单微处理器结构优化设计

目前单微处理器结构的CNC装置一般是专用型的，其硬件由系统制造厂家专门设计、制造，不具备通用性。在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理的方式来完成数控的各个任务。某些CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但只有一个微处理器能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理器只作为专用控制部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们只能作为一智能部件工作，各微处理器组成主从结构。这种CNC装置属于单微处理器结构，如图1-5所示。

图1-5 单微处理器结构

1.微处理器和总线

微处理器（简称CPU）是CNC装置的核心，主要由运算器和控制器两部分组成。运算器含算术逻辑运算、寄存器和堆栈等部件，对数据进行算术和逻辑运算。在运算过程中，运算器将运算结果存放到存储器中，通过对运算结果的判断，设置状态寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码，向CNC装置各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行，同时接收执行部件发回来的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息及这些反馈信息，决定下一步命令操作。目前CNC装置中常用的8位、16位和32位微处理器有：Intel公司的8088，8086，80186，80286，80386，80486，直到目前的Pentium系列CPU等；Motorola公司的6800，68000，68010，68020，68030；Zilog公司的Z80，Z8000，Z80000等。根据实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机技术发展的最新成果选用相应的微处理器。例如：日本FANUC 15/16 CNC系统选用Motorola公司的32位微处理器68020作为控制核心（CPU）；英国CT（Control Technique）公司的Direct Ax FNC系列CNC系统选用32位RISC芯片为控制核心（CPU），它具有每秒25M次的浮点运算能力和每秒20M指令的数据处理能力。

总线按信号的物理意义，可分为数据总线、地址总线、控制总线。数据总线为各部件之间传送数据。数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是管理总线的某些控制信号，例如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。

2.存储器

存储器用于存放数据、参数和程序等。系统控制程序存放在只读存储器EPROM（Erasa-ble and Programmable Read Only Memory）中，即使系统断电，控制程序也不会丢失。程序只能被CPU读出，不能随机写入，必要时可用紫外线擦除EPROM，再重写监控程序。常用的EPROM有2732、2764、27128、27256、27512等。运算的中间结果存放在随机存储器RAM（Random Access Memory）中。常用的RAM有6264、62256等。存放在RAM中的数据能随机地进行读写，但如不采取适当的措施，断电后存放信息会丢失。基于PC平台的CNC系统多采用硬盘、软盘、电子盘等作为程序存放的介质。

3.I/O（输入/输出）接口

CNC装置和机床之间的信号一般不直接连接，而通过输入（Input）和输出（Output）接口（I/O）电路连接。接口电路的主要任务如下。

①进行必要的电气隔离,防止干扰信号引起误动作。要用光耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。I/O信号经接口电路送至系统寄存器的某一位CPU定时读取寄存器，经数据滤波后做相应处理。同时，CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。

②进行电平转换和功率放大。一般CNC装置的信号是TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）电平，而机床控制的信号通常不是TTL电平，并且负载较大，因此要进行必要的信号电平转换和功率放大。

4.MDI/CRT接口

MDI手动数据输入通过数控面板上的键盘操作。当扫描到有键按下时，将数据送入移位寄存器，经数据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的监控处理。CRT（Cath-ode Rang Tube）接口在CNC软件控制下，在单色或彩色CRT（或LCD）上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参数、各种补偿数据、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形和动态刀具轨迹等进行实时显示。

5.位置环控制模块(www.xing528.com)

速度控制、位置反馈等单元组成位置环控制模块。传统的伺服单元只达到速度环即调速系统，由模拟电压对伺服速度进行控制。而对于数控机床的进给坐标，最终要控制的不仅有速度、加速度，更重要的却是位置环。所以位置环的实现成了机床数控系统的重要任务，位置环控制的品质也成了衡量数控系统的一个重要指标。一般的CNC系统，例如SIEMENS，FANUC、A-B等都有专门的位置环控制模块。机床数控系统对位置环的控制要求是无超调、无滞后、抗干扰能力强；对速度环的要求是大惯性、大调速比（一般大于1∶2000）、特性硬。

6.可编程序控制器

可编程序控制器替代传统机床强电继电器逻辑控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。现有的PLC多采用内装式，因此也成为CNC装置的一个部件。PLC由CPU、ROM（Read Only Memory）、RAM和位操作控制器等组成。PLC和CNC之间通过双端口RAM实现相互的通信和信息交换。当CNC的CPU访问双端口RAM即DPRAM（Double Port Random Access Memory）时，发出请求HOLD信号；PLC的CPU收到HOLD请求后，发出HOLDA信号作为响应，同时悬浮局部总线；此时CNC的CPU对DPRAM进行读写；当CNC完成对DPRAM操作后，释放对DPRAM的使用权，使HOLD信号变为低电平；PLC的CPU检测到低电平的HOLD信号，HOLDA也变为低电平时，PLC的CPU重新驱动局部总线，便可以对DPRAM进行操作。

一般来说，CNC装置和PLC的数据交换和处理过程如下：

①CNC装置将要PLC处理的数据写到DPRAM中。

②PLC从DPRAM中读取数据，并进行相关逻辑检测、逻辑运算和处理。

③一方面PLC用处理的结果通过输出接口控制机床电气；另一方面将处理的状态通过DPRAM反馈给CNC装置。

④CNC装置根据反馈结果，进行相关处理和显示。

7.通信接口

当CNC装置用做设备层和工作层控制器组成分布式数控系统DNC或柔性制造系统FMS时，还要与上级计算机或直接数字控制器DNC进行数字通信。一般通信接口多数采用RS_-232C或RS-422的通信协议。

8.单微处理器CNC的结构特点

①CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理。

②微处理器通过总线与存储器、输入/输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。

③结构简单，容易实现。由于只有一个微处理器集中控制，对于实时性要求很高的插补运算会受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，可以增加协处理器，由硬件完成部分插补工作，采用带微处理器的PLC、CRT等智能部件，甚至采用多微处理器的结构。