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基於國產CMC芯片的數控裝置（zhì）軟硬件技術開發

2018-4-3 來源：武漢華中數控（kòng）股份有限公司作者：謝淑蓮李（lǐ）理（lǐ）徐建春

摘要：基（jī）於（yú）國產CMC芯片本身提供的數控係統軟硬件平台開（kāi）發（fā）土具，設計與開發了一款低成本和高可靠性的數控裝置，滿足數（shù）控係統車削和銑削加土的需求，其功能與性能（néng）經過實際測試與驗證，滿（mǎn）足用（yòng）戶的實際應用。

關鍵詞:CMC芯片; 數控裝置; 數控係統

目前，國產低檔數控（kòng）裝置（zhì）在市場上居統（tǒng）治地位。但中高檔數（shù）控裝置市場基（jī）本被Fanuc和Siemens所壟（lǒng）斷，這種現狀不僅對我國（guó）民族數控產業本身（shēn）的發展不利（lì），對製造（zào）裝備（bèi）業發展不（bú）利，而且難以滿足國民經濟重大（dà）行業對（duì）數控機床及數控裝置的需求。隨著航空航天、船舶土業、重大裝備、汽車（chē）及零部件（jiàn）製造（zào）業等國民經濟重大（dà）行業對數控機床及數控裝置需求的增加，如果（guǒ）這些裝備的數控裝置(特別是核心（xīn）芯片)繼續依賴進口，勢（shì）必將影響我國國民經濟和國防建設的持續健（jiàn）康發展。本論文中講述的CMC芯片應（yīng）用，達到（dào）了“研製先進的、具有（yǒu）自主核心技術和（hé）知識產權（quán）的片上控製模塊(control module on chip簡稱CMC)係統，實現了CMC係統在（zài）土業控製領域的廣泛應（yīng）用，進而推（tuī）動新一代（dài）控製係統的技術變革，形成完全分布、獨立（lì）而又聯（lián）合的新一代控製體係結構，初步建立我國具有完全自主（zhǔ）知識產（chǎn）權的片上土業控製網絡技術體係結構（gòu），大幅度提高我國先進控製係統水平，使我國在土業控製技術上走向國際前列”的最終目標。

1、國產CMC芯（xīn）片簡介

國產（chǎn）CMC運動控製芯片(以下簡稱“芯片”)是將組態處（chù）理、程序存儲、信號輸入輸出、控製算法（fǎ）、通訊接口等（děng）全部集成在一個芯片中的產品，實現的主要（yào）功能（néng）可以（yǐ）簡述為:片內邏輯控製和（hé）運動控製，程序處理及調度管理，數字量信號處理，多種數據（jù）接口通信。使用芯片的組態軟件進行邏輯控製程序和（hé）運動控製程序的編程，將編寫的程序下載到芯片的片內存儲器中。根據用戶的程序，對輸入的各種信號(包括從通信接口傳入的信號)進行處理運算，並進行相應（yīng）的信號（hào）輸出。

邏輯控製主（zhǔ）要包括（kuò）對上層（céng）用戶編寫（xiě）並經過編譯的邏輯控製程序(如梯形圖、IL, ST等)進行執行處理。運動控（kòng）製主（zhǔ）要包括對（duì）上層用（yòng）戶編寫並經（jīng）過編譯的運動控製程序(如G代碼)進（jìn）行執行處理（lǐ）。數字量處理主要包括開關信號（hào）、頻率信號處理，脈衝信號輸入輸（shū）出，PWM輸出，正交編碼器輸入等。

芯片集成了Flash, SRAM、通用定時器、PLL、實時鍾，以（yǐ）及以太網MAC, UART, CAN, SPI, I2C等多種通信接口。

2 、CMC數控裝置硬件設計

2.1 CMC控製係統整體框架

本文（wén）基（jī）於CMC的嵌入式控製器（qì），以CMC芯片作為CPU主控製單兒，運行內部FLASH中的代碼程序，能以脈衝指令（lìng）方式（shì）控製電動機（jī）、伺服驅（qū）動裝置，具有PLC控製（zhì）功能，連接HMI設備（bèi），通過HMI傳輸G代（dài）碼，控製機（jī）床運行。

整個CMC控製係統包括基十CMC的運動控製單7G,HMI(human machine interface)單J L<、伺服驅（qū）動器、伺服電動機（jī）、主軸驅動和主軸控製單兒、以及手持控製單元。如圖1所示。

圖1 CMC控製係統（tǒng）框架

係統中CMC運（yùn）動控製芯片為係（xì）統中的主控芯片（piàn），外部掛接3個伺服驅動器，用於位置控製;並掛接一個變頻（pín）器，用十主軸速度控（kòng）製。運動控製器包（bāo）含（hán）犯路IO輸入及32路IO輸出，用十（shí）檢測機床（chuáng）限位（wèi）、回零（líng）、報警，控製（zhì）機床上電、使能、刀架及潤滑、冷卻等點位功能。

2. 2 CMC數控（kòng）裝置硬件設計

本文基於CMC芯片，集成數控裝置相關硬件模塊、現場總線接口及USB , NC鍵盤、LCD等外設接口，研製出的數控裝置分為兩大部分，第一部分（fèn）HMI單元部分，包括LC D模塊、MCP鍵盤模塊、顯示（shì）控製模塊、NC鍵（jiàn）盤模塊。第二部分（fèn）運動控製部分(NC單兒)，主要（yào）由基於CMC的（de）NC模塊實（shí）現。整體設計方案框圖（tú）如（rú）圖2所示。

如圖2所示，NC單元可提供CMC芯片的運動控製功能和（hé）邏（luó）輯運算功（gōng）能接口，包括32路I/U量輸入（rù）輸出;脈衝量的軸功能控製;各4路模擬量A/D,D/A;手持單元控製接口以（yǐ）及（jí）程（chéng）序數據交換（huàn）接口，如以太網接口、RS232接口、CAN接口等。

圖2 基（jī）於CMC數控裝置的硬件架（jià）構（gòu）

因CMC運動控（kòng）製器自身並不具備圖（tú）形設備接口，係統中使用網口外部（bù）掛接HMI單（dān）元，通過MOD-BUS /TCP協議實現數據交互、代（dài）碼下載等功能。

HMI從CMC運動控製（zhì）器中（zhōng）獲取係統運（yùn）行的狀態及信息，顯示給用戶，同時HMI負責G代碼（mǎ）存儲、編輯、編譯工作。

另外，CMC運（yùn）動控製器（qì）通過SPI總線掛接了數控係（xì）統MCP鍵盤，CMC運動控製器將鍵盤點位映射到PLC層，通過（guò）編（biān）程，實（shí）現鍵盤功能（néng）。

3 、CMC數控裝置軟件設計

因CMC芯片（piàn）可提供運動控製和PLC邏輯控製功能，但人機交互界麵HMI和G代碼解（jiě）釋器不支持。所以本軟件采用（yòng）上下位機的架構模式，下位機以CMC芯片做為運動（dòng）控製（zhì）模塊，上位機采用通用CPU平台，實現一種低成本、高可靠性的，滿足基本車削（xuē）和銑削加土需求的數控（kòng）裝置。

CMC數控裝置軟件設計包括CMC平台提供（gòng）的組態軟件設計和HMI單兒上位機軟件設計兩（liǎng）部分。軟件設計基本框架如圖3所（suǒ）示。

圖3 CMC數控裝裏軟件（jiàn）設計框架

其中CMC係統組態軟件是一款（kuǎn）為基十CMC芯片（piàn）實現的控製設備，提供程序編輯、編譯、組（zǔ）態、調試服（fú）務的軟件，支持標準IEC61131一3編程語言，可實現（xiàn）邏輯控（kòng）製任務的調度和邏輯控（kòng）製程序(如LD, IL, ST等)的執行處理。主（zhǔ）要實現數控係統的PLC邏輯設計功能和運動控製功能。

PLC邏輯設計主要實現數控的自動、手動和手輪（lún）3種工作方式，每個方式（shì）下又需實現停止、運行和暫停3種（zhǒng）狀態，這些功能主要在（zài）CMC係統（tǒng）組態軟件上編輯實現。

CMC組態（tài）軟件實現的數控的運動控製（zhì）支持JB /T3208一1999標準G代碼程序，32位定長（zhǎng）指令集格式，主要功能是對獨立的4個電機驅動軸進行插補控（kòng）製和速度控（kòng）製。

運動控製支持兩種工作方式，一是寄存器命令控製，二是自動讀取G指令執行（háng）。在自動讀取指令執行的模式下，負責基於G代（dài）碼指令集的自動讀（dú）取並執行，基於獲取的指令參數，以脈衝串形式輸出特定頻率的脈衝，能夠實（shí）現對伺（sì）服電動機或步進電動（dòng）機進行（háng）插補驅動控製、速度控製（zhì）、單軸位置控製等控製功能。它可以針對不（bú）定長的指令（lìng）進行自動判斷，通過識別（bié）指令標示（shì）符，自動地判斷讀取指令的條數，通過執行標（biāo）準或者一非（fēi）標準的G代碼指令，完成相應的運動控（kòng）製功能（néng）。

本上位機軟件係統主要（yào）有3部分組成，分（fèn）別為CMC通訊（xùn）協議（yì）層、G代碼解釋器（qì）層、人機交互層組成。

CMC通訊層主要功能為通過標準以太（tài）網接口與CMC芯片進行通訊，其（qí）通（tōng）訊內容包含（hán）兩部分:(1)利用標準的modbus通訊協議，實現（xiàn）機床狀態數據的反饋。(2)利用普通的以太網UDP協議，實現運動控製指令的下發。

解釋器層:完成數控係統ISO的G代碼的（de）譯（yì）碼任務，包含詞法分（fèn）析、語法分析、刀（dāo）具長度和半徑補償（cháng）、M ST輔（fǔ）助功（gōng）能譯碼等。將G代碼解釋為（wéi）運動控製（zhì）指令，並通過CMC通訊層發送至CMC芯片進行插補（bǔ）運動。

人機交互層:采用（yòng）跨平台和模塊化的軟件技術，實現數（shù）控裝置的操作控製和狀態顯示。包含坐（zuò）標顯示、G代（dài）碼顯示和編輯、報警顯示、圖形顯示等一係列的頁麵，滿足用戶對數控裝（zhuāng）置的操作和診斷需求。

4、結語

本文所設計的CMC數控裝置經（jīng）過硬件測試，軟件測試以及（jí）與（yǔ）伺服驅動、伺服電動機實際聯機調試並交與機床用戶（hù）實際使用驗證，功能正常，運（yùn）行可靠，符合設計（jì）要求。滿足（zú）了用戶（hù）既（jì）實用，價（jià）格又低的要求。實現了CMC芯片能夠在數控領（lǐng）域的應用，結果（guǒ）達到了預期的目標。

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