基于現(xiàn)場總線的可重構數(shù)控系統(tǒng)的研究

圖2基于FPGA的可重構系統(tǒng)結構

這種新型的數(shù)字邏輯系統(tǒng)從資源利用率來講，可以動態(tài)重構地復用資源，資源利用率將成倍地提高，所需的硬件規(guī)模也將大大下降。同時，由于不是采用指令運算而是采用硬件復用原理，在某種意義上還有助于系統(tǒng)工作速度的提高。

2基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)的研究

2．1 PROFIBUS總線簡介

開放式數(shù)控系統(tǒng)的兩個重要內涵是自身接口的標準化、協(xié)議化和分布式體系的模塊互連結構，這實際上與現(xiàn)場總線的技術綱領是一致的，即開放的、互聯(lián)的接口規(guī)范和通信規(guī)范所組成的控制系統(tǒng)模型。因此，采用現(xiàn)場總線技術構建開放結構數(shù)控系統(tǒng)是一種必然的技術發(fā)展趨勢，而且這種趨勢定位在體系結構這個級別上，由此會徹底影響數(shù)控系統(tǒng)的設計、操作和配置等一系列特征，它正在觸發(fā)傳統(tǒng)數(shù)控技術領域內的重大變革，特別是伴隨著開放式數(shù)控技術的研究和應用的升溫，以數(shù)控系統(tǒng)為控制中心的控制系統(tǒng)和控制平臺框架正在形成。

PROFIBUS是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標準，目前已廣泛應用于加工制造和過程控制，屬于成熟的總線技術，世界上眾多自動化技術生產廠家都為他們的設備提供了PROFIBUS接口。PROFI—BUs—DP是經過優(yōu)化的高速廉價的通信連接，專為自動化系統(tǒng)和分散的現(xiàn)場控制設備之間通信而設計，特別是加工制造過程的控制，因此是分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x，而且PROFIBUS—DP定義了非常適合于數(shù)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)的專用行規(guī)。所謂行規(guī)，就是根據(jù)應用的行業(yè)，對用戶數(shù)據(jù)的含義進行了具體的、有針對性的定義和說明，從而使不同生產商的自動化設備只要遵循行規(guī)的格式描述，就可以實現(xiàn)互換。PROFIBUS—DP共有3個特別為數(shù)控應用定義的行規(guī)：

(1)NC／RC行規(guī)(文件編號：3．052) 描述了如何通過PRoFIBUS—DP對機器人和數(shù)控機床機型進行控制，提供了詳細的順序圖解，從高級自動化的角度描述了機械運動和過程控制的實現(xiàn)。

(2)編碼器行規(guī)(文件編號：3．062) 描述了帶單轉或多轉分辨率的旋轉編碼器、角度編碼器和線性編碼器與PROFIBUS—DP的連接，并為這些設備分兩種等級定義了基本功能和附加功能，如標定、中斷處理和擴充的診斷。編碼器正是數(shù)控系統(tǒng)中各類伺服電機和主軸電機測量位置和速度的核心測量傳感器。

(3)變速傳動行規(guī)(文件編號：3．071) 描述了傳動設備如何參數(shù)化以及如何傳送設定值和收集實際值，它包括對速度控制和定位控制的必要規(guī)格參數(shù)規(guī)定基本的傳動功能，又為特殊的應用擴展和進一步協(xié)議進化留有余地。

可見，采用PROFIBUS—DP作為基礎，進行分布式數(shù)控系統(tǒng)的設計是最合適的，而且符合未來技術的發(fā)展趨勢。

2．2 PROFIBUS—DP總線時間特性分析

PROFIBUS—DP采用單一的總線存取協(xié)議，通過開放式系統(tǒng)互聯(lián)(0pen System Interconnect，OSI)參考模型的第2層實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。在PROFIBUS—DP中，這一層被稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路(Fieldbus DataLink，F(xiàn)DL)，但實際上由介質存取控制(MediumAccess Control，MAC)子層來具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦颍⑶冶ＷC在任何時刻只能有一個站點設備發(fā)送數(shù)據(jù)。這也是PROFIBUS—DP協(xié)議設計旨在滿足的基本要求。

在復雜的自動化系統(tǒng)(主站)間通信，必須保證在確切的時間間隔中，任何一個站點都要有足夠的時間來完成通信任務；而在復雜的主控制器和簡單的I／O設備之間，應盡可能快速而又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。因此，PROFIBUS—DP的總線存取協(xié)議包括主站與主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。

數(shù)控系統(tǒng)在處理某些連續(xù)任務過程中，對實時性的要求很高，如復雜軌跡曲線連續(xù)控制和現(xiàn)場關鍵信號的采集等。因此，必須對PROFIBUS—DP的時間特性進行分析，為數(shù)控系統(tǒng)設計提供依據(jù)。

圖3是一個單主站PRoFIBUS—DP系統(tǒng)在不同通訊速率下，總線通信循環(huán)時間隨從站點數(shù)量增加的變化趨勢。假設每個DP從設備有2 byte的輸入和2 byte的輸出數(shù)據(jù)，最小的從間隔時間是200μs，TID1一75 TBit，TSDR一11 TBit。顯然，從站數(shù)量是決定總線循環(huán)時間的主要因素，但相對而言，高速傳輸受到的影響就很小。圖4描述了總線上用戶數(shù)據(jù)通訊流程和數(shù)據(jù)格式，以此為例來計算和分析總線上的信息循環(huán)時間。

一個8位二迸制數(shù)(1 byte)按11位傳輸，電文頭和尾由11 byte或9 byte組成，因此，當波特率為1．5 M時，1 TBit為0．666 7μs(1個8位二進制數(shù)-11 TBit-7．33μs)；當波特率為12 M時，1 TBit為83 ns(1個8位二進制數(shù)-11 TBit—0．913μs)。

圖3 PRoFIBUS—DP單主站系統(tǒng)的通信循環(huán)時間

圖4 PRoFIBUS—DP用戶數(shù)據(jù)交換原理

一般考慮到現(xiàn)場傳輸環(huán)境和延遲，在實施中還要加上約10％～20％的余量。主從通訊信息循環(huán)時間的具體計算公式如下：

TMc-(TSYN+TID1+TSDR+Hender+I×11+O×11)×Slaves。

式中,TMc為信息循環(huán)時間，按位時間計；TSYN為同步時間，典型的為33 TBit；TID1為在主站的空閑時間，典型的為75 TBit；TSDR為在從站的站延遲時間，最小值為11 TBit，最大為60 TBit至800 TBit不等，典型的為11 TBit；Hender為在請求和響應幀中的電文頭，198 TBit；I為每個從站的輸入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；O為每個從站的輸出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；Slaves為從站個數(shù)。