多微处理机结构及其在CNC中的应用

多微处理机结构的CNC 是把机床数字控制这个总任务划分为多个子任务（也称为子功能模块）。在硬件方面，以多个微处理机配以相应的接口形成多个子系统，把划分的子任务分配给不同的子系统承担，由各子系统之间的协调动作完成数控。在多微处理机的结构中，有由两个或两个以上的微处理机构成的子系统，子系统之间采用紧耦合；有集中的操作系统，共享资源；或者有由两个或两个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，由多重操作系统有效地实现并行处理。应注意的是，有的CNC 装置虽然有两个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问存储器，它们组成主从结构，故应归于单微处理机的结构。

1.多微处理机结构的特点

（1）性能价格比高

此种结构中的每一个微处理机各完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。它与单微处理机结构相比，提高了计算处理速度，适应了多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的数控要求。由于系统的资源共享，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC 系统的性价比大为提高。

（2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性

前已述及，在这种结构中可以将微处理机、存储器、输入/输出控制分别做成插件板（即硬件模块），其相应的软件也是模块结构，这种模块化的结构使设计简单、试制周期短、结构紧凑，具有良好的适应性和扩展性。

（3）可靠性高

多微处理机的CNC 装置由于每个微处理机分管各自的任务，形成若干模块，即使某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，不像单微处理机那样，一旦出故障，将引起整个系统的瘫痪。由于更换插件模块较为方便，可使模块故障对系统的影响降到最低。另外，由于资源共享，省去了一些重复机构，这不但使造价降低，也提高了可靠性。

（4）硬件易于组织规模生产

由于一般的硬件都是通用的，容易配置，便于组织规模生产，形成批量，且保证质量。

2.多微处理机CNC 装置的典型结构

只要开发新的软件就可构成不同的CNC 系统，在多微处理机组成的CNC 装置中，可以根据具体情况合理划分其功能模块。一般来说，典型的多微处理机CNC 装置由CNC 管理模块、CNC 插补模块、位置控制模块、PLC 模块、操作面板监控和显示模块、存储器模块这6种功能模块组成。各模块功能简述如下。

（1）CNC 管理模块

该模块管理和组织整个CNC 系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。

（2）CNC 插补模块

CNC 插补模块完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。

（3）位置控制模块

位置控制模块对插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压去驱动进给电机。

（4）存储器模块(www.xing528.com)

存储器模块主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。

（5）操作面板监控和显示模块

该模块包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入/输出、显示所需要的各种接口电路。

（6）PLC 模块

零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。

根据CNC 装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩展功能。这些模块之间互连与通信是在机柜内耦合，典型的有共享总线和共享存储器两类结构。

（1）共享总线结构

以系统总线为中心的多微处理机CNC 装置，其各个功能模块可划分为带有CPU 或DMA器件的各种主模块和不带CPU 和DMA 器件的各种RAM/ROM 或I/O 从模块两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享严格设计定义的标准系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的功能。

在共享总线结构的CNC 系统中只有主模块有权控制、使用系统总线。由于某一时刻只能由一个主模块占有总线，必须要有仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用系统总线的竞争，每个主模块按其担负任务的重要程度已预先安排好优先级别的顺序。总线仲裁的目的，也就是在它们争用总线时判别出各模块优先权的高低。支持多微处理机系统的总线都设计有总线仲裁机构，通常有两种总线仲裁方式，即串行方式和并行方式。

串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按连接位置决定的（见图2-2-2）。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时才可使用总线，同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。

图2-2-2　串行总线仲裁方式

并行总线仲裁方式中，要配置专用逻辑电路来解决主模块的判优问题，通常采用优先权编码方案（见图2-2-3）。

这种结构的模块之间的通信主要依靠存储器来实现，大部分系统采用公共存储器方式。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问。使用公共存储器的通信双方都要占用系统总线，以供任意两个主模块交换信息。

图2-2-3　并行总线仲裁方式

（2）共享存储器结构

这种多微处理机结构采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通信，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。由于同一时刻只能有一个微处理机对多端口存储器读或写，所以功能复杂而要求微处理机数量增多时，会因争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。