数控专用主板设计

2012-10-20张赞秋杨松山苏升力

制造技术与机床 2012年1期

张赞秋高岩罗迪杨松山苏升力

（大连光洋科技工程有限公司，辽宁大连 116600）

数控系统是数控机床的核心，而这个核心的大脑就是数控系统的主板。其性能、功能和稳定性决定了一个数控系统的速度、易用性和稳定性，对数控机床的好坏起着重要的作用。

目前市场上数控系统多是使用普通工控主板，为了连接数控其他硬件需要许多的接口、连接器。面对数控机床复杂的工作环境，可能带来许多问题。如机械加工的振动可能引起连接器的松动，机械切削的碎屑可能带来大量的导电粉尘，或者静电粉尘这些粉尘可能堆积在连接器接口，导致功能异常，甚至损坏主板。面对这些问题，必须找到一种方法在保证性能和功能的同时，保证主板的稳定性。

数控专用主板是工控主板的一种，为X86结构，具有操作系统丰富（兼容WINDOWS、LINUX等）、软件兼容性好、开发工具丰富、系统稳定、硬件兼容性好等优点;同时，它具有非常高的集成度，主板上整合了许多设备，包括内存、数控总线控制器等，方便实用。

1 处理器与平台选择

高性能的数控产品需要有个高速的大脑，但就处理器来说，速度和热功耗是成正比的。过高的功耗，散热就成了一个问题，原来的被动式散热就需要改成主动式散热，而机械式的风扇，在大量粉尘的工作环境中，寿命会大大缩短，一旦风扇停转又不能及时发现，处理器和主板就可能面对烧毁的问题。这里，我们采用的系统平台为英特尔公司的Pentium®M Processor与 Mobile Intel®915GM Express Chipset。1.4 GHz 的速度与单片10 W左右的热设计功耗满足我们的需求。

2 整合功能外设与板型选择

2．1 普通工控主板

普通工控主板的结构如图1，板载了各种接口，包括内存、PCI、HDD（SATA、IDE）USB 等，所有设备均需要通过这些接口连接到主板上，实现各个功能。图2键盘鼠标使用的PS/2端口的公头、母头，这种端子可以随意插拔，无锁死装置。图3所示为USB插接端子，该端子同样没有锁死装置。USB和PS/2这样的接口就可能在数控系统中遇到振动或者人为误触碰脱落，导致系统故障。图4为内存的插接方式有锁死装置，但针脚非常多，在数控系统工作的环境里，静电和灰尘问题几乎不可避免，连接处还会出现氧化现象，影响可靠性。

2．2 数控专用主板接口选择

可靠的连接是系统安全稳定运行的保障。

主板上所有端子均为带锁端子，其中 PS2、USB、音频、串口、LVDS、电源均为JST生产的 PAD CONNECTOR，允许电流 3 A，电压250 V，隔离阻抗1 000 MΩ。如图5。而网口采用 RJ45端口，本身自带锁死装置。SATA端口为标准端口，带锁死装置。

2．3 板型尺寸方面的考虑

我们知道，通用主板PCB厚度一般为1.6～2.0 mm，板材尺寸越大，受力的时候变形量越大，板材中间位置的器件越容易断裂、开焊，为此我们设计了更小的板型，板厚为2.0 mm，尺寸为120 mm×180 mm。根据实际产品试验，变形量非常小，避免板上元器件的剥离脱落等问题。

3 主板集成功能

主板集成度越高，所需外设越少。为了尽可能减少外设所带来的不稳定因素，如为了避免内存插槽的影响，我们在主板上集成了三星的DDR2 SDRAM内存颗粒，由8片组成2个BANK的64位结构，板载1 G内存，BGA封装。焊接后，可避免内存DIMM端子带来的不稳定性。还取消了PCI接口，由原来插入式的系统总线卡改为了板载，这样振动和灰尘等问题就可以避免。也可以节省系统装配人工。

4 光纤接口全数字总线

GLINK数字总线是大连光洋开发和使用的一种数控专用通讯总线。它具有速度快、抗干扰内力强、使用方便等优点。现已使用在大连光洋的所有数控系统中，已经过多年的使用，充分的验证，得到了用户的一致好评。

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准;也是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境中。