能传感器技术发展的产 物。现场总线控制系统( f c s ) 是一种开放的、全数字化的、双向多站的通信系统【l0 1 。与 传统控制系统相比，现场总线控制系统的特点可以概括为以下三个方面： ( 1 ) 系统开放性 开放是指相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识和遵从。现场总线是开放 式互联网络，面向所有产品制造商和用户。尽管不同总线开放的程度和难度都有所区别 ( 例如，简单的i o 总线开放的难度较低而控制用的系统总线的开放就很难) ，但是现场 总线的开放性较之传统的d c s 开放的程度更高，范围更广，增强了设备之间的互操作 性【1 1 1 。对用户而言，既提供了更大的产品选择余地，又提供了强大的技术支持群体。 ( 2 ) 传输数字信号数字化 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 数字信号的精确性是现场总线的一个基本特点。现场总线采用数字信号实现了高 速、双向、多变量传输，仪表的标识符和简单的诊断信息可一并传送，而不像传统的4 2 0 m a 控制回路只能携带一个信号。数字信号比模拟信号分辨率高，同时也增强了信号 的抗干扰能力。由于总线上可挂接多台设备，系统操作站可以读到总线上每台设备的信 息，很容易对现场设备进行诊断和维护。对用户而言，采用现场总线既节省系统开支又 提高了系统可靠性和有效性 ( 3 ) 现场设备智能化 现场仪表的智能化使控制过程彻底分散，是现场总线控制系统( f c s ) 有别于分散控 制系统( d c s ) 的突出特点。由于内置微处理器，现场智能设备集数据检测、数据处理、 控制运算等功能于一体，因此f c s 把控制彻底下放到工业现场，使“控制分散、危险分 散。f c s 把d c s 控制站的功能块分散地分配给现场智能仪表，从而减轻了控制站的 负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚 至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以连接现场总线的网桥和集线器，操作站直 接与现场仪表相连，构成分布式控制系统，从根本上改变了d c s 集中与分散相结合的 体系结构。对整个系统来说，通过现场仪表就可构成控制回路，实现彻底的分散控制， 从而提高了系统的可靠性、自治性和灵活性 目前世界市场主要的几种现场总线有h a r t 、p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 、f f 等。本课 题在比较各种现场总线的性能特点以后，决定采用c a n 总线实现系统中上位机与下位 机之间的通信任务。 2 2c a n 总线的产生与发展 c a n ，全称为”c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的 现场总线之一最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控 制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络【7 j 。比如：发动机管理系统、变速箱 控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。一个由c a n 总线构成的 单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特 性所限制。例如，当使用p h i l i p s p 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器时，同一网络中允许挂接1 1 0 个节点。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另 外，硬件的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 最初出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。 当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操 大连理工大学专业学位硕士学位论文 作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。 提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯， 减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线所有的外围器件可以被 挂接在该总线上。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s o l l 5 1 9 ( 1 k 氏速 应用) 。c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗 电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率。由于c a n 总线具有很高的实时性能，因此， c a n 已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用【l 引。 c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。c a n 层的定义与开放系统互连 模型( o s i ) 一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上 相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。c a n 的规范定义了模型的最 下面两层：数据链路层和物理层：表2 1 中展示了o s i 开放式互连模型的各层应用层 协议可以由c a n 用户定义成适合特别工业领域的任何方案。己在工业控制和制造业领 域得到广泛应用的标准是d e v i e e n e t ，这是为p l c 和智能传感器设计的。在汽车工业， 许多制造商都应用他们自己的标准。c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤 等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“c a n h 和 “c a n l ”，静态时均是2 5 v 。左右，此时状态表示为逻辑“l ”，也可以叫“隐性 。 用c a n h 比c a n l 高表示逻辑“o ，称为“显形，此时，通常电压值为：c a nh = 3 5 v 和c a nl = i 5 v 。 表2 1o s i 开放式互连模型 t a b 2 1o p e nc o m m u n i c a t i o nm o d e lo fo s i 基于d s p 与c a n 总线的铣床数控系统开发 实际上，即使在执行一些非常简单的基于c a n 的分布式系统时，除了基本的第二 层服务之外，还要求或希望有更多的功能。如发送长于8 字节的数据块，响应或确定数 据传送，标识符分配、网络启动或监控节点，由于这些附加的功能直接支持应用过程， 所以它可以被认作应用层如果正确执行。则应用层以及相应的应用层接口的简介( 子协 议) 为通讯和应用过程提供一个清晰定义的分界以便把它们区分开来。特别在工业自动 化应用中越来越需要一个开放、标准化的较高层协议，这个协议支持不同生产厂家设备 的互用性和可交换性，因此要求有标准设备模型的规范，即基本功能性的标准设备和标 准应用的规范，以作为对标准化应用层的补充。通过应用直接采纳的应用层，其标准广 泛地得到了接受，代表它们的是c a l 和o s e k ，c a l 可以被认为是不依赖于应用的应 用层它适用于各种基于c a n