误差实时补偿控制系统硬件执行平台可采用基于多单片机的并行处理结构，其主要功能部件包括主板、LCD显示卡、液晶显示器、扫描式键盘功能卡、薄膜键盘、变送器卡和A/D卡、热电阻型温度传感器或数字式温度传感器、机床运动轴绝对坐标输入功能卡、补偿量输出功能卡以及指示灯功能卡。硬件的主体结构如图6-10所示。
图6-10 误差实时补偿控制系统硬件主体结构示意图
误差实时补偿控制系统的主板采用了三片单片机并行的结构，系统可执行多线程工作，能独立同步地执行如下所需要的各种控制功能：
1）温度和位移数据采集。
2）薄膜面板的操作及液晶显示器的信息显示。
3）补偿控制系统与机床PLC的实时数据交互。
4）温度数据后处理。
5）位移数据后处理。
6）补偿量实时计算。
主板上各MCU之间通过串口通信方式交互数据，其扩展了多个PCI插槽，用于固定各功能板卡。主板和各功能板卡之间通过自定义的地址总线和数据总线进行数据交互，并通过自定义的控制总线完成特殊功能操作。
LCD显示卡与液晶显示器通过数据电缆连接，通过PCI插槽与主功能卡连接，操作人员可通过液晶显示器读取各种信息，如当前各控制轴机床坐标、各温度布置点实时温度值、各轴的实时补偿量、温度超限报警、计算补偿量超限报警等。
扫描式键盘功能卡与薄膜面板通过数据电缆连接，薄膜面板及补偿控制系统外观如图6-11所示，操作人员可通过薄膜面板选择各种功能项目或者设置各种参数，如F0按键可设定串口通信的波特率、F1按键可设定采样频率、F4按键可显示各控制轴的当前绝对坐标位置、F5键可显示当前各温度布置点的实时温度、SF1按键可手动设定各轴的补偿量、数字按键0～9代表实际的数值0～9操作、MENU按键可使当前显示界面切换到主菜单界面等。薄膜面板为4×8型扫描式键盘，扫描式键盘功能卡采用专用的芯片响应扫描式键盘的操作，并通过PCI插槽与主功能卡连接，完成操作者与人机交互MCU之间的数据传送。
图6-11 薄膜面板及补偿控制系统外观图
a）薄膜面板外观图 b）补偿控制系统外观图
变送器卡和A/D卡中，变送器部分可连接八路Pt100型热电阻温度传感器，能够实时地对热电阻信号进行滤波、调理和放大，将由温度变化引起的热电阻阻值变化转变成0～5V的电压变化。该部分具有输出滤波和调理电路，可以将变送器卡到A/D卡的信号进行数字滤波和信号调理，具有较高的分辨率和测试精度。A/D转换部分则通过PCI插槽与主功能卡连接，在温度采集回路中与变送器部分连接，将变送器部分输出的电压信号连接到其模拟量输入通道端，将电压信号转换成数字量信号。A/D卡具有12位分辨率，温度的转换精度达到0.1℃。在位移采集回路中，位移传感器输出的0～5V电压变化可直接连接到A/D卡，并将电压信号转换成数字量信号。
热电阻型温度传感器（Pt100）用于检测机床上温度布置点的实时温度，采用强磁式金属外壳，能够牢固吸附在测试点上。传感器通过双绞屏蔽电缆与变送器板连接，具有很好的抗干扰能力。数字式温度传感器（DS18b20）为另一种可选择的温度传感器模式，其无需变送器卡和A/D卡的转换处理，通过单总线协议可直接与MCU之间进行数据交互，因而适用于紧凑型结构的补偿系统，可省去变送器卡和A/D卡的相关占用空间。目前在主要采用的是热电阻型温度传感器，而数字式温度传感器将用于无线温度传感器中。
机床各控制轴机床坐标输入功能卡通过PCI插槽与主功能卡连接，各控制轴的机床坐标采用并口方式输入到板卡上的CPLD芯片中，并通过自定义的数据交互协议将相应各个控制轴的实时机床坐标数值传送到数据交互MCU。该功能卡能够同时读取六个轴的实时机床坐标值（包括直线运动轴和旋转轴）。
机床各轴补偿量输出功能卡通过PCI插槽与主功能卡连接，可通过CPLD将数据交互MCU输出的各轴补偿量以并口方式输送到数控机床的PLC。该功能卡能够同时对六个轴实施补偿，并且可以对CNC的补偿功能进行控制和选择。
指示灯功能卡用于显示误差实时补偿控制系统各环节当前的运行状况，如温度采集通道是否工作正常、坐标位置采集并口数据通道工作状态指示、补偿量输出卡数据通道工作状态指示、主程序工作状态指示等。
1.主板结构及功能
图6-12所示为主板实物图，主板部件构成主要包括温度和位移采集MCU1、数据处理和人机界面交互MCU2、并口数据交互MCU3、电源保护模块、复位电路、带掉电保护存储模块、芯片通信切换电路、串口通信模块、指示灯驱动模块和自定义总线结构。
主板的硬件结构分析图如图6-13所示，其核心部分采用了三个MCU，可同步实现多任务实时处理。各处理器的功能如下：
1）数据处理和人机界面交互MCU1采用P89V51RD2型单片机，通过自定义的地址总线、数据总线和控制总线与扫描式键盘功能卡进行数据交互。其扫描式键盘功能卡对人机界面采用外部中断式访问，使得操作人员可实时调整补偿系统的运行。人机界面交互MCU1可通过LCD显示卡将实时状态信息显示在液晶显示器上，操作人员可根据显示器提示的各种操作步骤对补偿系统进行使用。此外，数据处理和人机界面交互MCU1支持完成各种数据处理、运算和整理的工作，能够根据用户设定工作条件访问预设的数学模型库及参数库，选定适当的数学模型运用于实际补偿运算中，以达到很好的鲁棒性效果。
图6-12 主板实物图
图6-13 主板硬件结构分析图
2）并口数据交互MCU2采用P89V51RD2型单片机，通过自定义的地址总线、数据总线和控制总线与机床各控制轴机床坐标输入功能卡和补偿量输出功能卡进行实时数据交互，读取各轴实时坐标，并将经计算得到的各轴补偿量实时送出。并口数据交互MCU2在补偿系统工作时以独立线程模式运行，通过与数据处理MCU1之间的串口通信将读取的各轴实时机床坐标值传送到数据处理MCU1，同时从数据处理MCU1读取实时计算出的补偿量数据。
3）温度和位移采集MCU3采用P89V51RD2型单片机，可通过自定义总线，用变送器卡和A/D卡连接热电阻式温度传感器。温度和位移采集MCU3在单片机补偿系统工作时以独立线程模式运行，并通过数据处理MCU1之间的串口通信将当前各温度布置点的温度数据传送到数据处理MCU1中，传送模式为循环扫描模式，即每次通信过程传送一个轴的温度数据，每个循环后更新下一组温度数据值。
4）电源保护模块采用防高压及防反向连接电路，能够有效地防止由于工业电源波动和电压脉冲而造成的内部元器件损坏，能够防止由于直流电源连接反向而造成的单片机和其他电子元器件的损坏。
5）复位电路连接薄膜面板上的RESET按键或者补偿系统上的外部复位按钮，如图6-14所示。它可使温度和位移采集MCU3、并口数据交互MCU2及数据处理和人机界面交互MCU1同时实现复位操作，此时补偿系统进入重启阶段。(www.xing528.com)
6）带掉电保护存储模块采用外部静态存储器作为补偿系统的数学模型和参数表存储单元，并可实时存储机床加工过程中的温度布置点数据和补偿量数据，以提供给系统开发人员更充分地研究数据来进一步修正数学模型；可选择性存储用户输入的数控机床加工参数信息以及加工过程中的温度异常信息，便于修正参数表格和历史数据查询。存储模块外部具有带掉电保护的电路设计，可配备直流纽扣电池，能够保证存储模块内部数据长达两年的保存时间。
7）芯片通信切换电路，采用七组继电器作为并行芯片之间的切换电路。如图6-14中所示的转换开关，当开关位置处于“0”时，数据处理和人机界面交互MCU1作为主机与两个从机（温度和位移采集MCU3和并口数据交互MCU2）实时进行主从式串口通信，此时补偿系统处于正常工作模式；当开关位置处于“1”时，通过补偿系统上的RS232接口，可用计算机将单片机程序在线下载到数据处理MCU1中或者存储到外部静态RAM中，也可用上位计算机实时监控数据处理和人机界面交互MCU1的各种数据信息；当开关位置处于“2”时，通过补偿系统上同一个RS232接口，可用计算机将单片机程序在线下载到温度和位移采集MCU3中，也可用上位计算机实时监控温度和位移采集MCU3的实时温度信息或位置误差数据。七组继电器相互之间锁定，可保证每种开关位置下，并行的三片MCU之间的串口通信之间互不干扰。
图6-14 补偿系统操作面板实物图
8）串口程序下载及芯片监控模块采用专用串口通信芯片，可实现计算机与单片机之间的通信要求，可满足补偿系统在线实时下载程序和更新数学模型的需求，也可以上位机作为监控平台与补偿系统连接，监控补偿系统的工作状态和读取补偿过程的各种信息。
9）指示灯驱动模块。三个并行MCU可通过指示灯驱动模块驱动指示灯功能卡上对应的各LED灯，各组LED灯表征了补偿系统各功能部件正常运行和出现异常情况下的状态信息。
2.坐标输入功能卡的结构和作用
各控制轴机床坐标输入功能卡的硬件结构如图6-15所示，主要包括大规模集成电路芯片CPLD、光耦隔离电路和金手指接插排。
图6-15 坐标输入功能卡实物图
1）大规模集成电路芯片CPLD。坐标输入功能卡应用了两片CPLD芯片，每片CPLD均可支持三个控制轴的机床坐标值以并口数据模式输入。CPLD以自定义总线方式将各控制轴的实时机床坐标值传送到并口数据交互MCU2中，更新周期为一个PLC循环扫描周期。
2）光耦隔离电路。坐标输入功能卡采用了六组独立的光耦隔离电路，每组对应一个控制轴的机床坐标输入，通过光电隔离模式保证了PLC的24V并口数据输出信号不会影响到内部电路的正常运行，同时也避免了并口传输时每个数据位之间的相互干扰，避免由于失“位”而造成绝对坐标数据传送的不准确。
3）采用PCI总线的金手指接插排，作为坐标输入功能卡的硬件安装和固定方式，能可靠地固定坐标输入功能卡在主板上。金手指接插排的数据格式由自定义的补偿系统数据总线、地址总线和控制总线模式决定。
3.补偿量输出功能卡的结构和作用
补偿量输出功能卡的硬件结构如图6-15所示，主要包括大规模集成电路芯片CPLD、光耦隔离电路和金手指接插排。
1）大规模集成电路芯片CPLD。补偿量输出功能卡应用了一片CPLD芯片，可支持同时输出六个控制轴的补偿量数据。CPLD以自定义总线方式将从并口数据交互MCU2读取的补偿量数据实时输出到数控机床的PLC中，更新周期为一个PLC循环扫描周期。
2）光耦隔离电路。坐标输入功能卡采用了六组独立的光耦隔离电路，每组对应一个控制轴的补偿量输出。通过光电隔离模式可使得CPLD的5V驱动信号转换成PLC的24V有效输入信号，同时也避免了并口传输时每个数据位之间的相互干扰，避免由于失“位”而造成补偿量数据传送的不准确。金手指接插排的功能与前述内容相同。
4.变送器卡和A/D卡的结构和作用
变送器卡和A/D卡的硬件结构如图6-16所示，主要包括变送器电源接口、变送器部分和A/D转换部分以及金手指接插排。
图6-16 变送器卡和A/D卡实物图
1）变送器电路需要通过变送器电源接口连接外部的±12V电源。
2）变送器电路部分具有滤波和调理放大电路，可同时读取八路热电阻温度传感器的信号，并将热电阻阻值变化转变为输出电压变化，具有较高的分辨率和测试精度。
3）A/D转换电路则可通过功能板卡上的连线，将变送器部分输出的电压信号连接到其模拟量输入通道端，并将电压信号转换成数字量信号。A/D卡具有12位分辨率，温度的转换精度达到0.1。
4）金手指接插排与主功能卡连接，通过数据总线可将A/D转换后的八路温度数值送至MCU3芯片进行后续的运算处理。
5）补偿系统主板上设计的变送器卡和A/D卡为两块，即补偿系统可同时连接16路热电阻温度传感器。如数控机床的实际温度布点数超过16个时，则可以将其中一路的PCI插槽作为扩展总线连接插槽，用符合自定义总线格式的扩展板进行插槽口扩展，可允许连接64个温度传感器。
5.主板和功能板卡的连接
补偿系统的各功能板卡通过PCI插槽与主板连接（补偿系统采用了标准的PCI插槽和PCI金手指接插排作为板卡之间的连接硬件通路），硬件之间连接的地址总线、数据总线和控制总线则是按照自定义的硬件通道模式分配的。主板上的PCI插槽采用并行的总线方式，因而各功能板可任意选用插槽安装，功能板卡可通过与机箱的固定支架连接来定位。
补偿系统的主板上设计五条插槽，用于安装一块控制轴绝对坐标输入功能卡、一块补偿量输出功能卡、一块LCD和液晶显示器卡和一块变送器和A/D转换功能卡。如需要扩展轴数或增加温度传感器的数量，可通过剩余的一个备用PCI插槽进行总线扩展，目前的设计上可再扩展八个插槽。变送器和A/D转换功能卡可改为模块式结构与主板的扩展总线连接。
6.误差实时补偿控制系统内部连接线路
误差实时补偿控制系统的各功能板卡通过数据线连接到机箱的航空接头端，外部直流稳压电源提供补偿系统和A/D转换所需的电压。误差实时补偿控制系统操作面板的各开关通过电缆连接到主板对应的各接插口。键盘和LCD功能板通过数据线与操作面板上的薄膜键盘以及LCD液晶显示器连接。
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