基于SoC的NCSF總線(xiàn)系統的研究與設計術(shù)

0 引言

數控系統現場(chǎng)總線(xiàn)以其高可靠性、抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)適用于數控系統控制通信，隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用，現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)成為下一代數控系統各設備單元之間數據交換的主要媒體。高檔數控系統的特點(diǎn)是高速、高精，而高速高精的數控加工要求數控各設備單元之間的數據交換媒體能完成數據的高速實(shí)時(shí)傳輸，因此數控系統現場(chǎng)總線(xiàn)系統是決定下一代高檔數控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。

傳統的總線(xiàn)系統(具體系統結構關(guān)系如圖1所示)實(shí)現為數控系統平臺通信系統日。的一部分，主要完成上層應用軟件如PLC模塊，運動(dòng)控制模塊等與數控系統總線(xiàn)所連的伺服，I/0等從站設備之間的數據通信?？偩€(xiàn)系統通過(guò)NC(Numerical Control，數控)主機的通信接口(PCI、USB等)將通信數據發(fā)送到主站板卡，由主站板卡執行PC機并行數據—總線(xiàn)串行數據的發(fā)送/接收處理工作。主站板卡為簡(jiǎn)單的硬件轉發(fā)電路，數據幀的封裝、解封，差錯控制，時(shí)鐘同步等工作完全由總線(xiàn)系統執行，需要占用大量的CPU時(shí)間和NC主機內存，從而增加了NC主機的負載。

圖1傳統總線(xiàn)系統結構關(guān)系

中國科學(xué)院沈陽(yáng)計算技術(shù)研究所數控總線(xiàn)實(shí)驗室參照國家標準GB/T 18759．3-2009《開(kāi)放式數控系統第3部分：總線(xiàn)接口與通信協(xié)議》研發(fā)的數控同步現場(chǎng)總線(xiàn)NCSF(Numerical Control Synchronous FieldBus)在數控現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)時(shí)通信方面具有優(yōu)越的性能表現。

針對上述問(wèn)題本文依據數控現場(chǎng)總線(xiàn)NCSF提出一種基于SoC的總線(xiàn)系統實(shí)現方法，設計選用Xilinx公司的XC3S500E FPGA芯片，具體設計中，采用MicroBlaze軟核CPU實(shí)現鏈路層及應用層協(xié)議處理。本文將在后續章節對總線(xiàn)系統的架構設計和實(shí)現方法進(jìn)行具體闡述并對統性能進(jìn)行分析。

1 背景介紹

1.1 NCSF簡(jiǎn)介

為滿(mǎn)足開(kāi)放式數控系統總線(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性、同步性、可靠性及可擴展要求，NCSF總線(xiàn)參考ISO/OSI通信模型，由物理層、數據鏈路層、應用層、用戶(hù)層行規組成，如圖2所示。

圖2數控現場(chǎng)總線(xiàn)NCSF網(wǎng)絡(luò )模型

物理層負責協(xié)調總線(xiàn)在物理媒體中傳送比特流所需的各種功能，定義總線(xiàn)接插件和傳輸媒體的機械和電氣規約，以及為發(fā)生傳輸所必須完成的過(guò)程和功能；數據鏈路層為應用層提供周期、實(shí)時(shí)、無(wú)差錯的數據鏈路；應用層負責維護站點(diǎn)間的安全、可靠的數據傳輸通路，并為用戶(hù)層行規的命令與應答提供傳輸服務(wù)；用戶(hù)層行規為裝置特征、功能特性和行為的規范。

NCSF基于ISO/IEC 8802．3物理層規范設計，利用網(wǎng)絡(luò )實(shí)現高速、高可靠實(shí)時(shí)數據和基于以太網(wǎng)的非實(shí)時(shí)數據的傳輸。通信由主設備發(fā)起，主要支持單個(gè)主設備和多個(gè)從設備間的數據通信、站號的自動(dòng)分配、網(wǎng)絡(luò )拓撲結構檢測、廣播通信、基于廣播機制的集總幀通信服務(wù)、點(diǎn)對點(diǎn)通信服務(wù)、總線(xiàn)延時(shí)測量和時(shí)間戳服務(wù)。在確定的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構下，從站設備對集總幀實(shí)時(shí)轉發(fā)保證了通信的實(shí)時(shí)性，而周期性控制為主站行為。

1.2 SoC及硬件簡(jiǎn)介

SoC稱(chēng)為系統級芯片，也有稱(chēng)片上系統，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專(zhuān)用目標的集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部?jì)热荨?/p>

FPGA(Filed Programmable Gate Array)是用戶(hù)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列集成電路的簡(jiǎn)稱(chēng)，它使用方便，改變邏輯功能易于實(shí)現，能夠滿(mǎn)足現代通信發(fā)展的需求。

MicroBlaze嵌入式軟核是一個(gè)被Xilinx公司優(yōu)化過(guò)的可嵌入在FPGA中的RISC處理器軟核，運行速度高達150MHz，采用哈佛體系結構，具有獨立的32位指令總線(xiàn)和32位數據總線(xiàn)，非常適合設計針對網(wǎng)絡(luò )、電信、數據通信和消費市場(chǎng)的復雜嵌入式系統。

2 基于SoC的NCSF總線(xiàn)系統的架構設計

基于SoC的NCSF總線(xiàn)系統保留NCSF總線(xiàn)協(xié)議棧的用戶(hù)層行規在NC主機中實(shí)現，以用戶(hù)層行規接口的形式為伺服驅動(dòng)、主軸驅動(dòng)、I/O等從站提供通用的系統應用接口(API)。協(xié)議棧的應用層和數據鏈路層實(shí)現在FPGA內嵌的MicroBlaze處理器中，配合FPGA內部的高精度時(shí)鐘、CRC處理、PHY控制等硬邏輯模塊，實(shí)現NCSF總線(xiàn)通信控制功能。FPGA開(kāi)發(fā)板使用PCI卡與用戶(hù)層行規接口程序通信，數據鏈路層封裝的數據最后經(jīng)由以太網(wǎng)PHY芯片發(fā)送。具體層次結構如圖3所示。

圖3基于SoC的總線(xiàn)系統

2.1 NC主機用戶(hù)層行規接口的設計

用戶(hù)層行規通過(guò)定義命令與應答的數據結構，確保裝置間的互操作，支持面向應用的實(shí)現。根據開(kāi)放式數控系統中裝置的參數與行為特性，用戶(hù)層行規包括管理、傳感器控制、驅動(dòng)控制與I/O控制等部分。用戶(hù)層行規接口程序主要負責通信數據的接收與發(fā)送。在發(fā)送階段，程序首先讀取運動(dòng)控制、PLC等模塊的命令，然后將其封裝成相應的命令數據結構，最后通過(guò)NC主機的PCI將數據結構發(fā)送到總線(xiàn)通信控制卡上；接收階段，程序首先讀取PCI上由總線(xiàn)通信控制卡發(fā)來(lái)的數據，然后將其解析為應答數據結構并傳送給相應的功能模塊。具體過(guò)程如圖4所示。