计算机数控装置原理.ppt

第五章计算机数控装置原理 第一节计算机数控装置系统概述 一 CNC装置的功能和特点 计算机数控装置是数控机床的核心 它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置 这种数控装置替代了早期的纯硬件式数控装置 以前 我们称数控装置为MNC 现在我们统称为CNC 即ComputerNumericallyControlledsystem 计算机数控装置即是由电子计算机来承担用户程序的输入 预处理 插补运算及输出控制 反馈控制 参数显示等任务的数控装置 CNC区别于早期的NC 无论在控制性能上还是编辑操作方面 其功能都远远多于早期的NC CNC的主要功能 1 承担加工程序的输入及编辑 2 能识别和运行多种国际上标准化的指令代码C随着CNC的发展 这些加工指令代码越来越多 3 能提供高性能的进给控制功能 4 人机对话相当方便 5 能进行多机通讯及DNC的加工 6 具备一定的故障诊断 反馈控制功能 以上这些功能仅仅是CNC功能的主要部分 随着现代数控的发展 很多新的功能将不断增加及完善 CNC装置的特点即主要由计算机来承担数控机床的控制部分 二 CNC数控系统基本工作过程 自从20世纪70年代开始 随着计算机技术不断发展 计算机数控装置从硬件结构上发生了一系列的变化 但它的组成原理基本相似 如图5 1 下面将各部分的作用简介如下 1 显示器是在数控装置运行时用来显示坐标值参数及指令代码 功能码等 在一些高中档数控装置上可以作加工零件的图形显示等 2 计算机板是数控装置的核心 通常是由高速CPU组成的计算机系统或由多CPU构成的分布式系统 主要承担数控装置的基本控制及用户程序的译码 插补 反馈控制 输出控制等任务 3 键盘 开关键盘通常用来编程及操作 开关为功能开关 用于转换数控装置的工作状态 4 I O接口主要作为数控装置的基本输入输出接口 用于进给轴伺服控制的输出 机械手的控制信号输出 主轴变速的控制信号的输出 刀架控制信号的输出及进给反馈信号的输入及刀架机械手到位信号的输入等 5 机内PLC为机内的可编程控制器 它通过数控装置的键盘进行编程 主要用来对复杂的数控机床的开关量深入输出进行控制 6 通讯口为数控装置联系及传送加工程序 同时也满足DNC和FMS的要求 它一般以串行方式进行通讯 7 位控驱动器通常不属于数控装置本身 但随着高可靠性数控装置的不断发展 制造商为了提高整体的可靠性 向免维修方向发展 也把位控驱动器功放部分包括在数控装置的范围内 8 反馈传感器ID 执行电机 反馈链 刀架机械手 主轴均不属数控装置的范围 但它们与数控装置一起构成数控系统 第二节CNC数控装置的一般结构 CNC的硬件结构一般分为两类 一类是单CPU结构 另一类为多CPU结构 CNC的软件结构一般也分为两大类 一类是前后台型 另一类为中断型 硬件和软件的结合才能真正构成CNC装置 才能发展CNC的各项功能 有人把硬件比作躯体 把软件比作灵魂 下面从硬件和软件两个方面来介绍CNC的基本结构 一 硬件结构 我们先从原理上来说明 对于一些比较特殊的结构 如机内PLC装置及外存储器等可以专门叙述 1 单CPU形式 如图5 2所示 各部分作用如下 1 CPU组件是整个数控装置的核心 包括CPU 时钟 总线驱动及地址译码 它是一个最基本的单元 图5 2单微处理器结构CNC框图 2 显示 键盘是CNC人机对话的基本部件 它的特点是显示器与键盘往往做在一个面板上 并且键盘较标准键盘少 只用一些数控语言所用的键 对于现代化CNC 一些产品的键盘采用了触摸屏键 提高了可靠性 3 控制器接口 实际上是对CNC的控制 检测对象专门设置的接口 4 RAM ROM为CNC的系统组件 RAM存放各种数据及用户软件 加工程序等 5 开关量 数据量输入是一个开关量及数字量输入的匹配器 它把机床的各种开关量信号 如刀架回答信号 及各种数字信号 如装置反馈信号 转换成符合控制器接口的输入电压的工作范围 6 开关量输出是把控制器接口信号转换成机床开关量输入信号的各种范围 7 速控单元在这里是指进给电机 主轴电机的控制转换器 它对不同的进给电机 主轴电机采用不同的速控单元 8 位换单元是进给电机的驱动部件 也可以作为带准停功能主轴电机的驱动部件 对于不同的伺服电机及驱动部件是不一样的 在订购CNC装置时 必须说明是何种驱动装置 2 多CPU结构多CPU主要根据各部分的工作特征而设计成多个CPU控制 这种方式的优点为 在同样的性能下降低了CPU的负担 既可以用较低档的CPU完成高性能的控制 从便于分块开发的生产经营的角度看便于边生产边改进 适于多人开发 可以快出产品 多CAN结构的一般形式如图5 3所示 下面分别介绍如下 1 主CPU板主要是完成系统的管理及实时插补运算 它是整个数控装置的核心 对于不同档次的CNC 其插补形式多可以在这里逐步深入进行 2 从CPU I 板专门用来作显示 键盘的管理 对于不同形式的显示 键盘等 可以通过单独开发这一部分 形成多种形式的显示 键盘形式如CRT显示 液晶显示 触摸屏等功能 3 从CPU II 板其给定是主CPU板的输出 误差计算是通过给定与反馈量之差求得 用于直接控制位控出控单元 4 从CPU III 板主要是负责开关量的输入输出 实际上它可以是一个PLC 一般却要256点以上的PLC才采用独立的CPU III 板 多CPU结构中 CPU之间的通讯根据实际需要和量串行 也可以量并行通讯 如主CPU与CPU III 之间采用并行通讯 而主CPU与从CPU I 之间采用串行通讯 二 软件结构 软件的形式比硬件要多 但比较典型的为前后型和中断型 着两种软件结构都有各自的特点 下面作一些简单介绍 1 前后台型前后台型软件分为前台程序和后台程序两部分 前台程序为中断服务程序 主要用于实时的输入输出 后台程序 亦称背景程序 用于系统管理 加工程序的预处理 显示等 前后台型程序结构框图如图5 3所示 此结构框图只是反映了前后台型软件的基本思路 实际前后台程序编制时因人而异 细节上差别较大 因此我们只能从总体上加以说明 1 后台程序主要完成硬件的初始化 系统运行管理 包括编辑 运算 回 手动 MDI等运行管理 并不断的设定前台程序 中断参数 如两次中断的时间间隔等 2 前台程序分随机中断和参数定时中断两个程序 参数定时中断为输出程序 原则上按运行管理所确定的中断参数产生中断 中断服务程序就是前台程序本身 在前台程序中负责对后台提供的进给 辅助功能等输出量进行输出 随机中断通常为反馈量引起的外部中断 具体指当进给位移传感器 刀架 机械手到位信息等 在出现状态变化时要引起中断 2 中断型中断型软件结构把输出反馈输入 编辑 手动 指令预处理等都作为中断程序 只是它们的中断优先级要按实际的要求预先确定 主程序只是负责系统硬件的初始化和基本中断管理 如图5 4所示 采用这种程序 主程序将变得十分简单 而其他的功能程序变成相对独立 模块化比较明显 有利于分工开发 通常 最高优先级N级作为进给输出 最低优先级第0级作为显示或与外设通讯较为合理 其余功能也要按其工作性质合理安排在最高级与最低级之间的级别上 如FANUCTM数控系统把显示作为最低优先级 把伺服系统作为最高优先级 显示 键盘扫描等中断服务程序是终止开放的 其它中断服务程序根据需要来确定是否开放 从硬件的角度说 对于多CPU系统 后台程序 中断型中的主程序一般由主CPU完成 前台程序 中断型中的中断信号就直接由硬件向CPU申请中断 这部分的中断服务程序也全部由主CPU完成 对于从CPU引起的中断 主CPU只要负责必要的参数及状态值传送给从CPU即可返回 从CPU根据主CPU的简单的状态 参数 结合从CPU系统自身数据进行独立完成任务 这样大大加快了CNC的总体运行速度 第三节显示及键盘原理 显示的键盘是CNC人机对话的基本设备 从硬件上来说 它们往往是做在一个面板上的 但软件一般都是独立的 一 显示器显示器是CNC必不可少的基本设备 显示器的档次高低虽然几乎不影响到CNC的加工精度及功能 但能对操作者带来一些方便 也衬托了整个数控系统的档次 显示器一般分LED 数码液晶 CRT 图形液晶等四大类型 下面我们一作简单介绍 1 LED显示器LED亦称发光二极管 它是由多段发光二极管组合成数码 通常LED显示器一排由8位以上组成 最左边一位用 米 字管 可显示几个字母 其余7位用8段数码管 含小数点 组成 如图5 5所示 对于8位数码管只要显示0 9即可 这一点比较成熟 不再作介绍 对于最左边的 米 字管 它能显示 X Y Z I J K U V W L M P O S T R F A E G C H N等字符 如图5 6所显示 和显示R的状况 目前用于数控页码管使用较多的均为超高亮度共阴数码管 在一般采光亮度的车间内使用显示效果仍然良好 2 数码液晶显示器数码液晶显示器的优点是功耗小 用液晶显示器的数控装置电脑部分的功耗比LED数控装置电脑部分的功耗小1 4左右 有些厂家将驱动与电脑部份分开做了分体式 用液晶作显示器 电脑部分做成密封形式 粉尘等很难进入内部 可靠性大大增加 做到免维修 数码液晶显示器也是分8段及一些特定的字符 这些字符在制造液晶屏时已定好了 形式上LED相似 数码液晶显示器的缺点 亮度比LED低 在明亮的车间内 观察字符有些吃力 有些在显示加上背景亮度调节效果将得到改善 3 CRT显示器CRT显示器是前几年用的较多的一种 目前 它逐步被图形液显所取代 CRT显示器是以显像管为显示器输出 一般均采用电磁偏转技术 与计算机中的显示器相似 数控系统中大部分采用单色显示器 其原理结构图如图5 7所示 CRT显示器作为一个标准部件 在CNC开发中只需按照各种CRT显示器的传输协议设置好 就可以正常使用 4 图形液晶显示器图形液晶显示器是一种点阵式的液晶显示器 它与数码液晶的主要区别是不但能像数码液晶那样显示字符 还能像CRT那样显示图形 而且可以产生图形显示的效果 有时在编程或加工过程中以图形形式显示出来更加直观 它也是一个标准部件 CNC开发时只需将液晶显示器的设置进行初始化 按协议传递相应的信息即可 图形液晶显示器近年来附加了触摸膜组成触摸屏 并作数控显示器的发展方向 二 键盘CNC中的键盘有一定的要求 通常对于编辑中所用的键采用纵横扫描式读键 有些键采用直接式 一个键用一根线 如MON键 启动键 暂停键 急停键 手动进刀方向键及功能转换键等就是直接式 下面介绍两种典型的键控制线路 1 8279作为键盘管理器件的原理 图5 8为一个普通的8279作键盘管理的原理图 它可以管理64个键 最多为128个键 图5 88279作键盘管理 2 带电互锁的直接式功能转换键 这种键不需要通过软件扫描 而是直接产生按键信号 并且有硬件互锁 如图5 9所示 它已经替代了以前功能转换开关 早期用波段开关 按键可靠性直接影响到CNC的可靠性 从概率的角度可以定性分析 按键的数目越多可靠性越差 在现代数控中已逐步采用触摸屏键 由于触摸屏键无触点 并且通过软件来实现 所以无论增加多少键的数目 不会增加更多的硬件 因此数控中触摸屏键大有发展前途 第四节给定升降数控规律 数控装置的升降速控制直接影响到数控系统的性能指标 从使用的角度看 速度的升降过程越小越好 但从实际实现方法上讲过渡时间不能太短 否则会引起不到位 或丢步 反而影响可靠性 根据执行电机的特征 现代数控中一般分两种升降速的方法 一是根据电机惯量的特征使按一阶系统的过渡过程升降速 即控指数曲线 如图5 10 二是按梯形升降速曲线升 降 如图5 11 下面分别叙述 交流或直流伺服的升降电控制的方案 对于交流伺服电机速度的变化规律一般可按下式估算 J Kf T 假设f fx f0 fx e 其中fk 为给定速度 f0为初始速度 T为电机转矩 K为阻尼系数 J为电机的转动惯量 一般经过了3 4t就看作达到给定速度 在数控装置的软件控制中根据预定K和电机转动惯量来调整T T直接与电机所加的电压电流相关 对于直流伺服电机 n T 设n 则T 因此只需 从改变电压U使之产生的T满足指数的升降规律 若U过大则T也大 虽然升降时间变短 但会产生超调 它就影响了控制精度 U过小时则过渡时间太长 快速性差 在降速前的过渡区 对加速a有一定要求 必须满足T小于TN 否则出现不正常过渡 2 步进电机的升降控制方案 对于步进电动机 一般原则是保持步进电机发挥出其最大的输出较短 从起点至终点的运行速度都有一定要求 若运行的速度小于系统的最高启动频率 则系统以的要求的速度直接启动 直至终点 而后停发脉冲使其停止 但在大多数情况下 系统的最高启动频率是比较低的 而要求的运行速度往往较高 如果系统要求的速度较高而采用直接启动 可能会发生丢步而无法运行 在已经的高速运行状态下 运行达终点时立即停发脉冲 令其立即停止 则因为机械惯性原因 会发生冲过终点的现象影响精度 因此运行速度都需要一个加速 恒速 减速 低恒速 停止的过程 如图5 11 升速时的起始速度应等于或略小于系统的极限起动频率 速度 而不是从零开始 减速过程结束时的速度一般应等于或略低于起动速度 再经数步低速运行后停止 升速的规律一般按照梯形规律升速 升速时加速度为恒定 因此要求步进电动机产生的转矩为恒定值 从步进电动机的本身特性来看 在转速不是很高的范围内 输出的转矩可基本认为恒定 用软件对步进电动机进行加减速控制 实际上就是改变输出CP脉冲的频率 升速是脉冲串逐渐加密 减速时使脉冲串逐渐稀疏 通常用定时器中断方式来控制电动机变速时 每次中断服务程序的结束前装入下一个所需的时间常数即可 新的时间常数通常按升 降速的规律预先算好制成表 由微机系统读表 例如 系统要求的最低转速为fmin 100PS 最高转速为fmax 10000PS 将整个转速度范围分为100档 用速度S来表示速度的档次 各档次速度fs 1 s 100pps S 0时 f0 100ps S 1时 f1 200PS S 99时 f99 10000PS 利用对于步进电机系统在执行升降速度的控制过程中 对加减速过程的控制还需准备下列数据 1 加减速的斜率 在直线加速过程中 速度不是连续变化 而是按上述分档阶段变化 为与要求的升速斜率相逼近 必须确定每个速度台阶上运行的时间 见图5 12时间t越小 升速越快 反之越慢 t大小可由理论或实验确定 以升速最快而又不丢步为原则 则每台阶运行步数为S之间的关系 程序在执行过程中 每次速度升一档 都要计算这个台阶应走的步数 然后以递减方式检查 当减至零时表示该档速度运行完毕 SS 1 升入又一档速度 2 升速过程的总步数 在电动机升速过程中 一直对这个总步数进行递减操作 当减至零时表示升速过程完毕 转入恒速运行 3 恒速运行总步数 电动机恒速运行过程中 一直对这个总步数进行递减操作 当减至零时表示恒速过程完毕 开始转入减速运行 4 减速运行的总步数 这个步数可以取与升速总步数相同 减速过程的规律也与升速过程相同 只是按相反的顺序进行即可 第五节刀架 刀库的机械手控制 刀架及机械手是数控装置很重要的辅助动作 是属于开关量控制的范围 但作为一般数控机械所必须的附件 因此我们将详细叙述 一 车库刀架工作顺序 如图5 13所示 当微机程序发出换刀信号 继电器动作 通过蜗轮杆使锁紧凸轮松开 齿牙盘分离 带动刀具旋转至所需刀位 霍尔电路发出刀位信号 微机接到刀位信号后发出反转信号使电机反转 反靠销粗定位 凸轮锁紧 齿牙盘啮合精定位 微机延时1s 2s后 取消反转信号 然后进入下一个程序指令 刀架控制全过程完毕 控制刀架的指令为Txx 其中xx为刀号及刀补叙号 数控电路输出电路如图5 14所示 从发出正转信号到发出反转光学信号都是由1413芯片驱动 在有些数控装置中反转信号的结束不是靠数控装置的延时控制而是靠刀架电机反转到位时产生的堵转电流信号经变换成回答信号给数控装置使其停止反转 二 刀库工作过程数控机床通过PLC可以管理刀库 进行刀具自动变换 例如根据刀具和刀具座的编号可简单可靠的进行选刀 换刀控制 根据刀具自身的编号为目标 既刀具编码制 控制的刀具交换成为随机换刀控制 在这种换刀控制中 取刀 换刀与刀具座编号无关 是根据机床的工作历史变动的 在新刀取出后 刀库不需转动 立既随机存入原先使用的旧刀具 既换刀 存刀可一次完成 缩短了换刀时间提高了生产效率 当主轴上的T10号铣刀加工完毕 要换取T15号镗刀时 T10号刀就立即随机归还在刀库中被取出T15号刀的空刀座中 同时在PLC RAM中存储好T15号刀的新位置刀号值便于下次使用换取 即使断电 这个值仍然保留在RAM中 以刀库的刀座号为目标 即刀座号编码制 控制刀具的交换 称为固定存取换刀控制 在固定存取换刀控制中 取刀 还刀的位置是固定的 例如 当主轴上的T10号铣刀加工完毕 要换取T15号镗刀时 T10号铣刀必须先归还到T10号刀座中 然后从T15号刀座中取出T15号镗刀装在主轴上 在固定存取换刀控制中 数控系统将T代码指令送给PLC PLC经过译码 在刀号数据表内检索 找到T代码指定的新刀号所在的数据表的地址 刀座编号 并与现行刀号进行比较和判别 如若不同 则首先将主轴上的现行刀具归还到刀库的现行对应的刀座号上 然后发出刀库回转指令 刀库回转 直至刀库定位到新刀号位置时 刀库停止回转 机械手将新刀取出并装在主轴上 三 M功能处理M功能是辅助功能 根据不同的M的下标可产生相应的控制信号 例如产生控制主轴的正反转动及停止 主轴齿轮箱的变速 冷却液的开 关 卡盘的夹紧和松开 以及 自动换刀装置的机械手取刀 换刀等功能信号 在一些CNC中留有一些M功能 根据其下标不同作为用户所需要的一些自定义的功能 这一点对专机十分必要 表5 1所列的M功能仅供参考 第六节CNC的输入输出与通信功能 一 CNC与外部设备间数据传送要求 CNC机床若要运行 必须要有被加工零件程序指令信号及相关数据作为输入 并以此为相应的数据与信息的输出 从而控制机床执行件工作 通常有以下类型设备与CNC进行数据传送和信息通信 1 CNC机床在单机运行中常用的数据输入输出设备如用于输入的光点纸带阅读机 PTR 零件加工程序的编程机或计算机 可编程控制器的编程机或计算机 数据调整用的手摇冲发生器 方便操作机床用的外部机床控制面板或遥控面板等 用于输出的有纸带穿孔机 PP 打印和穿复校设备 TTY CRT等显示设备 进结驱动和主釉驱动线路等 通常 进结和主铀驱动这两部分与CNC在同一机柜或相邻饥柜内 通过内部连线相连 它们之间一般不设通用输入输出接口 但随着开放式CNC的商品化进程 目前正朝标准化方向发展 如采用现场总线 fieldbus 上述这些与CNC连接的输入输出设备 其数据传输速率一般不会超过9600bit s 连接距离约为30 50mm 2 CNC机床在自动化生产系统中的通信随着工厂自动化和柔性制造自动北的发展 CNC作为柔性制造自动化系统结构中的基础单元层次 用作设备层或工作站层的控制时 可以是群控 DNC 柔性制造系统 FMS 的有机组成部分 它除了与数据输人格出设备相连接外 还要与上级计算机或DNC计算机直接通信或通过工厂局部网络相连 具有网络通信功能 以CNC为基础的这些自动化制造系统 信息传送量很大 远远超过CNC单机运行的数据量 且传输通率高而距离远 3 CNC机床在网络化生产中的通信当前 针对市场干变万化的需求 以及当今计算机网络技术的突飞猛进 社会资源 包括制造资源 充分共享已成为可能的情况下 为了进一步提高制造业对市场变化的适应能力和快速响应能力 许多专家 学者提出了诸如敏捷制造 虚拟企业 网络化生产等的制造模式 这些制造模式的目标就是按市场需求助产品 利用现有企业的资源 包括技术 通过问络进行信息沟通 组织临时联盟来解决产品的设计 制造和质量控制 以实现快速 低投人高产出的商品生产 这种制造模式目前尚不成熟 正在发展中 但可以认为 在这种制造模式下 网络包括因持网 Internet 企业网 Intranet 或称局域网就成为必不可少的手段 作为制造底层加工单元的CNC机床应是诸网络的 个通信点 二 数据通信与网络通信基础 1 通信系统的构成CNC是一个专用的计算机系统 它与其他设备的网络通信可以是基带传输 也可以是载波传福 宽带网传输等 所谓基带传输即是按数据波的原样而不包含有任何调制进行传输 这是数字通信中最基本的数据传输方式 这种传输方式可以达到较高的数据传输速率 一般为1 100Mbit s 但其传输距离一般不超过25km 传输距离越长 质量越低 而宽带网传输可传输语言 图像等信息 它与基带网的主要区别是传给速率高 可达400Mbit s 并可划分为多条基带信道 提供良好的通信路径 至于载波传输 则是采用数字信号对数据波原样进行调制后实行传输 这种通信系统的构成见图5 15 图5 15数字通信系统的构成 图5 15中信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者 发送设备是将信息源产生的消息信号经过编码 并变换 如调制 为便于传送的信号形式与传输媒介匹配起来 此外 它还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理如多路复用 保密处理 纠错编码等 传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经的媒介 它可以是无线的 也可以是有线的 无线的有电磁被 红外线 有线的有各种电缆 光缆 双绞线等有线传输介质 接收设备则是对发送设备的反变换 即进行解调 译码 解密等 其任务就是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息 上述是单向通信系统 或称单工方式 如果通信的双方需要随时交流信息 则要求双向通信 这时 通信双方都要有发送设备和接收设备 信源兼为收信者 若共用一个传输媒介 采用时间 或频率 分割的办法来共享 这种工作方式称半双工方式 半双工或单工方式是基带网中线路的工作方式 通信系统除了完成信息传递之外 还必须进行信息的交换 传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统 直至构成复杂的通信网络 2 数据传送方式设备间的数据传送可采用中行或并行方式 数据的并行输入与输出见图5 16串行输入与输出见图5 17 可见 对于单向的串行传送只要一条信号线 而并行传送则传送每一位要一条信号线 所以 相距较远的设备问的数据传送采用串行方式是比较经济的 但是 串行接口需要有一定的逻辑把机内的并行数据转换成串行信号后再传送出去 接受时也要将收到的串行信号经缓冲转换成并行数据 再送至机内处理 实现这种转换功能的常用芯片有Intel8251A MotoloraMC6850 6852等 这一过程看起来容易 实际上比较复杂 在串行数据通信中 硬件和软件必须密切配合 才能进行传送 串行通信有两种数据传送方法 即异步串行数据传输和同步串行数据传畅 也就是有两种对发送和接收双方共同遵守的统一约定 它包括定时 控制 格式化和数据表示方法等 这种约定称通信规程 Procedure 或通信协议 protocol 所以 这两种传送方法也称两种传输协议 即异步协议和同步协议 通常应取标准化的协议 所谓同步传送 就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收效据 其中包括了位同步 字符同步和帧同步 而所谓异步传送又称起止 start stop 同步方式 它并不要求收发两端在传送代码的每一位时都同步 仅要求在起始位和停止位能同步 异步传输和同步传输的示意见图5 18 实现异步传送比较简单易行 但速度不高 按同步协议的传输速率高 但接口结构复杂 一般在高速 大容量数据传送时使用 a 异步传送 b 同步传送图5 18异步传送和同步传送示意 3 通信中的差错检测任何的信息传输系统 由于种种原因总会有误码产生 通常用误码率Pc来表示 它也称通信线路的出错串 它与传输速率密切相关 计算 机通信的平均误码率要求低于10 9 所以 为了提高数据传输的可靠性 必须采用差错检测技术 差错检验有多种方法 如奇偶校 循环冗余校验等 其中 异步中行传输协议主要利用字符中奇偶校验位 而同步协议常采用循环冗余校验即CRC CycleRedundancychecksum CRC的原理为 没有kbit 由发送信息组成一帧 称前bit 由发送设备再产生心nbit序列 称为帧检验序列FCS FrameCheckSequence 也即后nbit 使得由 K n bit组成的帧能被某个预定的二进制数整除 接收设备收到该帧信息后 除以同样的二进制数 若无余数则传输正确 否则信息要纠正或重发 4 网络与网络拓扑计算机网络是通过通倍线路并按一定的通信协议互连起来的各独立自主计算机的集合 计算机的互连是为了交换信息 共享资源 因特网是当今世界上最大的非集中式的计算机网路的集合 也是全球范围成千上万个网连接起来的互联网 它已成为当代信息社会的重要基础设施 信息高速公里 计算机网络的种类繁多 分类方法各异 在这里仅对网络的基本概念性知识作介绍影响网络性能的主要因素有网络拓扑结构 信号形式 访问控制方式和传输介质 网络拓扑结构是指网络节点的互联形式 常见的网络拓扑结构如图4 19所示 a 拓形拓扑 b 环形拓扑 c 总线型拓扑 d 树形拓扑图5 19网络拓扑结构 其中 星形拓扑的通信特点为任何两站之间通信都要通过中央节点进行 这势必使中央节点必须建立和维持许多并行数据通路 中央节点的结构显得非常复杂 而每个站的通信处理负担很轻 结构也就比较简单 它适用于低数据率设备和要求终端密集的地方 环形拓扑的网络中有许多中继器进行点对点的链路连接 构成一个封闭的环路 链路是单向的 数据是沿一个方向 顺时针或逆时针 在网上环行 由每个工作站通过中继器再连至网络 这种拓扑工作方式是 一个站发送数据要按分组进行 即将效据拆成分组加上控制信息插入环上 然后通过其他中继器到达目的站 由于多个工作站要共享环路 需要有某种访问控制方式 以确定每个站何时能向环上插入分组 它们一般采用分布式控制 每个站都有存取逻辑和收发控制 这恰好与星形拓扑相反 即环形拓扑的网络设备只是很简单的中继器 而工作站需提供拆包和存取控制逻辑较复杂功能 环形网络的中继器之间可使用高速链路 如光纤 因此环形网络与其他拓扑相比 可提供更大的吞吐量 适用于工业环境 总线型拓扑的传输介质是一条总线 工作站通过相应的硬件接口接至总线上 一个站发送数据 所有其他站都能接收 由于所有节点共享一条传输链路 一次只允许一个站发信息 需要有某种存取控制方式 以确定下一个可以发送的站 信息也是按分组发送 到达目的站后 经地址识别 把信息复制下来 树形拓扑是总线型拓扑的扩展形式 传输介质是不封闭的分支电缆 它和总线拓扑一样 一个站发送数据 其他站都能接收 其工作方式也相同于总线拓扑 树形结构在单个局域网系统中采用不多 而如果把多个总线型或星形网连在一起 或要洼到另一个大型机或一个环形网上 就形成了树形拓扑结构 这在实际应用环境中是非常需要的 这种结构十分适合于主次 分等级的层次型系统 5 介质访问控制方式在网络拓扑结构中 网上设备必须共事传输线路 这就存在同一时间内有数个设备同时争用传拍介质的问题 为解决此问题而需要某种介质访问控制方式 以便协调各设备访问介质的顺序 实现在设备之间交换数据 网络通信中介质的访问可以是随机的 也可以是受控的 随机访问方式中常用的争用总线技术为CDMA CD 载波监听多路访问 冲突检测 在受控访问方式中则常用令牌传递总线 token passingbus 令牌环 token ring 或称标记总线 标记环 CSMA CD访问控制方式对任何工作站都没有预约发送时间 即是随机的 若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息 则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏 称为 冲突 为尽量避免这种冲突 每个工作站在发送信息之前 都要监听传输线上是否有信息在发送 这就是 载波监听 CSMA的控制方案是先听再发 一个站要发送 首先需监听总线 以确定介质上是否存在其他站的发送信号 如果介质是空闲的 则可以发送 如果介质是忙的 则等待一定间隔后重试 在监听总线状态后 通常可采用三种CSMA坚持退避 算法 即 不坚持CSMA 如介质空闲 则发送 如介质忙 则等待一随机时间 重复第一步 1 坚持CSMA 如介质空闲 则发送 如介质忙 继续监听 直到介质空闲 立即发送 如冲突发生 则等待一随机时间 重复第一步 P 坚持CSMA 如介质空闲 则以P的概率发送 或以 1 P 的概率延迟一时间单位后重复处理 该时间单位等于最大的传输延迟 如介质忙 继续监听直到介质空闲 重复第一步 可见 三种CSMA坚持退避算法中 第一种算法的介质的利用率较低 第二种算法提高了介质的利用率 但如有两个或两个以上站点有数据要发送 冲突就不可避免 而第三种的P 坚持算法则是一种折衷的算法 它试图降低像1 坚持算法的冲突概率 另一方面又减少像不坚持算法中的介质浪费 令牌 标记 访问控制方式针对CSMA访问介质的随机性而产生发报冲突问题 采用了有控制的发报方式 所谓有控制的发报方式就是按一定顺序在各站点传递令牌 token 谁得到令牌 谁才有发报权 令牌访问原理可用于环形网络 构成令牌环形网 也可用于总线网 构成令牌传递总线网络 图5 20是令牌传递方式工作原理示意图 团5 20a中各站点的一个人口和一个出口分别与环形信道相连 通信处理器中有缓冲器 用来存储转发信息 图5 20b是在网上传结的帧的大致格式 采用令牌环方式的局域网 网上每一站点都知道信息的来去动向 保证了较高的信息传输的确定性 由于能估算出信息传畅的延迟时间 所以比较适合在实时系统中使用 令牌环方式对轻 重负载不敏感 但单环环路出故障将整个环路通信瘫痪 故可靠性比较低 因5 21为令牌传递总线方式访问控制示意 它是在物理总线上建立一个逻辑环 从物理上看 这是一种总线结构的局域网 与总线网一样 站点共享的传输介质为总线 但是从逻辑上看 它又是一种环型结构的局城网 接在总线上的站组成一个逻辑环 每个站被赋予一个顺序的逻辑位置 与令牌环一样 站点只有取得令牌 才能发送帧 该令牌在逻辑环上依次传递 图5 20环形网示意图图5 21令牌传邀总线访问控制 令牌传递总线网络的正常操作是很简单的 然而 网络必须有初始化的功能 即能够生成一个顺序访问的次序 当网络中的标记丢失 或产生多个标记时 必须有故障恢复功能 此外 还应有把不活动的站点从环中去除 以及将新的活动站点加入环的功能 这就附加功能大大增加了令牌传递总线访问控制的复杂性 6 通信中的数据交换了解数据交换技术的工作原理 优缺点 对理解网络工作原理十分重要 在计算机网络中 通信的基本交换方式可分两类 即线路交换与存储转发交换 存储转发交换又可分为报文存储转发交换和报文分组存储转发交换 线路交换 circuitswitching 方式指在两台计算机之间通过网络进行数据交换以前 应在网络中先建立一个实际物理线路连接 为此次通信专用 这种数据交换方式来源于电话网 线路交换方式的通信过程可分为线路建立阶段 数据传输阶段和线路释放三个阶段 其特点是 节点为电子或机电结合的交换设备 完成输入线路与输出线路的物理连接 节点交换设备不存储数据 不能改变数据内容 不具备差错控制能力 其优点是 通信实时性强 适用于交互式通倍 而它的不足是 对突发性通信不适应 系统效率低 系统也不具有存储数据和差错控制的能力 于是 人们提出了存储转发交换方式 存储转发交换 storeandforwardexchanging 方式与线路交换方式的主要区别表现在 发送的数据与目的地址 源地址 控制信息按一定格式组成一个数据单元 即报文或报文分组 通信站点的通信控制处理器要完成效据单元的接收 差错枚验 存储 路选和转发功能 这种数据交换方式因具有明显的优点而在计算机网络中得到广泛的使用 还有一种企图将数据报方式与线路交换方式结合起来 发挥两者的优点 达到最佳数据交换效果的虚电路方式 虚电路方式在报文分组发送以前 需在发送方相接收方建立一条逻辑连接的虚电路 这与线路交换方式相同 即有虚电路的建立 数据传输与虚电路拆除三个阶段 虚电路的建立是通过逐个节点顺序启动路选算法 实现 连接请求分组 使源节点到达目的节点 在数据传铂阶段 虚电路方式利用已建立的虚电路远站以存储转发方式顺序传送报文分组 传输结束后进入虚电路拆除阶段 图5 22OSI参考模型 7 开放系统互连 OpenSystemInterconnection OSI 参考模型 开放系统互连基本参考模型 的建议草案是由国际标准化组织脚的一个 开放系统互连 分技术委员会于1978年提出的 1983年成为正式国际标准 以ISO7498 1986年又对该标推进行了完善和补充 为实现开放系统互连所建立的分层模型 简称OSI参考模型 其目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架 并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考 一个系统的开放是指它可以与世界上任何地方的遵守相同标准的其他任何系统通信 这里的开放 更多是强调对帕 标准的遵从 OSI参考模型见图5 22 由图可见 此模型把开放系统的通信功能划分为七个层次 每一层的功能是独立的 每层都利用其下一层所提供的服务 且也为其上一层提供服务 而与其他层的具体实况无关 这里所谓的 服务 就是下一层向上一层提供的通信功能和层之间的会话规定 一般用通信服务原语实现 两个开放系统中的同等层之间的通信规范和约定称为协议 一般 第1 3层功能称为低层功能 LLF 即通信传送功能 这是网络与终端均需具备的功能 第4 7层功能称为高层功能 HLF 即通信处理功能 通常需由终端来提供 第1层为物理层 这不是物理媒体本身 而是开放系统中利用物理媒体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程 它的功能是提供用于建立 保持和断开物理连接的机械的 电气的 功能的和过程的条件 也就是提供有关同步和bit流在物理媒体上的传缩手段 其典型的协议有EIA 232 D 它的前身为RS 232 D标准 经1987年1月修改后定名为此 由于两者相差不大 因此EIA 232 D与EIARS 232 C在物理接口标准中基本成为等同的标准 人们简称为RS 232标准 等 第2层为数据链路层 数据链路层用于建立 维持和拆除链路连接 实现无差错传输功能 它对连接相邻的通路进行差错控制 数据成帧 同步等控制 差错检测一般用CRC 纠正差错采用计数器恢复和自动请求重发 ARQ 等技术 其典型的协议有OSI标准协议集中的高级数据链路控制协议HDLC 第3层为网络层 它的主要功能是利用数据链路层提供的两相邻节点间的无差错数据传输功能 通过路由选择和中继功能 实现两个系统之间的连接 网络层规定了网络连接的建立 维持和拆除的协议 在计算机网络系统中 网络层还具有多路复用的功能 第4层为传输层 它要完成开放系统之间的数据传送控制任务 主要功能为对开放系统之间数据的收发确认 并弥补各种通信网络的质量差异 对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复 进一步提高可靠性 此外 通过复用 分段和组合 连接和分离 分流和合流等技术措施 提高吞吐量和服务质量 第5层为会话层 其主要功能是按照在应用进程之间的约定和正确的顺序收 发数据 进行各种形式的对话 它依靠传输层以下的通信功能使数据传送功能在开放系统间有效地进行 会话层要实现有交替改变发信墙的传送控制 以满足在会话应用中进行接收与发送处理的逐次交替变换的需求 为了防备应用处理中出现意外 在传送数据过程中需给数据订上标记 以使出意外时可以从打标记处进行重发 第6层为表示层 表示层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式 提供字符代码 数据格式 控制信息格式 加密等的统一表示 表示层仅对应用层信息内容的形式进行变换 而不改变其内容本身 第7层为应用层 这是吩参考模型的最高层 其功能是实现应用进程 如用户程序 终端操作员等 之间的信息交换 同时 还具有一系列业务处理所需要的服务功能 OSI参考模型最大优点在于有效地解决了异种机之间的通信问题 不管两个系统之间的差异有多大 只要具有下述特点就可以相互有效地通信 它们完成一组同样的通信功能 这些功能分成相同的层次 对等层提供相同的功能 同等层必须共享共同的协议 有关局部网络标难已由IEEE802委员会提出建议 并被ISO采用 它只规定了链路层和物理层的协议 它将数据链路层分成逻辑短路控制 LLC 和介质存取控制 MAC 两个子层 MAC中根据采用的局城网 洲 技术分成 CSMA CD IEEE802 3 令牌总线 TokenBus802 4 令牌环 TokenRing802 5 物理层也分成两个子层次 介质存取单元 MAU 和传输载体 carrier MAU分基带 载带和宽带传输 传输载体有双绞线 同轴电缆 光导纤维8 企业网络一个完整的企业网络一般为跨地区网络 公司的计算机主要用于经营管理 办公自动化及与公司外部的信息交换 工厂的计算机主要用于生产自动化控制 生产的决策 计划 调度 科研设计 以及与公司总部 相关生产工厂的信息交换 建网目标在于实现全企业范围内的信息资源共享 以及与外部世界的信息沟通 这里可能同时存在局城网LAN LocalAreaNetwork 广域网删WAN WideAreaNetwork 并涉及LAN LAN LAN WAN LAN WAN LAN等多种网络互连技术 不同网段的互连要采用特殊的网络接口设备 例如网关 网桥 以满足不同通信协议 不同传输速率 不同通信介质问信息传箔的需要 对于一个制造企业 采用TOP MAP Fieldbus的网络结构 几乎可以覆盖企业从生产加工到办公管理的各个领域 TOP Technicalandofficeprocol 是美国波音公司于1980年开始在CSMA CD的介质访问控制方式基础上 对计算机局域网进一步开发而形成的一种适合于办公自动化的协议规范 其基本思想是始终保持和MAP规范相兼容 并尽可能有机地与MAP相互补充与 集成 Fieldbus则是80年代中期在国际上发展起来的 应用于生产现场的开放式 数字化 多点通信的底层控制网络 Top MAP Fieldbus的网络结构图见图5 23 其中现场总线部分负责采集 协调生产现场的测量控制信息 MAP负责生产过程的监控管理 而TOP则负责办公与市场管理类信息 并与MAP相互补充 构成有机的整体 各种网络之间通过专门的接口 实现相互沟通与信息交换 值得指出的是 上述企业的网络结构形式是在80年代末提出来的 随着计算机 控制 网络通信技术的不断发展 企业网络的结构形式发生了较大变化 因特网 Internet 迅速扩大 它所采用的通信协议TCP IP已成为事实上的工业标准 并引入到了广泛的应用领域 再加上PC机 工业PC机逐渐成为企业采用的主流机型 企业网络结构受到因持网连接方式和通信技术发展的冲击与影响 在基本相同的功能模型结构下 在颇大程度上简化了网络的结构层次 近年来在不少企业的网络中 TCP IP通信协议占领了TOP MAP层通信协议的位置 多层分布式子网的结构逐渐为以太网等主干网所取代 而现场总线由于它所处的特殊环境及所承担的实时控制任务 难以为普通LAN通信技术所取代 且规场控制层对通信量的要求较低 而一般工广底层设备量又很大 往往有数百 数干 甚至上万台设备 在这种环境下采用现场总线要比采用一般局城网 可以节省大量投资 所以现场总线依然保持着它在底层控制网络的地位和作用 将现场总线网段通过通信控制器直接挂接在以大网上 是目前企业普通采用的办法 即构成了所谓LAN Fieldbus网络结构 图5 23TOP MAP Fieldbus的网络结构 三 CNC应用的数据通信与网络通信接口 CNC与外部设备的数据通信接口 CNC用于连接输入输出设备 如前述的PTR PP或TTY 外部机床控制面板或通用手摇脉冲发生器的接口是MA 232 D或RS 232C及其变形 这是OSI参考模型的第1层 物理层 提供有关同步和比特流在物媒体上的标准协议 它在机械特性方面规定使用一个25根插针 DB 25 的标准连接器 并对此连接器的机械尺寸及每根针排列的位置作了明确的规定 从而保证符合EIA 232 D标准的接口在国际上是通用的 图5 24EIA 232 D RS232C 的电气连接 在电气特性方面 它的电气连接如图5 24所示 非平衡型每个信号用一根导线 所有信号回路公用一根地线 信号速率限于20kbit s之内 电缆长度限于15m之内 由于是单线 线间干扰较大 其电性能用12v标准脉冲 并采用负逻辑 逻辑 1 电平为 5 15v 逻辑 O 电乎为 5 15v 这与TTL CMOS电子不兼容 若要与TTL器件相连必须进行电平转换 ELA 232 D通用的集成电路转换器件有SN75188或MCl488驱动器和SN75189或MC1489接收器 EIA 232 D的功能特性 也就是规定了各条信号线的功能分配 如图5 25所示 其DTE为数据终端设备 如计算机或终端设备 DCE为数据通信设备 如自动呼叫设备 调制解调器 Modem 中间设备等 这里 EIA 232 D规定了DTE与DCE连接的信号关系 所以在连接设备时一定要区分设备是DTE还是DCE将计算机与计算机或终端设备连接时 即DTE和DCE之间相连时 要注意接线的信号关系以免出现差错 EIA 232 D的规程特性规定了DTE与DCE之间控制信号与数据信号的发送时序 应答关系与操作过程 图5 25给出了这种典型的规程特性 由固可见 两台计算机通过Modem 由电话线互连的结构 根据EIA 232 D规程特性的规定 作为DCE的计算机与作为DCE的Modem 通过此接口按以下规则和时序进行工作 物理连接建立 如果主机A发起一次物理连接 则它首先通过此接口的第20号连接线 称CD线 向DCE发送数据终端准备好DTR信号 拨号呼叫对方主机B 建立物理连接 具体过程是 主机A连接的Modem在拨号之后 执行Modem内部协议 双方Modem通过发送载波捡测信号 以检测通信线路状态和通信质量 在确定通信线路接通并可以正常工作后 ModemB通过6号线 称CC线 向主机A发送设备准备好DSR信号 主机B在接到主机A拨号请求建立物理连接指示后 如同意建立连接 应向与其连接的ModemB发送DTR信号 在收到MdemB的DSR信号后 进入数据传输准备状态 至此 双方DTE通过和通信线路建立起物理连接 完成数据传辐准备工作 图5 25典型EIA 232 D RS232C 的规则特性 数据传输 若主机A准备发送bit流 它将通过4号线 称CA线 向ModemA传送请求发送信号RTS ModemA接收到RTS信号后 做好发送准备 通过5号线 称CB线 向主机A发出允许发送信号CTS 主机A通过2号线 称BA线 向ModemA传送准备发送数据的信号TXD ModemA数字数据信号调制后 变成模拟数据信号 经通信线路传送到对方ModemB ModemB经过解调后 还原成数字数据信号 通过3号线 称BB 向主机B传送接收数据RXD 若主机B也要向主机A发送数据 应采用与主机A相同的RTS CTS控制信号交互过程 物理连接释故 当主机A一次通信结束 通过释放DTR信号来通知ModemA 通过Modem的内部协议 结束一次物理连