Перечислим основные принципы организации микропроцессорного устройства ЧПУ:
1) программно-аппаратная реализация функции управления. В соответствии с этим принципом обработка информации осуществляется программными средствами вычислителя в сигналы управления объектом и, наоборот, преобразования информация сигналов объекта в машинную форму;
2) магистрально-модульное построение аппаратных средств. Согласно этому принципу, аппаратные средства микропроцессорной системы выполнены в виде унифицированных по конструкции модулей и имеют унифицированные средства сопряжения с системными магистралями;
3) встроенная диагностика. Каждый блок, входящий в вычислитель или контроллеры внешних устройств, должен иметь свои аппаратные диагностические средства, позволяющие быстро локализовать неисправности и снизить время восстановления устройства в случае отказа.
Состав задач и их сложность оказывает непосредственное влияние на архитектуру устройства ЧПУ.
Существует два крайних архитектурных решения:
1) «разделяемый вычислитель» (это означает, что все задачи решаются параллельно с помощью одного вычислителя).
Этому архитектурному решению соответствует однопроцессорные устройства ЧПУ, которые могут иметь структуру построения с общей магистралью (см. рис. 7.7) (где контроллеры внешнего устройства сопрягаются с вычислителем через системную магистраль).
Рис. 7.7. Структура построения однопроцессорного устройства ЧПУ с разделяемым вычислителем
В этой структуре нагрузочная способность системной магистрали ограничивает возможности расширения системы из-за ухудшения помехоустойчивости.
И с двумя магистралями (рис. 7.8)
АС – адаптер связи
В - вычислитель
Рис. 7.8. Структура построения однопроцессорного устройства ЧПУ с двумя магистралями
В этой структуре контроллеры внешних устройств дисплея и клавиатуры оператора сопрягаются обычно с системной магистралью вычислителя, а контроллеры электроприводов, измерительных преобразователей, устройств управления электроавтоматикой станка – с магистралью устройства ЧПУ. Использование однопроцессорной структуры с двумя магистралями эффективнее, потому что контроллеры внешних устройств станка для связи с несколькими однотипными внешними устройствами обычно выполняют в одной плате, что является по отношению к магистрали одной единицей нагрузки.
2) «выделяемые вычислители» (это означает, что каждой задаче соответствует собственный вычислитель и параллельные вычисления на разных процессорах должны быть скоординированы между собой).
Количественное и качественное расширение функциональных возможностей управления с использованием однопроцессорных устройств ЧПУ ограничено рядом причин:
1) вычислительной мощностью процессора. Недостаточная, как правило, вычислительная мощность однопроцессорных устройств сдерживает развитие функциональных возможностей микропроцессорных систем ЧПУ. При этом накладываются ограничения, например, на число управляемых координат станка, минимальную дискретность перемещения, максимальную скорость интерполируемой подачи, уровень сервиса для оператора; возникает достаточно сложная проблема организации разделения процессорного времени. Радикальным резервом повышения вычислительной мощности является переход на 32-разрядные микропроцессоры;
2) возможностями привязки микропроцессорных устройств ЧПУ к станку. Связано это с управлением цикловой автоматикой станка. Если ее схема проста, то дискретными сигналами входа-выхода ее устройств управляет вычислитель. Однако у станков со сложной автоматикой ее устройства управляются программируемыми контроллерами, которые разгружают вычислитель от операций ввода-вывода информации, берут на себя выполнение отдельных функций задач ЧПУ (например, замыкают позиционные контуры следящих приводов; осуществляют ввод-вывод дискретных сигналов автоматики), а в некоторых случаях решают задачу ЧПУ полностью (например, решают логическую задачу);
3) конечной нагрузочной способностью системной магистрали. Повышение вычислительной мощности микропроцессора целесообразно, если можно расширять число модулей, подключаемых к системной магистрали без снижения надежности обмена данными. На практике это сложнее, чем ограничение вычислительной мощности процессора.
Отсюда очевидна целесообразность использования архитектурного решения «выделяемые вычислители», которое соответствует мультипроцессорной структуре построения устройства ЧПУ Мультипроцессорные устройства ЧПУ могут иметь сосредоточенную и распределенную структуры построения (рис. 7.8):
- сосредоточенную;
- рассредоточенную.
Рис. 7.8. Сосредоточенная (α) и распределенная (б) структуры построения мультипроцессорных устройств ЧПУ
Основные различия между ними следующие:
1) при распределенной структуре каждый вычислитель имеет свою операционную систему, в то время как при сосредоточенной структуре операционная система общая;
2) обмен информацией между вычислителями при распределенной структуре менее интенсивен, чем при сосредоточенной;
3) каждый вычислитель при распределенной структуре имеет свой контроллер (периферийных устройств, объекта управления, ЭВМ верхнего уровня);
4) вычислители при распределенной структуре не могут иметь общей памяти для ее коллективного использования;
5) при распределенной структуре допустимо большое пространственное разделение вычислителей, которые приближены к своим объектам.
Функции, выполняемые различными вычислителями, будут определяться программным обеспечением, занесенным в запоминающее устройство вычислителя.
Микропроцессорные устройства по структуре построения бывают:
а) с обменом через блоки общей памяти (БОП) - обмен данными в них осуществляется через адаптеры связи АС – АС2, подключенные к системным магистралям локальных вычислителей В1, В2;
б) через адаптеры связи (рис. 7.9) - такая связь обеспечивает повышение производительности устройства. Учитывая интенсивность обмена между центральным вычислителем В и локальными Вn, блоки общей памяти могут быть совмещены с ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) локальных вычислителей.
Рис. 7.9. Структуры построения мультипроцессорных устройств с обменом через блоки общей памяти (α) и и через адаптеры связи (б)