具有3層重構能力的可重構數(shù)控系統(tǒng)

王 濤 劉清建 王太勇 王立文

1.中國民航大學，天津，300300 2.天津大學天津市先進制造技術與裝備重點實驗室，天津，300072

0 引言

可重構數(shù)控系統(tǒng)是當前開放式數(shù)控技術的一個研究熱點，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比，可重構數(shù)控系統(tǒng)具有很多優(yōu)點[1]。當前對數(shù)控可重構技術的研究主要集中在以下幾個方面：①將現(xiàn)場可編程邏輯器件作為硬件系統(tǒng)的一個功能模塊，研究如何對其實時編程以實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的重構設計[2－3]；②利用組件技術設計數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控軟件系統(tǒng)具有一定的可重構性[4]，或研究 Windows系統(tǒng)的特點，基于 Windows系統(tǒng)設計可重構的軟件模型[5]；③為了方便系統(tǒng)功能模塊的增減，研究總線技術在可重構數(shù)控設計中的應用，利用通用串行總線設計系統(tǒng)模塊間的通信[6]。上述研究的不足是：忽略了可重構數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)需要硬件、軟件和模塊間通信的協(xié)同設計。因此，本文將數(shù)控系統(tǒng)的重構分成相關聯(lián)的3個層次：硬件系統(tǒng)重構、軟件系統(tǒng)重構和模塊級重構，并通過一個實際數(shù)控系統(tǒng)的設計，來闡述3個層次的應用及其相互關系。

1 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)平臺的構建和可重構設計研究

1.1 可重構數(shù)控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)平臺的建立

圖1所示為數(shù)控系統(tǒng)的可重構硬件開發(fā)平臺，以ARM、DSP和FPGA為硬件平臺核心，系統(tǒng)采用主從式雙CPU設計。ARM處理器作為主芯片，具有通信管理、網(wǎng)絡管理、人機交互、指令譯碼、故障診斷等功能。DSP具有軟件插補、位置控制、誤差控制等功能。FPGA用于硬件插補器和外圍接口電路的設計。由于FPGA能夠通過編程改變其內(nèi)部的硬件電路時序關系，所以數(shù)控系統(tǒng)的插補模塊和外圍接口電路能夠根據(jù)整個系統(tǒng)的重構需要進行重新配置，使該硬件平臺具有很強的重構能力。存儲器主要用于整個系統(tǒng)運行的程序和數(shù)據(jù)的存儲。各種硬件功能模塊包括顯示控制模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、PLC控制模塊等，主要用于實現(xiàn)各種具體應用功能。

筆者設計的可重構數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺如圖2所示，由如下幾個部分組成。

（1）硬件服務模塊。該模塊的主要功能為：①系統(tǒng)開始運行時，對硬件模塊進行初始化；②系統(tǒng)運行過程中，其余軟件模塊只能通過硬件服務模塊對硬件進行操作；③硬件模塊進行重構時，用VHDL語言描述的文件通過該模塊裝載入FPGA模塊。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)可重構硬件開發(fā)平臺

（2）實時操作系統(tǒng)模塊。將自行開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)TDNC－OS作為系統(tǒng)任務調(diào)度與開發(fā)平臺，該模塊的主要功能是處理由內(nèi)外部事件引發(fā)的文件系統(tǒng)或功能任務的調(diào)度以及相應設備驅(qū)動的激活等。

（3）軟件重構配置模塊。該模塊的功能為：①原有系統(tǒng)參數(shù)的重新配置重構；②新功能的加入或新系統(tǒng)的重構生成。

（4）其余軟件功能模塊。包括文件系統(tǒng)模塊、各種插補功能模塊、各種交互模塊等，主要用于完成系統(tǒng)具體的工作功能[7]。

圖2 可重構數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺結構

1.2 數(shù)控系統(tǒng)可重構設計研究

1.2.1 基于FPGA的硬件可重構模塊設計

數(shù)控系統(tǒng)的可重構性要求數(shù)控系統(tǒng)能適時地調(diào)整自身的硬件結構以滿足重構要求。現(xiàn)場可編程邏輯器件具有硬件電路在線可編程的特性，即它的硬件結構可以像軟件程序一樣被動態(tài)調(diào)整或修改[8]。圖3為基于FPGA的可重構系統(tǒng)的結構框圖，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)從兩軸聯(lián)動到五軸聯(lián)動的重構設計。由圖3可知，可重構模塊是ARM模塊、DSP模塊、交互模塊和總線接口模塊彼此間通信的橋梁。它不僅為信號傳遞提供可靠的通路，而且通過裝載不同的配置文件，可重構出不同功能的數(shù)控系統(tǒng)。驅(qū)動模塊和外部I／O接口模塊（主要用于數(shù)控機床電氣的控制）通過串行工業(yè)現(xiàn)場總線與數(shù)控系統(tǒng)相連，減小了模塊之間連線的復雜度，提高了通信的可靠性，使整個系統(tǒng)模塊的增減更加簡便，極大縮短了數(shù)控系統(tǒng)模塊級的重構時間。

圖3 基于FPGA的可重構系統(tǒng)的結構框圖

基于常規(guī)SRAM編程，本系統(tǒng)基于FPGA的動態(tài)配置方案如圖4所示。配置參數(shù)模塊中的數(shù)據(jù)按照邏輯功能存放，用于配置FPGA內(nèi)部的各邏輯模塊。外部緩沖SRAM在ARM控制下，對系統(tǒng)重建時隙給予自適應的邏輯補償，保證系統(tǒng)邏輯時序上的連續(xù)。系統(tǒng)整體功能采用FPGA硬件復用形式構筑，但系統(tǒng)功能的整合（系統(tǒng)重構、時隙補償）由ARM規(guī)劃和控制。

圖4 FPGA的動態(tài)配置方案

1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)引導型軟件重構開發(fā)平臺的研究

數(shù)控系統(tǒng)的硬件重構和軟件重構必須同步進行，才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的重構。根據(jù)該數(shù)控系統(tǒng)的結構特點，筆者設計了一種具有引導功能的系統(tǒng)重構開發(fā)平臺，如圖5所示。開發(fā)平臺采用一種引導開發(fā)的模式，借助于預先定義的各種信息庫，將使用特殊語言描述的用戶功能要求轉(zhuǎn)換成信息庫中特定策略的組合，然后通過與ARM和DSP相匹配的代碼編譯器，將策略描述翻譯后，再通過下載電纜傳送至數(shù)控系統(tǒng)。

軟件重構開發(fā)包括語言描述和引導設置兩種開發(fā)方式。語言描述方式采用結構化的功能機制，預先定義出系統(tǒng)重構的算法結構，用戶只需根據(jù)算法的提示加入自己功能要求的描述。圖6所示為重構描述語言的結構，圖中定義了一種新的插補算法來完成所需的復雜曲線擬合。開發(fā)平臺提供獨立的結構化描述語言，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，以功能對象群組的方式來描述數(shù)控組件對象的特定工作狀態(tài)。語言描述方案可以通過靈活定義的算法規(guī)范深入系統(tǒng)內(nèi)部的軟件構成細節(jié)，適用于系統(tǒng)底層策略方案的自定義重構配置。引導設置采用開發(fā)向?qū)У男问揭詧D形化詢問界面來定制用戶的重構需求，一般用于較為簡單的重構開發(fā)。圖7所示為運動擬合精度的重新設定，較為簡單，只需修改一些參數(shù)，因此，采用引導設置方式進行開發(fā)。

圖5 重構開發(fā)平臺的理論模型

圖6 重構描述語言的結構

圖7 軌跡擬合精度的重新設定

2 基于工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS－DP的模塊可重構數(shù)控系統(tǒng)設計

數(shù)控系統(tǒng)的模塊級重構要求重構過程簡便快速，重構后的系統(tǒng)運行安全可靠，在物理空間上能夠靈活分布[9]。PROFIBUS－DP是經(jīng)過優(yōu)化的高速廉價的通信總線，專用于自動化系統(tǒng)中分散的現(xiàn)場設備之間的通信。特別適合于分布式數(shù)字控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。筆者基于前述的可重構軟硬件數(shù)控平臺，將12Mbit／s的PROFIBUSDP作為數(shù)控系統(tǒng)模塊間的通信總線，成功開發(fā)出了TDNCM4數(shù)控系統(tǒng)，圖8為TDNCM4數(shù)控系統(tǒng)分布式模塊結構圖。在此基礎上，下文將研究重構出新的更高性能的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)TDNCH8的策略方法。

圖8 TDNCM4數(shù)控系統(tǒng)結構圖

圖9為將要設計的TDNCH8數(shù)控系統(tǒng)的分布式模塊結構圖，與圖8相比最顯著的變化就是增加了1個I／O控制器從節(jié)點和4個進給驅(qū)動從節(jié)點，變化的原因是TDNCH8數(shù)控系統(tǒng)需具有控制八軸五聯(lián)動的能力。

圖9 TDNCH8數(shù)控系統(tǒng)結構圖

表1列出了TDNCM4和TDNCH8數(shù)控系統(tǒng)在功能上的相同和不同之處，同時給出了從TDNCM4重構出TDNCH8系統(tǒng)時各種功能所采用的重構方式，“√”表示所在列的重構方式被采用。表1中所列數(shù)控功能的重構主要分為3類：

（1）不變。指TDNCM4和TDNCH8共有的功能。如平面直線插補、空間直線插補等功能，在數(shù)控系統(tǒng)重構升級的過程中，這部分功能可直接用到新的數(shù)控系統(tǒng)中。

（2）增加。指TDNCM4系統(tǒng)有此功能，但由于控制軸數(shù)的增加而必須對其進行擴展。如最大進給軸數(shù)、坐標系統(tǒng)等功能，需要從四軸增加到八軸。最大進給軸數(shù)的擴展是這樣實現(xiàn)的：硬件重構增加軸控制通道數(shù)，軟件重構解決新增軸的位置控制和配置問題，模塊重構使新增的進給軸物理載體（一般是伺服電機驅(qū)動器和伺服電機）方便地連接到數(shù)控系統(tǒng)主控器上。顯而易見，為實現(xiàn)控制軸數(shù)的重構升級，3種重構方式必須同時采用，缺一不可。坐標系統(tǒng)只需利用軟件重構的方式，在前面提到的引導型軟件重構平臺上，在坐標系統(tǒng)函數(shù)庫中增加新增四軸的坐標處理函數(shù)即可實現(xiàn)，硬件重構和模塊重構的方式未用到。

（3）新增。指TDNCM4沒有，而TDNCH8新增的功能。主要是一些更高級的插補功能，需要通過軟件重構的方式來實現(xiàn)。

表1 TDNCM4系統(tǒng)和TDNCH8系統(tǒng)主要功能對比

從上述分析中可以看出，基于TDNCM4系統(tǒng)重構出TDNCH8系統(tǒng)必須同時利用數(shù)控系統(tǒng)的硬件重構、軟件重構和模塊級重構技術，三者相輔相成，密不可分。換個角度分析，我們可以把數(shù)控系統(tǒng)的重構分為3個層次：①核心功能重構（一般指控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)的改變）需要同時采用3種重構方式才能實現(xiàn)；②工作功能（主要指插補功能）重構，只需通過軟件重構就能實現(xiàn)；③輔助功能（包括坐標系統(tǒng)、程序管理系統(tǒng)、刀具管理系統(tǒng)等）重構，只需通過軟件重構就能實現(xiàn)。只要判斷出一個數(shù)控系統(tǒng)的重構升級屬于哪個層次，就能決定其應該采用的重構方式，例如，如果只是想把刀具管理系統(tǒng)管理的刀具數(shù)從1024增加到2048，只需進行軟件重構就可以。實際上，這種重構并未改變TDNCM4系統(tǒng)的根本性能，而是擴充或增強了其輔助功能。但如果把TDNCM4系統(tǒng)的控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)分別增加到8和5時的數(shù)控系統(tǒng)的重構屬于核心功能的重構，需3種重構方式同時使用才能實現(xiàn)，而且重構后的系統(tǒng)在根本性能上與TDNCM4系統(tǒng)相比已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，新的更高性能的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)誕生。因此，如果一個可重構的數(shù)控系統(tǒng)平臺具備上述3個層次的重構能力，那么必將能開發(fā)出從低端到高端的系列化數(shù)控產(chǎn)品。

在實際應用中，通過對TDNCM4數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件和組成模塊的重構設計，成功開發(fā)出了五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)TDNCH8，并將其應用在TDNCM80A五軸加工中心上。顯然TDNCM4和TDNCH8基于同一種設計結構，屬同一個產(chǎn)品系列，只是性能高低不同。同理，采用相同的重構方法，也能方便地重構出車床控制系統(tǒng)、磨床控制系統(tǒng)等，從而形成一個數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品系列。

3 結束語

論文提出從數(shù)控系統(tǒng)設計的硬件、軟件和模塊3個層次來研究可重構數(shù)控系統(tǒng)的設計，并給出了各個層次重構的實現(xiàn)方法。研究了3個層次在系統(tǒng)重構中協(xié)同應用的問題，并以一個實際設計為例，給出了不同數(shù)控功能重構的3種層次的選擇方法。課題后續(xù)的工作將著重于進一步研究重構過程中的軟硬件協(xié)同設計問題以及數(shù)控系統(tǒng)重構和機床重構的關系問題。

[1]齊繼陽，竺長安，王歡.基于USB和組件技術的可重構數(shù)控系統(tǒng)的研制[J].制造技術與機床，2007（12）：17-20.

[2]Roque A O，Rene de J R，Gilberto H，et al.The Application of Reconfigurable Logic to High Speed CNC Milling Machines Controllers[J].Control Engineering Practices，2008，16（6）：674－684.

[3]秦興，王文，李為建，等.基于FPGA的硬件可重構數(shù)控系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學報，2002，23（3）：407－409.

[4]齊繼陽，竺長安.基于通用串行總線的可重構數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)—CIMS，2004，10（12）：1567－1570.

[5]文立偉，王永章，路華，等.基于開放結構控制器的可重構數(shù)控系統(tǒng)[J].計算機集成制造系統(tǒng)—CIMS，2003，9（11）：1018－1022.

[6]Wang Yuhan，Hu Jun，Li Ye.Study on a Reconfigurable Model of an Open CNC Kernel[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，138（1／3）：472-474.

[7]王太勇，王濤，楊潔，等.基于嵌入式技術的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)設計[J].天津大學學報，2006，39（12）：1509－1515.

[8]徐躍，王太勇，趙艷菊，等.基于ARM和DSP的可重構數(shù)控系統(tǒng)[J].吉林大學學報（工學版），2008，38（4）：848－851.

[9]王太勇，李波，萬淑敏，等.基于現(xiàn)場總線的可重構數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2006，12（10）：1662－1667.