淺談高速數(shù)控現(xiàn)場總線物理層的研究

1 前言

　　現(xiàn)場總線以其高速、實時、穩(wěn)定、費用低廉等優(yōu)點得到越來越廣泛的應(yīng)用，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線技術(shù)的迅速發(fā)展，引起了數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，數(shù)控系統(tǒng)已從簡單的運動軌跡控制器轉(zhuǎn)變成貫穿數(shù)字化制造全過程的系統(tǒng)級平臺，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)已進(jìn)入成熟階段?，F(xiàn)場總線以數(shù)字通信代替了傳統(tǒng)模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是連接自動化控制設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字式、多節(jié)點、雙向、串行的通信系統(tǒng)。由于商業(yè)利益的驅(qū)使和地域發(fā)展?fàn)顩r的不同以及各種經(jīng)濟社會的復(fù)雜原因，數(shù)控現(xiàn)場總線從產(chǎn)生到蓬勃發(fā)展，始終未能建立統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，處于多種標(biāo)準(zhǔn)共存，相互競爭、百家爭鳴的格局。目前國際上存在多種數(shù)控現(xiàn)場總線及標(biāo)準(zhǔn)，如 SERCOS 總線、Profibus 總線、EtherCAT 總線、NCSF 總線、MECHATROLINK 總線等。在國內(nèi)，中國首部數(shù)控總線國家標(biāo)準(zhǔn)--GB/T18759.3-2009《開放式數(shù)控系統(tǒng) 第3 部分：總線接口與通信協(xié)議》，在2009 年發(fā)布。它們的通信協(xié)議及數(shù)據(jù)交換接口完全不同、存在很大的差異性，因而它們的相關(guān)產(chǎn)品互不兼容，這使得 CNC 系統(tǒng)的功能擴展、測控產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及用戶的選擇等都受到了限制，只能使用原有總線的相關(guān)產(chǎn)品。開發(fā)基于數(shù)控現(xiàn)場總線技術(shù)的全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)是目前國際高檔數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)也是一種開放式數(shù)控系統(tǒng)，要求具有可互換性、可伸縮性、可移植性、可擴展性、可互操作性等特點。本文結(jié)合廣州數(shù)控的GSK-LINK 協(xié)議，論述高速現(xiàn)場總線的物理層研究。

2 總線協(xié)議模型

　　基于總線接口與通信規(guī)范的設(shè)計要求，參考 ISO/OSI 開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型，GSKLINK 采用層次化體系結(jié)構(gòu)，由主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層、 表示層、會話層6 層組成，如表 1 所示。本數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型采用協(xié)議棧思想在現(xiàn)有底層的基礎(chǔ)上，對各總線協(xié)議進(jìn)行了面向應(yīng)用的擴展，協(xié)議棧內(nèi)存放著各種總線，通過向上層提供統(tǒng)一的服務(wù)接口，屏蔽各種總線的差異，系統(tǒng)設(shè)計完全在主站上依靠軟件來實現(xiàn)，從站不需做任何改變，同時參考現(xiàn)場總線協(xié)議模型，以開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)，并對其加以改造，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層行規(guī)組成。

表1 數(shù)控總線協(xié)議模型

　　(1)用戶層行規(guī)

　　總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)程，以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式給出用戶命令，包括通信管理命令、裝置控制命令、運動控制命令以及 I/O 控制命令。

　　(2)應(yīng)用層

　　包括應(yīng)用層服務(wù)和應(yīng)用層協(xié)議2 方面。應(yīng)用層服務(wù)為用戶層行規(guī)提供服務(wù)；應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定應(yīng)用層數(shù)據(jù)規(guī)范和服務(wù)狀態(tài)機以及與協(xié)議的映射、封裝和差錯控制。

　　(3)數(shù)據(jù)鏈路層

　　分為抽象數(shù)據(jù)鏈路層和實際數(shù)據(jù)鏈路層2 個子層。ADLL 為應(yīng)用層和 RDLL 提供轉(zhuǎn)換。RDLL 是制造商和用戶可選的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層，不作具體規(guī)定，只提出可選時的要求。

　　(4)物理層

　　與實際數(shù)據(jù)鏈路層一樣，只提出了可選時的要求。

3 GSK-LINK 的物理層研究

　　GSK-LINK 是廣州數(shù)控自主研發(fā)的高速總線協(xié)議，兼容國家總線標(biāo)準(zhǔn)，其物理層接口模塊，包括主站模塊和從站模塊。實現(xiàn)以光纖作為物理介質(zhì)，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一主多從工作方式的高速伺服總線技術(shù)。GSK-Link 采用通用以太網(wǎng)的物理層芯片PHY，MAC 采用FPGA 實現(xiàn)，傳輸媒介采用超5 類非屏蔽雙絞線，周期數(shù)據(jù)能在主站和從站之間傳輸，非周期數(shù)據(jù)可以在任意站點之間傳輸。GSK-Link 采用環(huán)型（圖1）、單線型（圖2）、雙線型（圖3）兼容的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)，總線拓?fù)淙鐖D4 所示，總線作為單線形拓?fù)鋾r，另一個端口可以由處理器選擇與局域網(wǎng)互聯(lián)，高速運動控制總線的硬件由主站、從站和超五類雙絞線組成，CNC 系統(tǒng)作為主站，伺服單元作為從站，主站與從站及從站之間都通過超五類雙絞線連接。主站采用“DSP（應(yīng)用層）+ FPGA（數(shù)據(jù)鏈路層） + PHY 及超五類雙絞線收發(fā)（物理層）”的方式。從站采用“DSP+ FPGA（數(shù)據(jù)鏈路層） + PHY 及超五類雙絞線收發(fā)（物理層）”。用FPGA 實現(xiàn)工業(yè)控制專用的MAC 控制器來滿足高速現(xiàn)場總線的要求，同時還要完成兩個以太網(wǎng)物理層控制芯片之間的數(shù)據(jù)對接及其它通信協(xié)議。主站和從站都有兩個以太網(wǎng)接口，每個以太網(wǎng)接口都在全雙工的通信模式下工作，各個單元通過超五類雙絞線連成一個環(huán)形通路可實現(xiàn)單路、雙路通信。GSK-LINK 高速總線通信協(xié)議具有100M 的傳輸速度，能支持64 個伺服，時鐘同步性少于100ns，誤碼率是10-11，到達(dá)國內(nèi)的先進(jìn)水平。

圖4 高速現(xiàn)場伺服總線的體系結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

　　現(xiàn)場總線兼容技術(shù)是當(dāng)前現(xiàn)場總線技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，實現(xiàn)一個數(shù)控系統(tǒng)中兼容多種總線，屏蔽各總線的差異具有重要的意義。本文主要介紹GSK-Link 現(xiàn)場總線的物理層研究，GSK-LINK 可以輕易實現(xiàn)車間設(shè)備級任意連接，雙層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)未來可以想象的空間巨大。