數控專用主板設計

張贊秋 高 巖 羅 迪 楊松山 蘇升力

（大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600）

數控系統是數控機床的核心，而這個核心的大腦就是數控系統的主板。其性能、功能和穩定性決定了一個數控系統的速度、易用性和穩定性，對數控機床的好壞起著重要的作用。

目前市場上數控系統多是使用普通工控主板，為了連接數控其他硬件需要許多的接口、連接器。面對數控機床復雜的工作環境，可能帶來許多問題。如機械加工的振動可能引起連接器的松動，機械切削的碎屑可能帶來大量的導電粉塵，或者靜電粉塵這些粉塵可能堆積在連接器接口，導致功能異常，甚至損壞主板。面對這些問題，必須找到一種方法在保證性能和功能的同時，保證主板的穩定性。

數控專用主板是工控主板的一種，為X86結構，具有操作系統豐富（兼容WINDOWS、LINUX等）、軟件兼容性好、開發工具豐富、系統穩定、硬件兼容性好等優點;同時，它具有非常高的集成度，主板上整合了許多設備，包括內存、數控總線控制器等，方便實用。

1 處理器與平臺選擇

高性能的數控產品需要有個高速的大腦，但就處理器來說，速度和熱功耗是成正比的。過高的功耗，散熱就成了一個問題，原來的被動式散熱就需要改成主動式散熱，而機械式的風扇，在大量粉塵的工作環境中，壽命會大大縮短，一旦風扇停轉又不能及時發現，處理器和主板就可能面對燒毀的問題。這里，我們采用的系統平臺為英特爾公司的Pentium?M Processor與 Mobile Intel?915GM Express Chipset。1.4 GHz 的速度與單片10 W左右的熱設計功耗滿足我們的需求。

2 整合功能外設與板型選擇

2．1 普通工控主板

普通工控主板的結構如圖1，板載了各種接口，包括內存、PCI、HDD（SATA、IDE）USB 等，所有設備均需要通過這些接口連接到主板上，實現各個功能。圖2鍵盤鼠標使用的PS/2端口的公頭、母頭，這種端子可以隨意插拔，無鎖死裝置。圖3所示為USB插接端子，該端子同樣沒有鎖死裝置。USB和PS/2這樣的接口就可能在數控系統中遇到振動或者人為誤觸碰脫落，導致系統故障。圖4為內存的插接方式有鎖死裝置，但針腳非常多，在數控系統工作的環境里，靜電和灰塵問題幾乎不可避免，連接處還會出現氧化現象，影響可靠性。

2．2 數控專用主板接口選擇

可靠的連接是系統安全穩定運行的保障。

主板上所有端子均為帶鎖端子，其中 PS2、USB、音頻、串口、LVDS、電源均為JST生產的 PAD CONNECTOR，允許電流 3 A，電壓250 V，隔離阻抗1 000 MΩ。如圖5。而網口采用 RJ45端口，本身自帶鎖死裝置。SATA端口為標準端口，帶鎖死裝置。

2．3 板型尺寸方面的考慮

我們知道，通用主板PCB厚度一般為1.6～2.0 mm，板材尺寸越大，受力的時候變形量越大，板材中間位置的器件越容易斷裂、開焊，為此我們設計了更小的板型，板厚為2.0 mm，尺寸為120 mm×180 mm。根據實際產品試驗，變形量非常小，避免板上元器件的剝離脫落等問題。

3 主板集成功能

主板集成度越高，所需外設越少。為了盡可能減少外設所帶來的不穩定因素，如為了避免內存插槽的影響，我們在主板上集成了三星的DDR2 SDRAM內存顆粒，由8片組成2個BANK的64位結構，板載1 G內存，BGA封裝。焊接后，可避免內存DIMM端子帶來的不穩定性。還取消了PCI接口，由原來插入式的系統總線卡改為了板載，這樣振動和灰塵等問題就可以避免。也可以節省系統裝配人工。

4 光纖接口全數字總線

GLINK數字總線是大連光洋開發和使用的一種數控專用通訊總線。它具有速度快、抗干擾內力強、使用方便等優點。現已使用在大連光洋的所有數控系統中，已經過多年的使用，充分的驗證，得到了用戶的一致好評。

CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準;也是國際上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境中。

5 結語

集成全部數控系統主板相關功能，尤其是GLINK全數字光纖接口的使用和CAN總線接口的使用，使數控主板告別了許多數控硬件如通訊卡、CAN卡等插接在主板上的時代。主板單板固定在控制器內，簡化了系統內部結構，避免了灰塵，振動、風扇等不可靠因素，從而得到更好的穩定性。