CN101329570B

CN101329570B - 同步串行总线式数控系统

Info

Publication number: CN101329570B
Application number: CN 200710011799
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 何平; 王超; 李岩; 何方; 张富彦; 姜雪
Original assignee: SHENYANG HIGH-END COMPUTER NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd; Shenyang Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Shenyang Zhongke CNC Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: CN101329570A

Abstract

本发明涉及一种同步串行总线式数控系统，包括显示控制终端，内部存有数控软件，通过串口及同步串行总线分别与机床操作站及数控主机箱相连，通过对同步串行总线的通讯管理实现机床的运动控制、机床开关量控制；机床操作站，负责向显示控制终端提供操作指令和操作状态输出；数控主机箱，为机床的运动控制和反馈检测功能的执行机构，将显示控制终端的指令转换成机床运动的控制信号并将机床的运动和状态分别转换成位置信号和开关量信号，通过同步串行总线回传到显示控制终端。本发明提高了系统的抗干扰能力和工作稳定性，降低了控制信号易受干扰的问题，特别是对于具有多个机床设备的统一控制，可方便的进行系统移植，且具有通用化好和低成本的特点。

Description

同步串行总线式数控系统

技术领域

本发明涉及计算机数字控制系统，具体地说是一种控制各类机床进行机械加工，尤其针对大型、复合式加工机床的同步串行总线式数控系统。

背景技术

近年来随着计算机技术和通讯技术的不断进步，数控系统技术正经历着从传统封闭式向开放式数控系统发展的过程。开放式数控系统的研究开发在国内外一直是热门课题。开放式数控系统主要基于PC的方式。最初开放式系统采用“PC嵌入NC”结构。随着PC技术的发展出现了“NC嵌入PC”结构。

由于串行总线技术在工业过程控制领域的广泛应用和通讯技术的发展出现了“基于串行总线的PC+NC”结构。它通过串行总线连接PC和NC构成一个分布式控制系统。由于串行总线系统的开放性、网络拓扑结构的灵活性和系统结构的分散性使其具有广阔的发展前景。

目前国际上已经开发出多种现场总线标准，在数控领域应用的主要是SERCOS、PROFIBUS和工业以太三种标准，上述几种总线标准主要存在的问题是必须采用专用传输线缆和专用接口芯片，电气连接和数据链路层对用户不开放，系统融合性差、产品成本高、电气布线不方便，并且上述三种总线标准的相关技术和专利都掌握在国外的主要数控设备厂商手中，采用其标准需要交纳高昂的专利许可费用和设备检测费用，会大大提高产品成本降低市场竞争力。而目前国内数控系统生产厂商还没有开发相应类型的数控产品和形成相应总线标准。现场总线方式的数控系统将成为未来数控系统发展的主要方向，根据国际国内现场总线标准的现状，急需开发出技术更为领先的基于现场总线方式的数控系统和其他相关设备，进而为建立国内的数控现场总线标准奠定产品基础。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有现场总线特征的同步串行总线式数控系统，通过制定一种适应于数控机床控制的同步串行总线协议，使本系统的PC和NC部分进行实时数据通讯，进而构成对数控机床进行控制的同步串行总线式数控系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明数控系统包括显示控制终端，内部存有数控软件，通过串口及同步串行总线分别与机床操作站及数控主机箱相连，通过对同步串行总线的通讯管理实现机床的运动控制、机床开关量控制；机床操作站，负责向显示控制终端提供操作指令和操作状态输出；数控主机箱，为机床的运动控制和反馈检测功能的执行机构，将显示控制终端的指令转换成机床运动的控制信号并将机床的运动和状态分别转换成位置信号和开关量信号，通过同步串行总线回传到显示控制终端。

所述显示控制终端具有同步串行总线控制模板及工业CPU卡，其中同步串行总线控制模板由同步串行总线控制模块及与该同步串行总线控制模块相连的接口电路构成，所述同步串行总线控制模块为可编程逻辑芯片，其内部包括ISA总线管理器、系统软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区、设备信息管理器、同步串行总线设备管理器、同步串行总线协议管理器以及同步时钟管理器，其中ISA总线管理器分别通过接口电路中的ISA数据总线接口电路、ISA地址总线接口电路、ISA总线控制信号接口电路和ISA中断接口电路接至工业CPU卡，工业CPU卡通过ISA总线管理器与同步串行总线控制模块内部的系统软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区、设备信息管理器进行数据交换；同步串行总线协议管理器根据同步串行总线设备管理器的指令将设备信息存入设备信息缓冲区，同步串行总线协议管理器通过同步串行总线接口电路接至数控主机箱；同步串行总线设备管理器将设备信息提供给设备信息管理器；同步时钟管理器为设备信息缓冲区、设备信息管理器、同步串行总线设备管理器、同步串行总线协议管理器提供工作时钟。

所述接口电路至少包括ISA数据总线接口电路、ISA地址7总线接口电路、ISA中断接口电路、ISA总线控制信号接口电路、同步串行总线时钟电路、探头输入接口电路以及同步串行总线接口电路。所述接口电路还包括电源管理电路、系统软件狗、电源检测输入电路、液晶屏逆变器接口电路、机床上电控制输出接口电路、扩展USB驱动接口电路、CPU卡USB转接电路、以太网口转接电路、机床操作站接口电路、软盘驱动器接口电路、键盘切换电路和RS232接口转接电路。所述数控主机箱包括主机总线模板、线性电源模板、轴控制模板和I/O控制模板组成，线性电源模板为数控主机箱的其他模板提供电源，同时为同步串行总线和轴控制模板以及I/O控制模板提供电气转接和同步串行总线的终端负载匹配；轴控制模板将同步串行总线的运动控制指令进行变换、输出，并将运动检测信息通过同步串行总线反馈到显示控制终端；I/O控制模板将同步串行总线对机床开关量的控制指令进行变换、输出，并将机床开关信号检测信息通过同步串行总线反馈到显示控制终端；主机总线模板为上述三种模板提供互联插槽。所述轴控制模板包括轴同步串行总线接口电路、轴参数设定电路、运动指令输出电路、编码器输入电路、轴状态指示电路和轴控制模块，其中轴控制模块通过同步串行总线接口电路、主机总线模板及线性电源模板接至显示控制终端的同步总线控制模板，通过参数设定电路设定该轴控制模块的工作模式，通过轴状态指示电路指示轴控制模块的工作状态，通过运动指令输出电路连接至机床的伺服/主轴控制器的控制输入端，通过编码器输入电路接入伺服/主轴编码器检测输出端。

轴控制模块包括轴看门狗复位管理器、轴运动管理器、轴同步总线通讯接口、轴同步通讯检测器、运动指令控制器以及位置检测器，其中轴运动管理器直接与轴控制模板中的轴参数设定电路及轴状态指示电路相连，轴运动管理器通过轴同步串行总线通讯接口及轴同步通讯检测器接至轴控制模板中的轴同步总线接口电路，通过运动指令控制器输出运动指令至轴控制模板中的运动指令输出电路，通过位置检测器接入轴控制模板中的编码器输入电路的反馈信号，轴看门狗复位管理器接至轴运动管理器的复位端。

所述I/O控制模板包括I/O同步串行总线接口电路、I/O参数设定电路、输出电平转换电路、输入电平转换电路、I/O状态指示电路及I/O控制模块，其中I/O控制模块通过I/O同步串行总线接口电路、主机总线模板及线性电源模板接至显示控制终端的同步总线控制模板，通过I/O参数设定电路设定该I/O控制模块的工作模式，通过I/O状态指示电路指示I/O控制模块的工作状态，通过输出电平转换电路连接至机床控制继电器，通过输入电平转换电路接入机床检测开关。

所述I/O控制模块包括I/O看门狗复位管理器、I/O控制管理器、I/O同步串行总线通讯接口、I/O同步通讯检测器、输出管理器以及输入管理器，其中I/O控制管理器直接与I/O控制模板中的I/O参数设定电路及I/O状态指示电路相连，I/O控制管理器通过I/O同步串行总线通讯接口及I/O同步通讯检测器接至I/O控制模板中的I/O同步串行总线接口电路，通过输出管理器发送输出指令至I/O控制模板中的输出电平转换电路，通过输入管理器接入I/O控制模板中的输入电平转换电路的检测信号，I/O看门狗复位管理器接至I/O控制管理器的复位端。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明建立了一种基于同步串行总线方式的数控系统，建立了适应于数控加工控制所需的同步串行总线通讯机制，兼顾快速的固定总线循环周期和慢速的非循环控制使同步串行总线控制快速而有效，使本系统总线具有较快速的响应周期，从而提高了系统的控制能力；

2.本发明系统采用同步串行总线方式连接PC+NC的结构，同步串行总线通讯采用RS485差分方式进行电气隔离，使弱电控制部分PC侧和强电接口部分NC侧之间的隔离提高了系统的抗干扰能力和工作稳定性；

3.本发明系统的同步串行总线采用链式系统拓扑结构可连接多个数控主机箱，并且总线电气连接采用普通网线，传输距离达到了150米，因此本系统特别适合于大型机床和组合机床等的应用，不仅降低了电气布线的难度和成本，而且降低了控制信号由于电气连接距离长而造成的控制信号易受干扰的问题，特别是对于具有多个机床设备的统一控制；

4.本发明系统的同步串行总线开发的控制部分和通讯接口全部采用通用IC器件，控制逻辑采用通用VHDL(硬件编成语言)编制而成，可以方便的进行系统移植，并且本总线具有通用化好和低成本的特点。

附图说明

图1为本发明拓朴结构图；

图2为本发明系统连接框图；

图3为本发明显示控制终端结构框图；

图4为本发明显示控制终端的同步串行总线控制模板结构框图；

图5为本发明同步串行总线控制模板的同步串行总线控制模块功能结构框图；

图6为本发明同步串行总线控制模块的同步串行总线管理器状态机的状态转换图；

图7为本发明同步串行总线控制模块的同步串行总线协议管理器工作结构图；

图8为本发明数控主机箱结构框图；

图9为本发明数控主机箱的轴控制模板结构框图；

图10为本发明数控主机箱的I/O控制模板结构框图。

具体实施方式

本发明的系统是基于工业PC技术和同步串行总线技术结合的计算机数字控制系统，本实施例采用基于X86体系结构的蓝天系列数控软件作为控制软件。如图1所示，系统中的同步串行总线SSB采用链式系统拓扑结构可连接多个数控主机箱。

如图2所示，该系统主要包括显示控制终端、数控主机箱和机床操作站三部分。显示控制终端，内部存有数控软件，通过串口(标准RS422总线)及同步串行总线SSB(标准RS485总线)分别与机床操作站及数控主机箱相连，通过对同步串行总线的通讯管理实现机床的运动控制、机床开关量控制；机床操作站，负责向显示控制终端提供I/O方式的操作指令和指示灯方式的操作状态输出；数控主机箱，为机床的运动控制和反馈检测功能的执行机构，将显示控制终端的指令转换成机床运动的控制信号并将机床的运动和状态分别转换成位置信号和开关量信号，通过同步串行总线回传到显示控制终端。

显示控制终端还对外提供多种信息交换接口，其中包括RS232标准串行接口、以太网接口、标准USB接口、软盘驱动器接口和外接键盘接口。此外，显示控制终端提供机床上电控制输出接口电路，用来控制机床的运动控制部分的使能信号，避免机床出现误动作。

本发明系统的显示控制终端具有液晶屏逆变器、工业CPU卡、液晶屏、开关电源模块、电源检测模板、系统键盘模板、同步串行总线控制模板；数控主机箱具有线性电源模板、轴控制模板、I/O控制模板、主机总线模板；机床操作站具有键盘模板、操作站波段开关模板以及操作站主控模板。

机床操作站是数控系统中重要的人机接口设备，主要负责向数控系统提供I/O方式的操作指令信号和指示灯方式的状态输出。针对人机接口速度要求低的特点，本发明系统采用异步通讯方式与显示控制终端交换数据，对于键盘输入抖动大的特点，本发明系统采用硬件消抖电路和软件消抖算法进行键盘动作识别。另外机床操作站还提供了手动脉冲发生器和急停开关功能。

显示控制终端是本发明系统的核心控制部分，在基于同步串行总线方式数控系统中属于PC部分，主要负责进行运动控制和机床开关量控制的算法实现及同步串行总线的通讯管理。

如图3所示，显示控制终端中，开关电源模块是显示控制终端的电源转换部分，通过AC-DC变换为显示控制终端中的其他部分提供+12V、-12V和+5V三种直流工作电源；电源检测模板用来检测显示控制终端的220伏交流输入电源和+5伏直流工作电源的状态，电源报警信号由同步串行总线控制模板通过ISA总线中断通知数控软件；工业CPU卡为数控软件提供X86架构的PC运行平台；系统键盘模板和液晶屏是PC平台的人机交互设备，液晶屏逆变器用于为液晶屏提供照明电源；同步串行总线控制模板是显示控制终端的同步串行总线的核心管理部分，负责数控软件的PC接口、数控功能管理和同步串行总线管理。

如图4所示，同步串行总线控制模板作为显示控制终端的同步串行总线的核心部分，主要由同步串行总线控制模块和其他19个接口电路构成，该19个接口电路分别是电源管理电路、ISA数据总线接口电路、ISA地址总线接口电路、ISA中断接口电路和ISA总线控制信号接口电路、系统软件狗、同步串行总线时钟电路、电源检测输入电路、液晶屏逆变器接口电路、探头输入接口电路、机床上电输出接口电路、同步串行总线接口电路、扩展USB驱动接口电路、CPU卡USB转接电路、以太网口转接电路、机床操作站接口电路、软盘驱动器接口电路、键盘切换电路以及RS232接口转接电路。

上述电源管理电路的功能是为同步串行总线控制模板上的各部分电路和对外接口提供相应的供电电源，主要作用是根据电路要求进行电源的线性变换和低通滤波，并在对外的电源接口处加入短路保护电路，从而为各部分接口电路正常工作提供电源供给方面的保证。

ISA数据总线接口电路、ISA地址总线接口电路、ISA中断接口电路和ISA总线控制信号接口电路的功能是同步串行总线控制模块和工业CPU卡的ISA总线之间的数据缓冲、信号隔离和电平转换。同步串行总线控制模块通过这些电路成为工业CPU卡的ISA上的I/O式总线设备，使得数控软件可以通过ISA总线的读写命令与其进行数据交换。

数控软件狗是数控软件进行系统加密工作的支持电路，该电路为系统软件提供一个EEPROM掉电保存的可擦写存储器，数控软件通过加密算法验证系统合法性。

同步串行总线时钟电路是同步串行总线控制模块的工作时钟提供电路，为同步串行总线控制模块内部的控制逻辑运行提供稳定的工作时钟基准。

电源检测输入电路是电源检测板信号与同步串行总线控制模块间的接口电路，其将电源检测板的报警信号转换后输入同步串行总线控制模块。

液晶屏逆变器接口电路是液晶屏逆变器电源输入接口，通过该接口使液晶屏逆变器获得所需电源。

探头输入接口电路是机床的测试探头连接到数控系统的接口电路，该接口将探头的输入信号转换后提供给同步串行总线控制模块。

同步串行总线接口电路是同步串行总线控制模块的同步串行总线信号和同步串行总线间电气连接的转换电路，该电路将同步串行总线回送信号转换后传送给同步串行总线控制模块，并将同步串行总线控制模块的输出信号转换成同步串行总线信号接入同步串行总线。

扩展USB驱动接口电路是利用ISA总线扩展出的一个附属的USB接口，该电路为数控软件提供了一个与CPU卡无关联的USB接口。

机床操作站接口电路是数控显示终端与机床操作站的接口电路，该电路包括RS422通讯信号的转接、手动脉冲编码器的输入接口和操作站电源输出。

键盘切换电路是系统键盘模板和外接键盘的切换电路，通过切换开关可以选择系统键盘模板或外接键盘何为有效。

CPU卡USB转接电路、以太网口转接电路、软盘驱动器接口电路和RS232接口转接电路是CPU卡的USB、以太网、软驱和RS232外部接口的转换电路，通过上述接口电路使数控系统的CPU卡可以外接相关设备。

如图5所示，同步串行总线控制模块是一块50万门的可编程逻辑芯片(FPGA)，它是同步串行总线控制模板的主控制单元，同步串行总线控制模块的内部包括ISA总线管理器、数控软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区、设备信息管理器、同步串行总线设备管理器、同步串行总线协议管理器及同步串行总线时钟管理器共九部分功能块，其中ISA总线管理器分别通过接口电路中的ISA数据总线接口电路、ISA地址总线接口电路、ISA总线控制信号接口电路和ISA中断接口电路接至工业CPU卡，工业CPU卡通过ISA总线管理器与同步串行总线控制模块内部的系统软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区、设备信息管理器进行数据交换；同步串行总线协议管理器根据同步串行总线设备管理器的指令将设备信息存入设备信息缓冲区，同步串行总线协议管理器通过同步串行总线接口电路接至数控主机箱；同步串行总线设备管理器将设备信息提供给设备信息管理器；同步时钟管理器为设备信息缓冲区、设备信息管理器、同步串行总线设备管理器、同步串行总线协议管理器提供工作时钟。

上述ISA总线管理器主要提供总线地址译码控制、读写时序控制、总线状态应答控制和总线中断控制功能，总线状态应答控制主要用于根据ISA总线的控制时序回送应答状态，从而保证ISA总线读写动作的正确执行，通过ISA总线地址译码和读写时序控制功能可以与数控软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区以及设备信息管理器等部分功能块进行数据交换，从而达到控制数控系统运动和开关量动作的目的，通过总线中断控制功能软件与数控硬件动作保持确定的时序同步，并通过中断方式得到报警信号。

数控软件狗管理器用于根据ISA总线的读写控制完成对数控软件狗的数据进行读取和刷新。

扩展USB管理器用于ISA总线与扩展USB驱动接口电路的数据交换的管理控制。

机床上电控制管理器根据数控软件的控制指令和设备信息缓冲区的报警信号来确定机床上电控制输出接口电路的工作状态，从而控制机床运动执行部件的通电使能。

设备信息缓冲区是数控系统控制信息、反馈信息和外部功能设备状态信息的缓冲存储部分，数控软件和设备管理器通过该设备信息缓冲区提供的双端读写接口对缓冲区内的相关信息进行处理。另外设备信息缓冲区给机床上电控制管理器提供当前系统的报警状态信息。

设备信息管理器主要负责ISA总线、同步串行总线设备管理器与设备信息缓冲区进行信息交换的管理，并管理探头信息、总线设备通讯报警、和电源报警。设备信息管理器主要包括轴控制功能块、I/O控制功能块、通讯检测功能块和电源报警控制功能块。

上述轴控制功能块的任务主要包括轴控制模板配置管理、位置编码器管理、速度控制管理、进给轴回零检测控制和测头功能五部分。轴控制模板配置管理主要是通过同步串行总线设备管理器提供的设备配置信息表中轴控制模板的配置信息配置对应的ISA总线寻址地址空间，并通知数控软件当前数控主机箱内的轴控制模板的工作状态。位置编码器管理主要是通过同步串行总线定时循环功能获得各轴控制模板的位置编码器计数信息，并在每个运动控制差补循环周期内将上述信息提供给数控软件。速度控制管理负责将数控软件的运动控制指令通过同步串行总线传递给数控主机箱内的轴控制模板，并对各路控制指令进行统一调度管理，从而确保运动控制指令的同步协调。进给轴回零检测控制负责数控系统进行轴的回零操作时轴控制信息的管理。测头功能主要是在数控系统进行测头检测操作时管理测头信息和对应位置编码器信息。

上述I/O控制功能块的任务主要包括I/O控制模板配置管理、I/O信息缓冲区管理和I/O控制模板信息交换管理。I/O控制模板配置管理主要是通过同步串行总线设备管理功能提供的设备配置信息表中数控主机箱内的I/O控制模板的配置信息配置对应的ISA总线寻址的地址空间，并将当前数控主机箱内的I/O控制模板的工作状态通知给数控软件。I/O信息缓冲区管理负责根据I/O控制模板的配置信息在设备信息缓冲区中建立对应的I/O信息缓冲区，并且负责解决I/O信息缓冲区更新和数控软件读写操作的同步冲突问题。I/O控制模板信息交换管理主要针对I/O信息特点采用非固定循环方式通过同步串行总线交换I/O的输入输出状态信息。

上述通讯检测功能块主要负责根据数控软件设定要求检测同步串行总线上已经配置的轴控制模板和I/O控制模板的通讯工作状态，出现总线设备通讯报警时，根据预先设定的保护方式触发系统中断或通知同步串行总线设备管理器将有问题的控制模板从配置信息表中删除其配置信息。

上述电源报警控制模块主要根据电源检测电路提供的报警信号的状态来触发ISA总线的系统中断。

同步串行总线管理功能块是同步串行总线的核心控制部分，其主要包括同步串行总线设备管理器和同步串行总线协议管理器两部分，以上两部分在FPAG中利用状态机进行工作状态的调度转换。

同步串行总线设备管理器主要包括设备配置信息管理器、通讯检测管理器和设备通讯管理器。如图6所示，设备配置信息管理器在系统初始化后自动接管同步串行总线控制权，即设备配置信息管理器开始工作，首先进行外部控制模板扫描，通过控制模板的响应信息建立轴控制模板和I/O控制模板设备配置信息表，设备配置信息表建立之后启动通讯检测管理器，设备配置信息管理器释放同步串行总线控制权，由设备通讯管理器在系统配置信息表建立后接管同步串行总线控制权，创建固定通讯循环队列和非固定通讯循环队列，并根据设备配置信息将轴和I/O的设备通讯次序分别安排在两个循环队列中，然后调用同步总线协议管理器建立通讯桢发送和接收信息，将轴控制模板和I/O控制模板的回传信息进行接收处理，经过通讯桢信息拆分后加入设备信息缓冲区，同时将上述回传信息传送给通讯检测管理器进行通讯检测，通讯检测管理器将通讯报警信息加入到设备信息缓冲区，由设备配置信息管理器修改设备配置信息表，设备通讯管理器根据修改后的设备配置信息表修改固定循环队列和非固定通讯循环队列。数控软件通过同步总线控制模块的ISA总线管理器对设备信息缓冲区内的数据进行读取和写入。

如图7所示，同步串行总线协议管理器主要功能是建立通讯桢和实现通讯数据的无差错传输，其根据上述设备通讯管理器的要求建立同步通讯桢的地址信息段、控制信息段、数据/指令信息段和桢校验信息段，然后启动同步传送时钟将通讯桢通过并串转换和数据/时钟相位合成后发送到同步串行总线上；另外根据同步总线回送接口电路的接收信通过串并转换生成接收通讯桢，将接收通讯桢传送给上述设备通讯管理器。

数控主机箱是基于同步串行总线式数控系统体系结构中NC部分，是数控系统的运动控制和反馈检测等功能的执行机构，主要负责将数控软件的指令转换成机床运动的控制信号，并将机床的运动和状态转换成位置信号和开关量信号通过同步串行总线回传到数控软件。

如图8所示，所述数控主机箱包括主机总线模板、线性电源模板、轴控制模板和I/O控制模板组成，线性电源模板为数控主机箱的其他模板提供+15V、-15V和+5V三种电源，同时为同步串行总线SSB和轴控制模板以及I/O控制模板提供电气转接和同步串行总线SSB的终端负载匹配；轴控制模板将同步串行总线SSB的运动控制指令进行变换、输出，并将运动检测信息通过同步串行总线SSB反馈到显示控制终端；I/O控制模板将同步串行总线SSB对机床开关量的控制指令进行变换、输出，并将机床开关信号检测信息通过同步串行总线SSB反馈到显示控制终端；主机总线模板为上述三种模板提供互联插槽。

如图9所示，所述轴控制模板包括轴同步串行总线接口电路、轴参数设定电路、运动指令输出电路、编码器输入电路、轴状态指示电路和轴控制模块六部分，其中轴控制模块通过同步串行总线接口电路、主机总线模板及线性电源模板接至显示控制终端的同步总线控制模板，通过参数设定电路设定该轴控制模块的工作模式，通过轴状态指示电路指示轴控制模块的工作状态，通过运动指令输出电路连接至机床的伺服/主轴控制器的控制输入端，通过编码器输入电路接入伺服/主轴编码器检测输出端。

上述轴同步串行总线接口电路负责将同步串行总线的电平信号转换成TTL电平送入轴控制模块处理并将轴控制模块的输出信号转换成同步串行总线的电平信号接入同步串行总线。轴参数设定电路利用跳线开关来设定该轴控制模板的设备地址等工作状态。运动指令输出电路负责将轴控制模块的运动指令转换成机床电动部分可接收的电压或脉冲信号输出。编码器检测电路负责将位置编码器的差分信号转换为TTL电平信号送入轴控制模块的位置检测部分进行处理，并检测差分信号的完好性。轴状态指示电路通过光电管的闪烁方式指示出该轴控制模块的工作状态。轴控制模块是轴控制模板的核心部件，负责轴运动控制的管理，其采用30万门的可编程逻辑器件。

上述轴控制模块工作时，同步串行总线通讯接口接收总线通讯桢经过信息拆分和识别提供给轴运动管理器，轴运动管理器根据总线信息要求对运动指令控制器和位置检测器进行管理，然后在固定通讯循环中回传状态信息，此外响应同步通讯检测器和看门狗复位管理器的报警信号。

如图10所示，所述I/O控制模板包括I/O同步串行总线接口电路、I/O参数设定电路、输出电平转换电路、输入电平转换电路、I/O状态指示电路及I/O控制模块，其中I/O控制模块通过I/O同步串行总线接口电路、主机总线模板及线性电源模板接至显示控制终端的同步总线控制模板，通过I/O参数设定电路设定该I/O控制模块的工作模式，通过I/O状态指示电路指示I/O控制模块的工作状态，通过输出电平转换电路连接至机床控制继电器，通过输入电平转换电路接入机床检测开关。

上述I/O同步串行总线接口电路负责将同步串行总线的电平信号转换成TTL电平送入I/O控制模块处理并将I/O控制模块的输出信号转换成同步串行总线的电平信号接入同步串行总线。I/O参数设定电路利用跳线开关来设定该I/O控制模板的设备地址等工作状态。输出电平转换电路负责将I/O控制模块的输出控制指令转换成机床侧的+24V信号输出。输入电平转换电路负责将机床侧的+24V检测信号转换为TTL电平信号送入I/O控制模块处理。I/O状态指示电路通过光电管的闪烁方式指示出I/O控制模块的工作状态。I/O控制模块是I/O控制模板的核心部件，负责实现I/O控制管理，其采用30万门的可编程逻辑器件。

上述I/O控制模块工作时，I/O同步串行总线通讯接口部分接收总线通讯桢经过信息拆分和识别提供给I/O控制管理器，I/O控制管理器根据总线信息要求对输出部分(32路)和输入部分进行管理(48路)，然后在非固定通讯循环中回传状态信息，此外响应I/O同步通讯检测和I/O看门狗复位管理器的报警信号。

Claims

1.一种同步串行总线式数控系统，其特征在于包括：

显示控制终端，内部存有数控软件，通过串口及同步串行总线分别与机床操作站及数控主机箱相连，通过对同步串行总线的通讯管理实现机床的运动控制、机床开关量控制；

机床操作站，负责向显示控制终端提供操作指令和操作状态输出；

数控主机箱，为机床的运动控制和反馈检测功能的执行机构，将显示控制终端的指令转换成机床运动的控制信号并将机床的运动和状态分别转换成位置信号和开关量信号，通过同步串行总线回传到显示控制终端；

所述显示控制终端具有同步串行总线控制模板及工业CPU卡，其中同步串行总线控制模板由同步串行总线控制模块及与该同步串行总线控制模块相连的接口电路构成，所述同步串行总线控制模块为可编程逻辑芯片，其内部包括ISA总线管理器、系统软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区、设备信息管理器、同步串行总线设备管理器、同步串行总线协议管理器以及同步时钟管理器，其中ISA总线管理器分别通过与同步串行总线控制模块相连的接口电路中的ISA数据总线接口电路、ISA地址总线接口电路、ISA总线控制信号接口电路和ISA中断接口电路接至工业CPU卡，工业CPU卡通过ISA总线管理器与同步串行总线控制模块内部的系统软件狗管理器、扩展USB管理器、机床上电控制管理器、设备信息缓冲区、设备信息管理器进行数据交换；同步串行总线协议管理器根据同步串行总线设备管理器的指令将设备信息存入设备信息缓冲区，同步串行总线协议管理器通过同步串行总线接口电路接至数控主机箱；同步串行总线设备管理器将设备信息提供给设备信息管理器；同步时钟管理器为设备信息缓冲区、设备信息管理器、同步串行总线设备管理器、同步串行总线协议管理器提供工作时钟。

2.按权利要求1所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：所述与同步串行总线控制模块相连的接口电路还包括同步串行总线时钟电路、探头输入接口电路以及同步串行总线接口电路。

3.按权利要求1所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：所述与同步串行总线控制模块相连的接口电路还包括电源管理电路、系统软件狗、电源检测输入电路、液晶屏逆变器接口电路、机床上电控制输出接口电路、扩展USB驱动接口电路、CPU卡USB转接电路、以太网口转接电路、机床操作站接口电路、软盘驱动器接口电路、键盘切换电路和RS232接口转接电路。

4.按权利要求1所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：所述数控主机箱由主机总线模板、线性电源模板、轴控制模板和I/O控制模板组成，线性电源模板为数控主机箱的其他模板提供电源，同时为同步串行总线和轴控制模板以及I/O控制模板提供电气转接和同步串行总线的终端负载匹配；轴控制模板将同步串行总线的运动控制指令进行变换、输出，并将运动检测信息通过同步串行总线反馈到显示控制终端；I/O控制模板将同步串行总线对机床开关量的控制指令进行变换、输出，并将机床开关信号检测信息通过同步串行总线反馈到显示控制终端；主机总线模板为线性电源模板、轴控制模板和I/O控制模板提供互联插槽。

5.按权利要求4所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：所述轴控制模板包括轴同步串行总线接口电路、轴参数设定电路、运动指令输出电路、编码器输入电路、轴状态指示电路和轴控制模块，其中轴控制模块通过同步串行总线接口电路、主机总线模板及线性电源模板接至显示控制终端的同步串行总线控制模板，通过轴参数设定电路设定该轴控制模块的工作模式，通过轴状态指示电路指示轴控制模块的工作状态，通过运动指令输出电路连接至机床的伺服/主轴控制器的控制输入端，通过编码器输入电路接入伺服/主轴编码器检测输出端。

6.按权利要求5所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：轴控制模块包括轴看门狗复位管理器、轴运动管理器、轴同步总线通讯接口、轴同步通讯检测器、运动指令控制器以及位置检测器，其中轴运动管理器直接与轴控制模板中的轴参数设定电路及轴状态指示电路相连，轴运动管理器通过轴同步串行总线通讯接口及轴同步通讯检测器接至轴控制模板中的轴同步串行总线接口电路，通过运动指令控制器输出运动指令至轴控制模板中的运动指令输出电路，通过位置检测器接入轴控制模板中的编码器输入电路的反馈信号，轴看门狗复位管理器接至轴运动管理器的复位端。

7.按权利要求4所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：所述I/O控制模板包括I/O同步串行总线接口电路、I/O参数设定电路、输出电平转换电路、输入电平转换电路、I/O状态指示电路及I/O控制模块，其中I/O控制模块通过I/O同步串行总线接口电路、主机总线模板及线性电源模板接至显示控制终端的同步总线控制模板，通过I/O参数设定电路设定该I/O控制模块的工作模式，通过I/O状态指示电路指示I/O控制模块的工作状态，通过输出电平转换电路连接至机床控制继电器，通过输入电平转换电路接入机床检测开关。

8.按权利要求7所述的同步串行总线式数控系统，其特征在于：所述I/O控制模块包括I/O看门狗复位管理器、I/O控制管理器、I/O同步串行总线通讯接口、I/O同步通讯检测器、输出管理器以及输入管理器，其中I/O控制管理器直接与I/O控制模板中的I/O参数设定电路及I/O状态指示电路相连，I/O控制管理器通过I/O同步串行总线通讯接口及I/O同步通讯检测器接至I/O控制模板中的I/O同步串行总线接口电路，通过输出管理器发送输出指令至I/O控制模板中的输出电平转换电路，通过输入管理器接入I/O控制模板中的输入电平转换电路的检测信号，I/O看门狗复位管理器接至I/O控制管理器的复位端。