淺談高速數控現場(chǎng)總線(xiàn)物理層的研究

1 前言

　　現場(chǎng)總線(xiàn)以其高速、實(shí)時(shí)、穩定、費用低廉等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應用，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 )。現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的迅速發(fā)展，引起了數控系統結構的改變，數控系統已從簡(jiǎn)單的運動(dòng)軌跡控制器轉變成貫穿數字化制造全過(guò)程的系統級平臺，基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的數控系統已進(jìn)入成熟階段?，F場(chǎng)總線(xiàn)以數字通信代替了傳統模擬信號及普通開(kāi)關(guān)量信號的傳輸，是連接自動(dòng)化控制設備和現場(chǎng)設備的數字式、多節點(diǎn)、雙向、串行的通信系統。由于商業(yè)利益的驅使和地域發(fā)展狀況的不同以及各種經(jīng)濟社會(huì )的復雜原因，數控現場(chǎng)總線(xiàn)從產(chǎn)生到蓬勃發(fā)展，始終未能建立統一的國際標準，處于多種標準共存，相互競爭、百家爭鳴的格局。目前國際上存在多種數控現場(chǎng)總線(xiàn)及標準，如 SERCOS 總線(xiàn)、Profibus 總線(xiàn)、EtherCAT 總線(xiàn)、NCSF 總線(xiàn)、MECHATROLINK 總線(xiàn)等。在國內，中國首部數控總線(xiàn)國家標準--GB/T18759.3-2009《開(kāi)放式數控系統 第3 部分：總線(xiàn)接口與通信協(xié)議》，在2009 年發(fā)布。它們的通信協(xié)議及數據交換接口完全不同、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 系統的功能擴展、測控產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及用戶(hù)的選擇等都受到了限制，只能使用原有總線(xiàn)的相關(guān)產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)基于數控現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的全數字式數控系統是目前國際高檔數控系統的發(fā)展趨勢。全數字式數控系統也是一種開(kāi)放式數控系統，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(diǎn)。本文結合廣州數控的GSK-LINK 協(xié)議，論述高速現場(chǎng)總線(xiàn)的物理層研究。

2 總線(xiàn)協(xié)議模型

　　基于總線(xiàn)接口與通信規范的設計要求，參考 ISO/OSI 開(kāi)放式系統互聯(lián)模型，GSKLINK 采用層次化體系結構，由主要由物理層、數據鏈路層、應用層、用戶(hù)層、 表示層、會(huì )話(huà)層6 層組成，如表 1 所示。本數控總線(xiàn)結構模型采用協(xié)議棧思想在現有底層的基礎上，對各總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行了面向應用的擴展，協(xié)議棧內存放著(zhù)各種總線(xiàn)，通過(guò)向上層提供統一的服務(wù)接口，屏蔽各種總線(xiàn)的差異，系統設計完全在主站上依靠軟件來(lái)實(shí)現，從站不需做任何改變，同時(shí)參考現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議模型，以開(kāi)放系統互連參考模型為基礎，并對其加以改造，由物理層、數據鏈路層、應用層行規組成。

表1 數控總線(xiàn)協(xié)議模型

　　(1)用戶(hù)層行規

　　總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用進(jìn)程，以數據結構形式給出用戶(hù)命令，包括通信管理命令、裝置控制命令、運動(dòng)控制命令以及 I/O 控制命令。

　　(2)應用層

　　包括應用層服務(wù)和應用層協(xié)議2 方面。應用層服務(wù)為用戶(hù)層行規提供服務(wù)；應用層協(xié)議規定應用層數據規范和服務(wù)狀態(tài)機以及與協(xié)議的映射、封裝和差錯控制。

　　(3)數據鏈路層

　　分為抽象數據鏈路層和實(shí)際數據鏈路層2 個(gè)子層。ADLL 為應用層和 RDLL 提供轉換。RDLL 是制造商和用戶(hù)可選的現有標準數據鏈路層，不作具體規定，只提出可選時(shí)的要求。

　　(4)物理層

　　與實(shí)際數據鏈路層一樣，只提出了可選時(shí)的要求。

3 GSK-LINK 的物理層研究

　　GSK-LINK 是廣州數控自主研發(fā)的高速總線(xiàn)協(xié)議，兼容國家總線(xiàn)標準，其物理層接口模塊，包括主站模塊和從站模塊。實(shí)現以光纖作為物理介質(zhì)，采用環(huán)形拓撲結構和一主多從工作方式的高速伺服總線(xiàn)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(shí)現，傳輸媒介采用超5 類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)，周期數據能在主站和從站之間傳輸，非周期數據可以在任意站點(diǎn)之間傳輸。GSK-Link 采用環(huán)型（圖1）、單線(xiàn)型（圖2）、雙線(xiàn)型（圖3）兼容的拓撲結構，總線(xiàn)拓撲如圖4 所示，總線(xiàn)作為單線(xiàn)形拓撲時(shí)，另一個(gè)端口可以由處理器選擇與局域網(wǎng)互聯(lián)，高速運動(dòng)控制總線(xiàn)的硬件由主站、從站和超五類(lèi)雙絞線(xiàn)組成，CNC 系統作為主站，伺服單元作為從站，主站與從站及從站之間都通過(guò)超五類(lèi)雙絞線(xiàn)連接。主站采用“DSP（應用層）+ FPGA（數據鏈路層） + PHY 及超五類(lèi)雙絞線(xiàn)收發(fā)（物理層）”的方式。從站采用“DSP+ FPGA（數據鏈路層） + PHY 及超五類(lèi)雙絞線(xiàn)收發(fā)（物理層）”。用FPGA 實(shí)現工業(yè)控制專(zhuān)用的MAC 控制器來(lái)滿(mǎn)足高速現場(chǎng)總線(xiàn)的要求，同時(shí)還要完成兩個(gè)以太網(wǎng)物理層控制芯片之間的數據對接及其它通信協(xié)議。主站和從站都有兩個(gè)以太網(wǎng)接口，每個(gè)以太網(wǎng)接口都在全雙工的通信模式下工作，各個(gè)單元通過(guò)超五類(lèi)雙絞線(xiàn)連成一個(gè)環(huán)形通路可實(shí)現單路、雙路通信。GSK-LINK 高速總線(xiàn)通信協(xié)議具有100M 的傳輸速度，能支持64 個(gè)伺服，時(shí)鐘同步性少于100ns，誤碼率是10-11，到達國內的先進(jìn)水平。

圖4 高速現場(chǎng)伺服總線(xiàn)的體系結構

4 總結

　　現場(chǎng)總線(xiàn)兼容技術(shù)是當前現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，實(shí)現一個(gè)數控系統中兼容多種總線(xiàn)，屏蔽各總線(xiàn)的差異具有重要的意義。本文主要介紹GSK-Link 現場(chǎng)總線(xiàn)的物理層研究，GSK-LINK 可以輕易實(shí)現車(chē)間設備級任意連接，雙層的網(wǎng)絡(luò )結構使得系統未來(lái)可以想象的空間巨大。