隨著嵌入式與通信技術的發展，數控系統經歷了由傳統的單處理器的集中式體系結構到開放式體系結構，再到多處理器的分布式數控系統體系結構的發展過程。分布式數控系統以高精、高速的加工特征為發展核心，同時以達到異構網絡間信息的無縫融合，實現高實時性、高可靠性和高兼容性的新一代生產制造系統為發展方向。

　　針對如何提高分布式數控系統實時通信能力的問題，陶林等［1］提出了一種基于以太網的分布式數控系統實時通信網絡; 宋真君等［2］提出了基于工業以太網的分布式控制系統體系結構，雖然以太網技術有良好的穩定性、低成本、高帶寬及優良的兼容性等優點，但以太網的CSMA /CD（ 載波多路訪問、沖突檢測）的傳輸機制決定了它無法確保網絡傳輸延遲，導致其實時性差。金振華［3］提出了基于CAN 總線的分布式數控系統，雖然各種現場總線廣泛應用于連接現場設備，有布線簡單、硬件成本低、運行精確穩定等優點，但數據傳輸率低，實時性不高。反射內存網光纖總線不但數據傳輸率遠高于以太網和現場總線，而且是一種實時、確定性的網絡，可以較好地解決實時系統中數據傳輸的實時性問題［4 － 5］。

　　反射內存技術用于所有使用以太網、光纖通道或其他串行網絡將計算機或可編程邏輯控制器連接在一起的應用場合，如實時的飛行仿真器、電訊、高速過程控制（ 軋鋼廠和制鋁廠） 、高速測試和測量系統等，但并非適用于所有應用場合［6 － 8］。因此反射內存網是否適用

　　于分布式數控系統，如何將反射內存網有效地應用到數控機床中成為反射內存網絡應用的關鍵問題。文中在分析分布式數控系統基本結構和反射內存網工作原理的基礎上，提出了一種基于反射內存網的分布式數控系統實時通信網絡方案，給出了系統的基本框架結構、節點模型和拓展結構。該結構方案的實現不僅極大地提高了網絡帶寬，而且也提高了數控系統數據傳輸的實時性能。

　　1 分布式數控系統基本結構

　　分布式數控系統是分布式控制思想在數控系統上的綜合應用。隨著數控系統功能的增加，數控機床加工速度的提高，許多數控系統采用了多微處理器結構，每個微處理器通過數據總線或者通信方式進行連接，共享系統的公用存儲器與I /O 接口，每個處理器分擔系統的一部分工作［3，9－ 11］。在分布式數控系統中，信號傳遞對實時性要求越來越高。

　　圖1 是分布式數控系統共享總線基本結構。

　　2 反射內存網技術

　　2． 1 反射內存網工作原理

　　反射內存網（ Ｒeflective Memory Network，ＲNN） 是一種高速實時網絡，是由光纖連接的高速共享內存網絡，與一般的基于TCP/IP 協議的局域網一樣，也是在每個節點計算機上附加一塊網卡。反射內存網接口適配器為各任務設備和反射內存光纖網絡相連的接口，具有數據傳輸及網絡管理雙重功能，是整個反射內存環網的核心設備。ＲM 接口適配器主要由光電轉換、數據編/解碼/并行處理、網絡管理狀態機、存儲器、協議管理模塊及任務設備接口等組成，系統功能框圖如圖2 所示。

　　圖2 ＲM 接口適配器功能框圖

　　反射內存網是一種特殊的共享內存系統，每個節點都占有一段對應的內存地址，可以在每一個節點子系統中獨立地保存整個系統內存。在實時通信網的節點機上各插一塊反射內存卡，卡上帶有雙口內存，各層軟件可以讀寫這些內存［12 － 13］。反射內存網可以在分布系統中實現內存到內存的通信。當數據被寫入一臺機器的反射內存卡的內存中后，反射內存卡FPGA 硬件通過光纖自動將數據傳輸到實時通信網上其他反射內存網中反射內存網節點卡的內存里。通常，一個節點的更新只有不到0． 4 μs 的時間延遲，傳輸遍歷所有反射內存卡，所有反射內存網節點中對應地址都被寫入對應數據。因此，實時通信網上各成員在訪問數據時，只要訪問本地反射內存卡的內存即可［9， 14 － 15］。一個反射內存網節點由本地內存、嵌入式接口和用來提供訪問主機和反射內存的仲裁邏輯構成，反射內存網節點可以安裝或者連接在不同種類的計算機總線上，包括VME、PCI /PCI － X、PCI Express 等［4］。

　　2． 2 反射內存網拓撲結構

　　反射內存網主要是由反射內存卡通過光纖等傳輸介質連接而成的，它主要有兩種物理拓撲結構： 星型拓撲結構（ 如圖3 所示） 和環型拓撲結構（ 如圖4 所示） 。對于環型拓撲結構的反射內存網，相鄰反射內存卡通過輸入端和輸出端的連接形成一個環形網絡，數據包沿著環形網絡進行傳遞。其優點是不需要光纖Hub、光纖使用量小、節省經費; 缺點是每個節點都有延時，如果任何節點或者光纖發生故障時，數據包將不能被發送，從而導致整個傳遞網絡癱瘓。因此，一般采用星型結構。事實上，星型拓撲結構只是一個物理意義上的結構，因為網絡集線器內部結構是環型連接。邏輯上來講，它仍然是一個環型結構［4］。在網絡中的每一個節點都有唯一的節點ID，在同一個網絡中，不允許有兩個一樣的標識ID，這個ID 是通過板上的撥碼開關進行設置的。ID 號越小，優先級越高。當數據源節點通過集線器發送數據包時，集線器可以根據相鄰板的高低ID 來找出數據傳遞方向，從而實時更新所有節點的相應數據。在星型配置中，如果一個節點不工作時，集線器可以自動屏蔽故障節點，而不影響其他節點的數據傳輸，當然星型結構的缺點是網絡中的Hub 一旦發生故障，整個網絡將會癱瘓［16］。圖3 星型拓撲結構圖4 環型拓撲結構

? ? ? ?3 基于反射內存網的分布式數控系統的構建

　　3． 1 數控系統網絡構建根據數控系統信息傳輸的特點及總體傳輸要求，擬采用反射內存光纖總線連接CNC 裝置、PLC、故障診斷專家系統、HMI 控制面板、CAD/CAM、數控加工仿真模擬系統等部件構成一個分布式數控系統。總線網絡的每個任務節點接一個ＲM（ Ｒeflective Memory） 接口適配器，每個ＲM 接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，系統將該存儲空間映射到該網絡節點處理系統的地址空間，這樣節點處理系統對ＲM 接口適配器的操作就和對本機內存操作方式一樣。當節點任務設備往映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個位置寫數據的時候，反射內存網絡協議在納秒級的時間內將數據傳播到網絡上的每個其他節點。并且更新的傳播操作是異步的，沒有應用系統處理器的介入。數控系統網絡連接結構如圖5 所示。

　　圖5 數控系統反射內存網絡連接圖分布式數控系統工作過程： CAD/CAM 系統對待加工零件建模，并根據加工工藝生成NC 代碼［17］; 數控仿真加工及加工模擬系統對生成的NC 代碼進行圖形仿真，進行預加工，檢測是否有刀具干涉等異常現象;HMI（ 人機操作界面） 作為工控機的輸入和顯示單元是系統和用戶之間進行信息交換的媒介，顯示各種控制信號的狀態，操作人員可以通過它對機床進行操作，對機床參數進行設定和修改，加載零件加工文件; CNC模塊接收上位機傳送的加工代碼，通過解釋器、插補器生成運動控制指令; 遠程監控及故障診斷專家系統通過采集數控系統及機床本體傳感器件信息，遠程監控機床運行狀態，對運行故障進行故障原因分析和故障點定位。如果將這些功能或者系統裝在一臺計算機上，會增加計算機負載，而插補過程是一個高實時性的過程，用反射內存網絡把這些模塊分別連接起來，并且其相互之間信息交換幾乎沒有時間延遲，相當于一臺計算機實現的控制，能很好地滿足數控機床對加工實時性的要求。

　　3． 2 反射內存網絡通訊過程

　　由于反射內存網的傳輸是純硬件操作，所以不受特定網絡協議的限制，也就不用編寫復雜的接口程序，軟件上只需幾行代碼就可以完成對反射內存卡的讀寫操作。整個通訊過程如下：Step1： 打開板卡并復位板卡;Step2： 板卡初始化設置：執行中斷初始化函數（ INT_Init） ;設置板卡中斷包中斷使能（ ＲM_IntDataArrive_IntEnable） ;使能光纖收發器（ ＲM_FM_Enable）Step3： 通訊開始

　　（1） 發送方發送中斷包（ ＲM_TxIntPkt） ，中斷包中斷后，中斷處理函數自動調用中斷處理函數（ ＲM_Ｒx-IntPkt） 。發送方發送數據包（ ＲM_TxDatPk） ： 當產生一個對SDＲAM 的寫操作時，反射內存卡自動將數據和其他相關信息（ 包括數據地址、節點號等） 寫入到發送緩沖器中，在發送緩沖器中，發送電路檢測并將數據變成一個4 到64 字節長度可變的數據包，通過光纖接口發送到下一個板卡的接收端口。

　　（ 2） 接收方接收中斷包; 中斷包中斷后，中斷處理函數自動調用中斷處理函數（ ＲM_ＲxIntPkt） 。接收數據包（ ＲM_ＲxDatPkt） ，寫入磁盤，開啟線程函數查詢板卡接收數據包狀態（ ＲM_IntStatus） ，先判斷本節點是否需要寫入數據，若不需要，則直接轉發寫中斷給下一組內節點; 否則，向其反射內存卡中寫入數據后發送讀中斷，接收電路解開數據包并將數據存儲到板載的接收緩沖器中，在接收緩沖器中，另一個電路將數據寫入到本地的SDＲAM 的和源節點相同的地址中。同時該電路將數據發送到發送FIFO 中，重復這個處理過程直至所發送的數據返回到源節點接收端，然后源節點將節點ID 相同的數據從網絡中刪除，從而實現所有節點都被更新。重復上述流程。退出程序，關閉板卡（ ＲM_Card_close） 。

　　3． 3 帶寬及實時性分析高速、高精加工中插補周期一般控制在1 ～ 2 ms，插補周期越短，以直代曲插補直線段越逼近實際加工曲線，加工精度越高。對于分布式數控系統而言，地理位置上相對獨立的各個單元通過網絡通信系統進行互聯，數據傳輸的帶寬及實時性會極大地影響實際加工效果。

　　表 1 為幾種數控系統中常用網絡通信方式的對比情況。文中采用的發射內存網帶寬最高可達1． 06Gbps，網絡傳輸延遲為400 ～ 750 ns，這兩個指標都明顯優于FDDI（ Fiber Distributed － Data Interface） 、CAN、工業以太網及PＲOFIUBS 現場總線。表1 幾種通訊網絡對比網絡類型帶寬實時性分析ＲMN 1． 06 Gbps 節點確定的傳輸延遲為400 ～ 750 nsFDDI 100 Mbps光纜延遲和站延遲使其響應時間至少為＞ 5msCAN 1 Mbps數據率很低，速度低，一般響應時間5 ～ 10ms工業以太網100 MbpsCSMA/CD 的傳輸機制決定了它無法確保傳輸延遲的確定性，導致其實時性差。傳輸延遲可達到1 ～ 10 msPＲOFIBUS ＜ 12 Mbps 響應時間＞ 10 ms4

? ? ? ? 結束語文

? ? ? ? ?中對反射內存網技術應用于數控系統這一極富研究價值的領域作了初步探索，提出了一種基于反射內存網的分布式數控系統實時通信網絡方案，給出了系統的基本框架結構、節點模型和拓展結構。在實際應用中，可以考慮把反射內存網同以太網相結合，在強實時部分使用反射內存網，在弱實時部分則利用以太網，實現資源的充分利用，降低開發成本。