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串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)
1 前言在計算機系統(tǒng)中，總線接口對整個系統(tǒng)的性能和功能都有直接影響，有關專家預測，在下一世紀里，串行總線將逐漸取代并行總線。
在數(shù)控系統(tǒng)中，個人計算機技術與數(shù)控技術越來越緊密地結合，由此而產(chǎn)生的具有開放性的PCNC數(shù)控系統(tǒng)，正在取代傳統(tǒng)形式的數(shù)控系統(tǒng)，并成為市場的主流產(chǎn)品。計算機總線結構的變革，必將影響數(shù)控系統(tǒng)的體系結構，串行總線的應用將極大地改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的結構形式。
2 串行總線的優(yōu)點
同并行總線相比，串行總線具有許多優(yōu)點。串行總線連接引腳數(shù)量少，連接簡單，成本較低，系統(tǒng)可靠性高。串行總線對系統(tǒng)體系結構具有重大的影響，它的應用有助于數(shù)據(jù)流計算機體系結構的實現(xiàn)。
對于高速計算機系統(tǒng)，串行總線比并行總線更容易使用。在并行總線中，傳輸數(shù)據(jù)的各個位必須處于一個時鐘周期內(nèi)的相同位置，頻率越高，對器件的傳輸性能和電路結構要求越嚴格，系統(tǒng)設計難度加大，致使系統(tǒng)成本提高，可靠性降低。相比之下，使用串行總線時，數(shù)據(jù)的各個位是串行傳輸?shù)�。在串行總線設計時，既可以嵌入時鐘信號作為同步信號，也可以采用鎖相環(huán)的時鐘恢復方式；同并行總線相比，串行總線的傳輸線效應比較容易處理，從而降低設計難度和系統(tǒng)成本。
另外，以串行信息包為基礎的系統(tǒng)，不需要編寫驅動程序。當斷開任何一根互連線，對全部信息包進行解碼時，串行總線將這些信息包移入存儲器并中斷處理器，這是一種局部的中斷或事件。隨后微處理器將查看這些信息包，而不需要用驅動程序進行上述工作。系統(tǒng)將成為一種信息傳遞系統(tǒng)，而不是事件驅動系統(tǒng)。
外圍串行總線方式，如IEEE-1394/火線和USB(通用串行總線)，已能成功應用。某些供應商準備采用某種串行總線方式替代PCI(外圍器件互連)系統(tǒng)總線。例如，Intel公司在1998年秋季披露，下一代I/O(NGI/O)串行總線能替代個人計算機中的PCI總線。
為了適應串行總線系統(tǒng)的要求，一些從事前沿技術研究的計算機公司，如Mercury Computer Systems公司正在研究光學底板及光學接口等技術�？梢灶A料，光學鏈路將會在串行總線系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
3 國外數(shù)控系統(tǒng)總線接口的發(fā)展概況
在數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)中，世界上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列數(shù)控系統(tǒng)，便是一種串行總線結構形式的數(shù)控系統(tǒng)。該系列數(shù)控系統(tǒng)以其獨特的結構、優(yōu)良的性能引起了關注。其中配備18i系統(tǒng)的鉆削中心已在我國銷售。
根據(jù)日本FANUC公司提供的資料，我們以15i系統(tǒng)為例進行簡要介紹。
15i系統(tǒng)是目前世界上最高性能的CNC數(shù)控系統(tǒng)，最多可進行24軸控制，可控制5軸機床完成如航空部件，模具等零件的高速、高精度加工。插補精度為1nm(被稱為NANO插補)，改進加減速控制(Fine HPCC)，適應高速、高精度加工的要求。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統(tǒng)連接比較復雜。15i系統(tǒng)與各軸伺服單元是通過高速串行總線連接的，僅需一根光纜就可以連接8臺伺服單元。另外通過一根電纜即可與I/O模塊相連，I/O模塊可以擴展。操作單元采用14＂彩色液晶顯示觸摸屏，用戶的機床操作可在觸摸屏上進行，大大簡化了電氣配線，整個系統(tǒng)連接非常簡單，從而降低了成本和維修難度，提高了可靠性和靈活性。
該系列產(chǎn)品在市場中具有很強的競爭力，在未來幾年中FANUC i系列數(shù)控系統(tǒng)將逐漸取代FANUC 0系列數(shù)控系統(tǒng)，成為該公司的主導產(chǎn)品。
1990年德國一些著名的CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，與科研機構共同發(fā)起成立了SERCOS協(xié)會，并制訂了串行實時通訊協(xié)議(Serial Real Time Communication Specification)，以便在德國建立一個統(tǒng)一的CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)接口標準，并開發(fā)相應的產(chǎn)品。1992年4月，該協(xié)議已經(jīng)被建議作為新的德國標準和國際標準DIN/IEC44。目前該協(xié)議已經(jīng)被歐洲主要CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)制造商所接受，引起國際同行業(yè)的重視。THOMSON公司已經(jīng)取得SERCOS接口硬件的生產(chǎn)許可，生產(chǎn)出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家使用。1997年日本也成立了SERCOS協(xié)會。
另外，歐洲的一些公司已推出具有CAN總線接口的伺服控制單元，并投入實際應用。
4 我國的現(xiàn)狀和對策
在我國市場上，國外數(shù)控系統(tǒng)仍占統(tǒng)治地位，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)還占據(jù)著市場的絕大部分份額，中國市場成為其落后技術及庫存的傾銷地。
雖然中華Ⅰ型、航天Ⅰ型、華中Ⅰ型等PCNC系統(tǒng)相繼推出，但總體設計仍未擺脫傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的框架，成本較高，目前還難以取代傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的市場地位。但隨著個人計算機及網(wǎng)絡技術在數(shù)控系統(tǒng)中的應用，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不可避免地將被更具有競爭力的串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)所取代。串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控系統(tǒng)未來發(fā)展的方向，對串行總線系統(tǒng)結構的研究應引起我們的高度重視。
在學習消化國外先進技術的基礎上，盡快研究、建立有關的標準和協(xié)議，選擇適用的實時操作系統(tǒng)，開發(fā)相應的數(shù)控軟件、串行接口芯片和伺服系統(tǒng)，推出我國自主版權的新一代數(shù)控系統(tǒng)，為參與國際市場競爭打下良好的物質基礎。
5 結束語
串行總線計算機數(shù)控系統(tǒng)(SCNC)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，我們不能完全依賴國外進口，應加強對新技術、新方法的研究。國內(nèi)同行應團結一致，共同努力，聯(lián)合相關行業(yè)，尋求發(fā)展，振興我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。
作者單位
鄭立新，北京朝陽區(qū)東直門外望京路4號，北京機床研究所數(shù)控工程中心，郵編：100102
參考文獻
1，郇極.CNC系統(tǒng)數(shù)字伺服接口協(xié)議SERCOS.機械工業(yè)自動化，1997，19(2)
2，JEEE CHILD.未來的計算領域：串行總線革命如火如荼.電子設計(中文版)，1999(3)
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