1 多CPIJ單片機數控系統的硬件設計原則
系統的運算速度必須滿足機床各種運算速度要求，以符合數控機床的實時多任務的特點；系統硬件結構能夠滿足經濟型機床的功能要求，擴展性能好．適用面廣，可靠性高，保護功能好：硬件功能模塊化設計，并且模塊劃分得當，便于擴充，便于判斷故障和維修；在不增加硬件成本的前提下。可以利用網絡，以提高設備利用率和使用質量。
2 多CPU單片機數控系統的硬件架構
2.1 數控系統的CPU
本數控系統預控制四個電機，其中三個涉：進步或伺服電機可以實現兩兩直線、圓弧插補或者空間直線插補。
目前效控系統按照CPU的數量來分有：單機系統和多機系懶統。指整個CNC裝置只有—個CPU，它集中控制和管理整個系統資源，通過分時處理的療式來實璐種數控功能。其優點在于投資小，結構簡單，易于實現。但系統功能受CPU字長、數據寬度、尋址能力和運算速度等因素的制約。現在這種結構已被多機結構的毛從結構所代替。
多機系統。是指整個cNc裝置中有兩個或兩個以上的CPU，也就是系統中的某螳功能模塊也帶有CPU，根據這些CPU間的相互莢系的不同又町以將其分為：
①主從結構系統，在該系統中只有一個cpu實際為主CPU系統的資源(系統存儲器、系統總線泊J控制和使用權，而其他帶有CPU的功能模塊麗為智能部件，則無權使用或控制系統資源，它只能接收主CPU的控制命令或數據，或向主CPU發出請求以獲得所需的數據。只有一卟CPU處于主導地位，其他CPU處于從屬地位，稱之為主從結構。
②多主結構系統，在該系統中系統部件之間采用緊藕合(即均掛在系統總線上，集中在一個控制箱內)，有集中的操作系統，通過總線仲裁器(軟件和硬件徠解決爭用總線問題，通過公共俐諾器來交換信息。
③分布式結構系統，該系統有兩個或者兩個以上的帶有CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨立的運行環境(系統總線、存儲器、操作系統等)，功能模塊間采用松藕合，即在空間上：町以較為分散，各模塊問采用通信的方式交換信息。
圖1多CPU單片機數控系統的1．更4q-結構
目前，由于多主結構和分布結構的系統構成復雜，操作系統的設計比較困難，加之從主結構系統能基本滿足數控加工的要求，故這兩種結構的CNC系統較少。
從硬件的體系結構來看，單機系統與豐從系統及其相似，因為主從結構的從CPU模塊與單朝結構的相應模塊在功能上是等價的，只是從模塊的能力更強而已。
考慮到本數控系統運用單片機作為處理器，單一CPU并不能夠滿足多任務的控制要求，所以系統采用雙CPU架構。—個CPU實現實時性要求不高的系統管理和監控，另—個CPU實現實時性要求較高的運動控制，CPU間通過通訊實現數據交換。因此本系統采用主從式雙CPU架構。
2.2 多CPU單片機數控系統的硬件總體架構
多CPU單片機數控系統數羥裝置的硬件結構應具有以下特點。
采用主從CPU結構控制系統，主、從CPU都采用高性能單片機，每個子系統都有自已獨立的運行環境和控制功能；主、從CPU之間采用特定的通信協議進行數據通訊，交換信息。采用共享雙VI RAM結構或者直接信息交換方式實現通信。用戶可選；硬件功能模塊化設計，主要分為鍵盤模塊，顯示模塊，擴展礬)模塊，程序操作模塊．插補控制模塊，位置控制模塊，電路驅動模塊和電源隔離模塊等功能模塊；豐、從CPU分工合作。主CPU完成前臺控制．即系統初始化、人機界麗管理、系統監控、鍵盤掃描、加工程序編輯、FO控制等管理控制工作。從CPU則上要進行插補處理、位置控制、主軸控制、速度控制等實時控制工作。
3 多CPU單片機數控系統軟件總體架構
CNC系統的程序豐要由以下幾個部分組成：輸入數據處理程序。輸人數據處理程序的任務是接收輸入的零件程序，并對其進行預處理。—般CNC系統的預處理包括：對使用ISO或EIA代碼的零件程序進行翻譯、整理’按所規定的格式進行存放。對零件程序的加工指令進行譯碼，對其坐標數據進行十進制到一刪的轉換甜編程軌跡進行刀具半徑偏移汁算，以得到刀具巾心的運動勒跡，并繼而處胂程序段的轉換問_題；對插補計算及速度控制過程巾要用到的一些常數進行頂計算等。當然，不同功能的CNC系統，其預處理具體內容不盡相同，但其目的都是共同的：即為插補運算耵約時間。CNC系統對輸人數據處理程序的實時性要求不高，它可在加工前或加工過程中的空閑時間進行。輸入數據處理進行的充分—些．町減輕加工過程中實時性較強的插補運算及速度控制程序的負擔。
插補運算程序。插補運算程序完成NC系統巾插補器的功能，即實現唯標軸脈沖分配的功能。南于現代微型計算機或微處理器檔制器等具有功能強大和完善的指令系統和必要的算術了程序，給插補運算提供了許多力‘便。可以采用—些更方便的數學方法提高輪廓控制的精度，而不必廄武噌加硬件線路。插補運算是實時性很強的程序，要盡可能減少該程序中的的指令條數，即縮短進行一次插補運算的時間。因為這個時間直接決定了捕補進給的最高速度。有砦CNC系統中，還采用粗插補與精捅補相結合的方法，軟件只作粗抽補，即每次插補一條微小直線段，硬件再將此微小直線段分成單個脈沖輸出，完成精插補。這樣既可提高進給速度，義能使汁算機節省出更多的時問進行必要的數據處理。
速度控制程序。速度控制程序的目的就是控制脈沖分配的速度。即根據給定的速度代碼(或其相應的速度指令)，控制插補運算的頻率，以保證按預定的速度進給。在速度明顯突變時，要進行自動加減速控制．避免速度突變造成驅動系統的失步。速度控制可以完全由軟件方法曜序計時法實現，也可以保留用速度澤碼控制振蕩器的硬件線路，經中斷或程序詢問進入一次插補運算，達到速度控制的日的。此外，用軟件對速度控制數據進行處理，并與硬件的速度積分器相結合，可以實現高性能的恒定合成速度控制。并大大提高插補進給的速度。
管理程序。管理程序是實現CNC系統協調工作的主體軟件。按操作系統的觀點：—個機機系統有CPU、存儲器、外設及文件四項資源需要管理，而一般CNC系統中的管理程序其規模與通用性不大，所以不能稱為操作系統而稱為管理程序或監控程序，它主要對數據的輸入、處理及切削加工過程中的各種系統程序進行統一的調度，以實現零件加工的實時控制。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補運算與速度控制的空閑時問進行數據處理，或對系統進行必要的瑣防性診斷等。
診斷程序。能夠方便地設置各種診斷程序是CNC系統的特點之一。診斷程序町以在運行中及時發現系統的故障，并指出故障的類型。也町以在運行前或發生故障后，檢在各種部件(接1：3、開關、伺服系統等)的功能是否正常不正常時指f“故障的部位便于維修人員及時處理減少故障停機時間。
因為此系統硬件為豐從CPU架構，結合每個CPU的管理功能不同，各個負責的模塊軟件如圖2所示。
硬件采用模塊化設計，軟件更要突出模塊化的設計思想。針對不同的數控系統軟件功能構建模塊化的程序，即數控系統的軟件芯片化在軟件工程思想的指導下，力求提高軟件的重用率，受硬件系統開發的啟發，通過對數控系統的功能劃分，建立類似硬件芯片的數控系統軟件芯片庫。當建立新的數控系統時。只需從軟件芯片庫中取出相應的模塊加以組合即可，必要時加以擴充，而，元需從頭開發整個系統。
軟件芯片也稱軟件組件，是運用類屬化、抽象、封裝、繼承等現代軟件工程技術的，完成特定功能，并且有良好接口的自包含實體。
在軟件芯片集成運行環境的統一管理下。每個”軟件芯片”可以靈活地進行重組。這些功能不同的軟件芯片通過數控系統軟件芯片庫的集成環境進行配置．從而形成—個有機的整體．存任務調度下，完成CNC人機交互以及各種運動控制功能。
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本文標題：多CPU單片機數控系統設計
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