開放式、網絡化數控系統是實現高水平數字化裝備的保證。其核心是開放式，即系統模塊與運行平臺的無關性、系統中各模塊之間的互操作性和人機界面及通信接口的統一性。開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網絡化方向發展。

　　我國在20世紀90年代中期已開始了具有自主知識產權和一定開放性的數控系統的研發，代表產品有華中I型、中華I型、航天I型和藍天I型。其均以PC為平臺構成的總線式、嵌入式、多通道的結構，雖然具有一定的開放性，但還不具備開放數控的本質特征，主要問題在于沒有解決開放式數控系統的平臺問題。各系統所采用的體系結構仍是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，所謂開放仍停留在PC平臺的開放層次上。其次是軟件開發思想與技術落后，沒有充分利用面向對象、軟件重用等軟件工程的新理論、新技術，而這些正是實現數控系統開放性的關鍵所在。近年來，以華中科技大學的學者為代表提出了一種基于“軟件芯片”開放式數控的實現模式，采用面向對象技術的繼承和派生原理，提高數控軟件的重用性。

　　由于PC+I／0的軟件化結構具有較大技術經濟優勢，已逐漸成為當前Pc數控系統的主流結構。在PC+I/O軟件化數控系統中，PC數控裝置的主要數控功能全部由軟件來實現，因此可有效消除自制硬件帶來的可靠性差、成本高等問題。開發基于Pc+I／O軟件化開放式數控系統，可以對現有系統進行升級換代，進一步減少硬件規模、降低成本、提高系統的可靠性，開發出具有自主知識產權的數控系統。

1 PC數控系統的體系結構分析

　　經過近20年的發展，基于PC的通用計算機數控系統已經發展成多種類型。從體系結構上看，基本可以分成以下幾類：(1)NC+PC的復合式結構；(2)PC+NC的遞階式結構； (3)PC+I／O的軟件化結構；(4)PC+功率接口的集成化結構；(5)pC+實時網絡的分布式結構。

　　NC+PC的復合式結構是一種由專用數控裝置與通用PC相結合構成的雙平臺復合結構，設計思想是：將專用Nc與通用PC通過高速信息交換通道連接在一起，組成一個既具有專用數控特點又具有現代PC風格的復合式控制系統。這類系統的優點是可以保持原有數控基礎，發揮廠家在以硬件專用芯片實現特殊控制功能等方面的優勢，且技術上容易保密，因此多為一些老的數控廠商或實力較強的廠家所采用。這類系統的最大缺點是開放性有限、開發和生產成本較高、技術升級換代較慢。

　　PC+NC的遞階式結構是以PC為基礎，在其上擴展各類數控系統模塊所形成的一種PC數控系統的典型結構。與NC+PC結構不同，PC+NC結構的重心在PC，組成系統所需的其他模塊將根據被控對象的要求靈活確定，具有良好的開放性。但這類系統也存在一些缺點，最突出的就是系統組成單元和模塊較多，各單元和模塊間，特別是實時控制單元與伺服驅動單元間的信息交換，往往成為阻礙系統性能提高的瓶頸。

　　隨著PC硬件技術水平的提高和數控軟件設計水平的提高，一種新的PC數控系統結構——PC+I／O的軟件化結構正逐漸發展起來，目前已呈現PC+NC遞階式結構將被PC+L／0軟件化結構所取代的趨勢。由于PC+I／O的軟件化結構具有較大的技術經濟優勢，已逐漸成為當前PC數控系統的主流結構。

　　基于數控系統結構體系發展的趨勢及企業在數控系統國產化自主研發的需求，作者以PC+I／O軟件化結構的數控系統為項目重點進行了研究。

2 PC+I／O軟件化結構的設計思想

　　采用功能更為強大的PC硬件平臺和更有效的實時程序設計技術，將PC+NC系統中NC部分的控制功能(由單片機和DSP加硬件完成的進給軸運動控制、主軸運動控制、開關量控制等)納入到PC平臺中，由PC的主CPU來完成，從而減少PC數控系統的硬件規模，使PC數控的硬件系統僅為PC硬件平臺加少量的I／O接口。

　　PC+I／O的軟件化數控系統的基本結構如圖1所示。

圖1PC+I／0軟件化數控系統體系結構框圖

　　2.1 硬件平臺的構建

　　系統硬件平臺由通用PC機、SoftsERcANs被動式主站卡、帶SERCOS接口的伺服驅動器、伺服電動機、光纜若干等構建。

　　準備工作如下：

　　(1)將伺服驅動器與伺服電動機用專用光纜連接；

　　(2)將SoftSERCANS被動式主站卡插在PC機的PCI插槽上；

　　(3)按規定的方式用光纜把伺服驅動器和softSERCANS被動式主站卡相連；

　　(4)驅動器地址設置。

　　2.2 軟件平臺的構建

　　系統軟件平臺由windows xP操作系統、Vc++6．0、softsERcANs驅動軟件、RTX實時擴展軟件等構建。

　3 若干關鍵技術的解決方案研究

　　3.1 Windows操作系統的實時化

　　windows操作系統是一個多任務操作系統，但不是一個實時操作系統。由于友好的人機界面和允許多任務的并行處理，越來越多的數控系統以Windows作為操作平臺，這就需要解決Windows操作系統的實時化問題。

　　解決windows操作系統的實時化問題主要可以考慮兩種方法：(1)在Ring3層開發數控軟件，通過設置wiIl32定時器并通過相應WM-TIMER消息來實現實時處理，或者采用Windows多媒體定時器通過設置回調函數可以獲得最高精度1 ms的定時信號。這種方法容易占用較多系統資源以及造成系統實時處理不穩定，且在實現高精度實時化方面存在問題； (2)直接在Ringo層通過軟件設計WDM驅動程序來響應時鐘中斷，即通過引入外部定時時鐘中斷的方法，在操作系統的內部通過編寫系統WDM程序來響應這個外部中斷。

　　　PC+I／O的軟件化數控系統高精度定時時鐘解決方案，即在Pc機的外部提供一個高精度的定時中斷源，在PC機一側則是利用ISA總線通過中斷IRQ5接入PC機，在windows操作系統內部通過wDM程序來響應這個外部中斷。

　　3.2 底層通信和實時控制

　　底層通信和控制系統是數控裝置與執行裝置間進行信息交換的通道，是保證數控系統可靠高效運行的中樞，在數控系統中具有非常重要的地位。傳統數控系統一般通過模擬信號線、脈沖信號線、RS232串行通信等方式來實現底層通信功能。這種數控裝置(數字控制器)與執行裝置(伺服驅動器)間的信息傳遞存在連線多、可靠性差、速度慢等問題。SERCOS總線應運而生。

　　SERCOS是一種串行實時通信協議，是一種運動控制總線，把運動控制器和驅動器連接起來。SERcOs接口具有以下應用特點：(1)環形拓撲結構使配線減少到最少，使用光纜使系統避免了電磁干擾并保證了同步高速數據交換率；(2)在標準化的運行環境下交換所有的數據、參數和指令；(3)使眾多診斷數據的導入和伺服系統參數設定成為可能；(4)來自不同制造商的cNc和伺服系統能結合使用。

　　3.3 SERCOS的網絡組成

　基本的SERCOS網絡由一個主站和若干個從站組成。主站為系統的主控制器，如cNC裝置、FMC控制器等。從站為系統的執行裝置，如進給伺服系統、主軸驅動系統、PLC輸入輸出裝置等。SERCOS采用環形拓撲結構，以光纜作為物理層的傳遞介質。站點間最大距離為40 m，最大從站數為254，通信速度可達16 Mbi/s。

　　3.4 SERCOS報文類型

　　控制器與驅動器之間所有數據交換都是通過報文來進行的。sERCOs接口協議定義了3種報文類型：

　　(1)主控同步報文MST。由主站在傳輸周期開始時廣播MST，用來保證每個周期時序同步。

　　(2)主控數據報文MDT。由主站在一個周期內所規定的時期內發送一次，用來把命令值數據從控制器發送到驅動器。

　　(3)驅動器報文AT。由每一個從站(驅動器)分別發送，用來把反饋值數據從驅動器發送到控制器。

　　3.5 SoRSERCANS

　　SoftsERcANS實質上是一個sERcOs接口的軟件驅動器，其在全面實施sERcOs協議的基礎上增加了與應用軟件通信的DLL接口。S0ftSERCANs只需要一張被動式主站卡，其向運動控制器提供的通信接口是一個動態鏈接庫(DLL)。用戶只需要掌握DLL函數及相關參數的使用方法，就可以設計數控應用軟件。要想在PC數控系統中使用SoftsERcANs被動式主站卡，需要對操作系統平臺進行實時化擴展，可以通過在Ringo層編寫WDM設備驅動程序來實現，也可以通過一些windows實時擴展軟件來實現。

4 結束語

　　通過對PC+I／O的軟件化數控體系的研究，探討了數控系統實時化的解決方案以及底層通信和運動控制方案，提出了一種基于PC+I／O軟件化開放式數控系統框架；在方案實施的技術路線上，利用Vis．ual C++開發工具開發軟件模塊，構成模塊庫，利用cOM技術將這些模塊編制成為在windows環境下運行的cOM組件。數控系統中另一部分實時任務在RTX環境下完成，考慮RTX可能不支持COM技術，利用與win32 DLL功能類似的RTDIJL解決，其可以在RTX環境下動態地加載或卸載。具體的實現已在下一步的工作中深入進行。