基于PC机+可编程IO接口结构PCIE通信的数控系统接口装置

本发明涉及数字控制自动化，尤其是基于pc机+可编程io接口结构pcie通信的数控系统接口装置。

背景技术：

1、随着制造业向高度自动化、智能化和个性化方向发展，如何进一步提高数字控制系统的控制性能以及开放性和功能的可扩展性，使之更好地适应不同控制对象和环境的变化，同时降低控制系统的制造成本，已成为业界广泛关注的问题。基于“pc+可编程io接口”结构pcie通信的开放式数控系统基本由上层控制软件和可编程io接口卡两部分组成，作为其中之一的可编程io接口卡结构设计，无疑是需要重点研究的对象之一。

技术实现思路

1、本发明提出基于pc机+可编程io接口结构pcie通信的数控系统接口装置，属于开放式数控系统的可编程io接口装置，其主要功能是利用pci express总线通信，接收pc机上层控制软件下发的g代码数据、m代码数据、配置数据等，并解析成各执行模块可以识别的硬件控制信号，实现精插补、位置控制、开关量控制等功能，同时提供了控制面板逻辑单元和手持单元接口控制模块，可以对io接口装置产生信号输入，进而对数控机床连接的外围设备进行简单的控制和调试；该装置的各组成模块采用了通用的、标准的模块数据接口，便于实现可编程io接口装置的可配置功能以及内部功能模块的更新、增加，使该可编程io接口装置具有开放性和功能可拓展性。

2、本发明采用以下技术方案。

3、基于pc机+可编程io接口结构pcie通信的数控系统接口装置，为开放式数控系统的可编程io接口装置，由可编程i/o主接口卡和扩展接口卡组成，利用pci express总线通信，接收pc机上层控制软件下发的g代码数据、m代码数据、配置数据，并解析成数控系统各执行模块可以识别的硬件控制信号，对数控系统实现精插补、位置控制、开关量控制功能；

4、所述可编程i/o主接口卡通过pci express总线与pc机进行数据传输，以pcie总线的接口模块为pc机与可编程i/o主接口卡硬件电路之间的通信提供总线接口控制；扩展接口卡通过i2c总线接口模块与可编程i/o主接口卡进行数据传输，通过rs232数据接口模块与pc机进行数据传输；

5、可编程i/o主接口卡以可编程逻辑门阵列fpga为支撑硬件，其数据发送模块与位置信息反馈模块和设备状态寄存器相连接，位置信息反馈模块中的运动轴坐标位置数据和设备状态寄存器中的外部设备状态数据由数据发送模块通过pcie总线接口模块发送至pc机，使pc机对各运动轴坐标位置和外部设备状态实时监测。

6、所述可编程i/o主接口卡支撑硬件的内部硬件逻辑电路结构包括pcie总线接口模块、数据接收模块、数据发送模块、g代码数据接收缓冲区fifo、m代码数据接收缓冲区fifo、运动控制模式配置模块、精插补控制模块、位置控制模块、位置信息反馈模块、中断管理模块、g代码数据中断请求控制模块、pc机缓冲区状态模块、配置管理模块、m代码数据解释模块、m代码执行模块、开关量控制模块、接口配置模块一、扩展中断管理模块、接口状态反馈模块、设备状态寄存器、回参考点控制模块、对刀模块、手持单元接口控制模块、i²c数据传输接口模块、精插补监测模块；各组成模块采用通用的、标准的模块数据接口，并将不同的功能模块封装为独立的用户软核(soft ip core)，以实现fpga内部硬件逻辑电路的可配置功能以及内部功能模块的更新、增加，并使可编程i/o主接口卡具有开放性和功能可拓展性；

7、所述可编程i/o主接口卡的内的数据发送模块与位置信息反馈模块和设备状态寄存器相连，位置信息反馈模块中的运动轴坐标位置数据和设备状态寄存器中的外部设备状态数据由数据发送模块通过pcie总线接口模块，pcie总线接口模块中的altera pciexpress hard ip核对数据帧进行预设定格式的封装，并发送到pc机控制软件的的设备驱动程序模块，实现pc机对各运动轴坐标位置和外部设备状态的实时监测；

8、所述的精插补监测模块与运动控制模式配置模块和中断管理模块相连，通过监测运动控制模式配置模块的插补数据封装缓冲fifo的状态实现对精插补状态的监测；

9、所述的位置信息反馈模块设有位移信息寄存器和位置信息寄存器，用于采集和保存伺服电机编码器和运动轴坐标位置传感器的数据；

10、所述的设备状态寄存器与接口状态反馈模块、位置控制模块和对刀模块、i2c总线接口模块相连，设备状态寄存器中保存的外部设备的状态数据包括主轴开关状态、各轴限位开关状态、冷却液启停状态、换刀到位状态。设备状态寄存器通过i2c总线接口模块和扩展接口卡的接口状态反馈模块实现对各开关量执行情况和主轴外部设备状态的实时采集；

11、所述的对刀模块与pcie总线接口模块、设备状态寄存器、位置控制模块和位置信息反馈模块相连，用于实现pc机进行刀数据的采集。

12、所述的可编程i/o主接口卡的各组成模块基于可编程逻辑门阵列fpga；可编程i/o主接口卡的数据接收模块、数据发送模块、pc机缓冲区状态模块、配置管理模块、中断管理模块和m代码数据接收缓冲区和对刀模块与pcie总线接口模块相连，用于管理可编程i/o主接口卡中的各种数据传输，其中数据接收模块负责接收pc机控制软件发送的插补数据，通过g代码数据接收缓冲区发送给运动控制配置模块，并根据数控系统的控制轴组合的配置信息进行封装，由精插补模块接收处理；

13、所述的m代码数据接收缓冲区模块负责接收pc机的m代码数据，经二次译码、时序同步和命令解析后，生成相应的开关量命令，由m代码执行模块和开关量信号控制模块以及可编程io扩展接口卡按照开关量配置信息控制相应外围设备动作；

14、所述的pc机缓冲区状态模块负责接收pc机控制软件的g代码和开关量指令代码的协调控制状态数据，配置管理模块负责接收pc机发送的配置信息以及解析配置信息，并以命令的形式发往运动控制模式配置模块、精插补控制模块、接口配置模块一和扩展卡的开关量接口配置模块二实现硬件层的功能配置；

15、所述的精插补模块根据配置命令对粗插补数据进行细分计算，并将精插补结果发送至位置控制模块，位置控制模块将精插补数据转化为具有一定周期的脉冲信号输入到伺服驱动系统实现运动轨迹控制；

16、所述的数据发送模块用于将配置命令应答数据、位置信息、接口端口状态、外设状态数据等反馈给pc机，位置信息反馈模块接收位置外设位置传感器输入的脉冲，得到数控系统的各运动轴位置信息，通过数据发送模块实时更新并反馈到pc机；

17、所述的中断管理模块和g代码数据中断请求控制模块用于控制可编程i/o主接口卡向pc机发送中断信号，使pc机和可编程i/o主接口卡协同工作；

18、所述手持单元接口模块用于支持数控系统的手轮操作控制，回参考点模块用于数控系统开机后各运动轴的回零操作；

19、所述的扩展接口卡包括控制面板逻辑单元、扩展中断请求管理模块、开关量接口配置模块二、io接口控制模块、接口状态反馈模块、rs232数据接口模块和i2c总线接口模块；操作面板通过控制面板逻辑单元直接控制外设，通过rs232数据接口模块向pc机发送按键信号。

20、当所述可编程io主接口卡产生了包括g数据接收缓冲区插补数据fifo空中断、g数据接收缓冲区fifo将满中断、精插补监测模块的精插补状态，或是来自扩展中断管理模块的各运动轴限位中断、急停中断、外部设备的需要pc机协同处理的中断请求时，相应的硬件模块产生中断请求信号发送到中断管理模块的中断状态控制寄存器中；当发生多中断源的中断时，中断管理模块根据其内设置的中断状态寄存器进行多中断源分类管理，并配合pcie总线接口模块进行优先级排序，以及向pc机发送msi中断请求信号；

21、所述的可编程i/o主接口卡执行运动轨迹控制指令时，采用pc机与可编程io接口装置粗精异步插补机制，具体为：pc机向可编程i/o主接口卡的g代码数据接收缓冲区fifo模块发送粗插补数据，可编程i/o主接口卡的精插补模块进行精插补，当g代码数据缓冲区fifo的数据存量超过设定的存储空间（m+n）时，g代码数据接收缓冲区fifo模块通过g代码数据中断请求控制模块和中断管理模块向pc机发出停止数据写入的中断请求信号，pc机响应中断后暂停向g代码数据接收缓冲区fifo模块写入粗插补数据；当g代码数据缓冲区fifo的数据余量小于预设的数据存量n时，g代码数据接收缓冲区fifo模块通过g代码数据中断请求控制模块发送请求继续写入粗插补数据的中断请求，此时，若pc机缓冲区状态模块的数据为数据空，则不向中断管理模块发送请求写入粗插补数据的中断请求信号，若pc机缓冲区状态模块的数据为数据非空，g代码数据中断请求控制模块通过中断管理模块向pc机发送请求写入粗插补数据的中断请求信号，从而协同pc机与可编程i/o主接口卡粗插补数据的传输，以及协同进行运动轨迹控制的粗精异步插补；

22、当所述的开放式数控系统在执行运动控制g指令代码时，其pc机与可编程i/o接口装置粗精异步插补协调机制中，pc机向可编程i/o接口装置的主接口卡发送粗插补数据，每当可编程i/o主接口卡上g代码数据接收缓冲区fifo的粗插补数据余量少于一定量，即将读空时，此时，g代码数据中断请求控制模块根据pc机缓冲区状态模块的数据决定是否通过中断管理模块向pc机提交发送插补数据中断请求信号，若pc机缓冲区状态模块的数据是g指令执行完毕的数据，则g代码数据中断请求控制模块不向中断管理模块提交中断请求，否则g代码数据中断请求控制模块通过中断管理模块向pc机提交中断请求，在pc收到这个中断请求信号后，向可编程i/o接口卡继续发送定量的粗插补数据。

23、所述可编程i/o主接口卡内设有配置管理模块，配置管理模块内设有配置模式参数寄存器，配置管理模块与运动控制模式配置模块和接口配置模块一相连接，又通过i2c数据传输接口模块与开关量接口配置模块二相连接；

24、配置管理模块用于接收pc机发送的配置模式参数信息以及解析配置信息，并进一步将配置模式参数发往运动控制模式配置模块、接口配置模块一以及扩展卡的开关量接口配置模块二，用于设置可编程i/o接口装置的主接口卡和扩展接口卡的各输出端口与对应控制的运动轴、联动控制运动轴、伺服驱动参数、m指令代码所控制的外部设备，以及可编程i/o主接口卡和扩展接口卡输入端口引脚对应反馈的运动轴坐标位置、外部设备状态；

25、所述运动控制模式配置模块内设有插补数据逻辑封装子模块和插补数据封装缓冲fifo，插补数据逻辑封装子模块根据pc机发送的使能轴数、联动轴数、使能轴运动方式和各运动轴运动参数配置数据，确定轴使能信息或轴联动信息，提取g代码数据接收缓冲区fifo中的粗插补数据进行插补数据封装，封装后粗插补数据存入插补数据封装缓冲fifo，再将封装后粗插补数据分配到精插补控制模块中进行精插运动控制；

26、所述接口配置模块一根据所接收到的pc机发送的开关量配置信息，设置可编程i/o接口装置的主接口卡和扩展接口卡的各输入、输出端口引脚的使能，使能的输入、输出端口引脚数量，以及各输出端口引脚所控制的外部开关量设备、各输入端口引脚所接收的外部设备状态，实现i/o接口输入/输出端口引脚的可互换和开放性。

27、所述的可编程i/o主接口卡内设有中断管理模块、扩展中断管理模块和g代码数据中断请求控制模块，用于控制可编程i/o主接口卡向pc机发送中断请求信号；

28、所述的中断管理模块通过pcie总线接口模块的pci express硬核ip的msi中断信号接口与pc机相连；所述的中断管理模块与g代码数据中断请求控制模块，以及位置信息反馈模块和扩展中断管理模块相连，中断管理模块接收来自g代码数据中断请求控制模块，以及位置信息反馈模块和扩展中断管理模块发送的中断请求信号；

29、所述的扩展中断管理模块通过i2c数据传输总线接口模块与扩展接口卡的扩展中断请求管理模块和接口状态反馈模块相连；数控系统中，外部设备、运动轴限位和急停的中断请求信号通过扩展接口卡的接口状态反馈模块、i2c总线接口模块和扩展中断管理模块发送到中断管理模块，再通过在中断管理模块内设置的中断状态寄存器进行多中断源分类管理，并配合pcie总线接口模块进行优先级排序，向pc机发送msi中断请求信号；

30、所述的g代码数据中断请求控制模块与g代码数据接收缓冲区fifo模块、pc机缓冲区状态模块相连，g代码数据中断请求控制模块根据pc机缓冲区状态模块的数据和g代码数据接收缓冲区当前粗插补数据余量控制是否向中断管理模块发送中断请求信号。

31、所述的可编程i/o主接口卡内分别设置g代码数据接收缓冲区fifo模块和m代码数据接收缓冲区fifo模块，所述的g代码数据接收缓冲区fifo模块与运动控制模式配置模块、g代码数据中断请求控制模块相连接，pc机发送的粗插补数据通过pcie总线接口模块发送到数据接收模块，再由数据接收模块发送到g代码数据接收缓冲区fifo模块；

32、运动控制模式配置模块读取g代码数据接收缓冲区fifo模块的粗插补数据并进行粗插补数据封装，再将封装后粗插补数据发送到精插补控制模块进行精插补计算，发送给位置控制模块，位置控制模块根据运动轨迹精插补数据结合位置信息反馈模块反馈的各个轴的实际位置信息，分别对数控系统各控制轴进行脉冲输出，以实现对控制对象各轴运动的精确控制。

33、所述的可编程i/o主接口卡内分别设置m代码执行模块和开关量控制模块，所述的m代码数据接收缓冲区fifo模块通过m代码数据解释模块与m代码执行模块、开关量控制模块相连接，pc机发送的m指令代码数据通过pcie总线接口模块发送到m代码数据接收缓冲区fifo模块，再由m代码数据接收缓冲区fifo模块发送到m代码数据解释模块，经m代码数据解释模块解析，得到m指令对应的m代码执行模块和开关量控制模块的执行动作程序基地址和偏移地址，并执行相应的m代码和开关量控制程序从而直接控制外部设备的动作，或通过i2c总线传输至扩展接口卡的io接口控制模块，配合开关量接口配置模块二实现对外部设备控制；

34、所述的m代码执行模块包括数控系统自动换刀功能的换刀控制子模块，还包括控制主轴转速及其正反转和停止功能的主轴控制子模块；所述的开关量控制模块包括冷却液控制子模块、控制加工吹气的加工吹气控制子模块，以及其它外部设备开关量的启停控制模块。

35、当下发的m代码数据为换刀指令、主轴正反转及其转速设定指令时，可编程i/o主接口卡根据m代码数据解释模块解析得到的基地址和偏移地址，在m代码执行模块的各个子模块中查找对应的控制功能子模块，以进行功能的执行；

36、当下发的m代码数据为冷却液、加工吹气的开关量控制指令时，可编程i/o主接口卡根据m代码数据解释模块解析得到的基地址和偏移地址，在开关量控制模块的各个子模块中查找对应的控制功能子模块，以进行功能的执行。

37、所述的可编程i/o接口装置的扩展接口卡以可编程逻辑门阵列cpld为支撑硬件，其内部设有rs232数据传输模块、扩展卡i²c数据传输接口模块、控制面板逻辑单元、扩展中断请求管理模块、扩展卡i/o接口控制模块、扩展卡开关量接口配置模块二、接口状态反馈模块；

38、所述的扩展接口卡通过i²c数据传输总线接口模块与可编程i/o接口主卡进行数据传输，通过rs232数据传输模块与pc机实现数据通讯。

39、扩展接口卡的控制面板逻辑单元可直接控制简单开关量的动作，如手动控制主轴的正反转、控制冷却液、加工吹气和排铁屑装置动作等手动控制冷却液、加工吹气和排铁屑装置动作等；

40、扩展接口卡的控制面板逻辑单元用于实现控制面板按键的编码，并通过rs232数据传输模块向pc机发送对应类别的按键信号，从而实现控制面板对pc机的控制软件界面的人机交互，人机交互包括页面跳转、单节执行、mdi模式选择、编辑模式选择、自动加工模式选择功能；

41、扩展接口卡的控制面板逻辑单元还通过扩展卡i²c数据传输接口模块向可编程i/o主接口卡发送对应类别的按键信号，实现控制面板对外部设备的控制，控制内容包括手动控制主轴刀库动作、控制指定坐标轴的运动；

42、所述的扩展卡i/o接口模块和扩展卡开关量接口配置模块二根据所接收到的pc机发送的开关量配置信息，与刀库、主轴驱动器、各种控制阀和电动开关的外部设备相连，从而实现可编程i/o接口装置对各种外部设备的控制，以及外部设备状态信号的采集。

43、本发明能利用pci express总线通信的高速率特性，快速接收pc机上层控制软件下发的g代码数据、m代码数据、配置数据等，并解析成各执行模块可以识别的硬件控制信号，实现精插补、位置控制、开关量控制等功能，同时提供了控制面板逻辑单元和手持单元接口控制模块，可以对io接口装置产生信号输入，进而对数控机床连接的外围设备进行简单的控制和调试。其上的各组成模块采用了通用的、标准的模块数据接口，便于实现可编程io接口装置的可配置功能以及内部功能模块的更新、增加，使该可编程io接口装置具有开放性和功能可拓展性。