數(shù)控同步現(xiàn)場總線與CAN總線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

引言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在過去集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上順應(yīng)用戶對控制系統(tǒng)提出的開放性的要求而誕生。開放的具有互操作性的現(xiàn)場總線將網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場的控制器及儀表設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。由于工業(yè)控制領(lǐng)域現(xiàn)場總線技術(shù)的競爭，形成了當(dāng)今眾多總線標(biāo)準(zhǔn)并存的局面。這一局面限制了用戶對總線產(chǎn)品的選擇，同時也約束了總線技術(shù)的發(fā)展，這也使得各現(xiàn)場總線之間的互聯(lián)和互操作成為當(dāng)務(wù)之急。

開放式數(shù)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有互換性、伸縮性、可操作性和可移植性，其能夠方便靈活的進行裁剪、擴展和升級。數(shù)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線是數(shù)控裝置、執(zhí)行裝置和傳感器件之間通信的系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的開放性勢必對現(xiàn)場總線開放性提出一定的要求。

數(shù)控同步現(xiàn)場總線(Numerical Control Synehronoas Fieldbus，NCSF)是中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所總線實驗室針對數(shù)控系統(tǒng)自主研發(fā)的現(xiàn)場總線。為真正實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的可裁剪、可擴展和可升級，數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線需要兼容不同的總線產(chǎn)品。CAN總線作為一種可靠的、功能完善的、成本合理的遠程網(wǎng)絡(luò)通信方式被廣泛應(yīng)用于自動化控制領(lǐng)域，是國際上廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線之一，其應(yīng)用范圍遍及工業(yè)機器人和傳感器等領(lǐng)域，有必要設(shè)計NCSF與CAN的互操作接口設(shè)備。設(shè)計NCSF和CAN總線的通信網(wǎng)關(guān)，有利于增強NCSF與其它現(xiàn)場總線的兼容能力，擴展其應(yīng)用范圍。同時也為其它現(xiàn)場總線與數(shù)控同步現(xiàn)場總線互聯(lián)的軟硬件結(jié)構(gòu)提供方案和技術(shù)參考。

1 相關(guān)工作

沈陽計算所牽頭制定的《機械電器設(shè)備開放式數(shù)控系統(tǒng)第三部分：總線接口與通信協(xié)議》中提出，開放式數(shù)控系統(tǒng)總線是用于連接系統(tǒng)裝置間的數(shù)字式、雙向、多點的通信系統(tǒng)，以ISO／OSI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)用層與用戶層行規(guī)組成。開放式數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、主軸驅(qū)動裝置、傳感器裝置、I／O裝置等組成，裝置間通過總線進行互操作，總線由站點、通信介質(zhì)與設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 開放式數(shù)控總線結(jié)構(gòu)

數(shù)控總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)只是一個規(guī)范，并未對具體的實現(xiàn)方法做規(guī)定。每個NCSF站點包括兩個網(wǎng)絡(luò)接121，它們通過雙絞線依次連成環(huán)形或線形，此種拓撲結(jié)構(gòu)可以有效避免總線式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)沖突，另外在總線的某一處出現(xiàn)異常時總線結(jié)構(gòu)可自動轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€線性的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種冗余的拓撲結(jié)構(gòu)，也進一步確保了通信的確定性和可靠性。

2 NCSF和CAN連接的總線拓撲結(jié)構(gòu)

NCSF支持環(huán)形和線性的結(jié)構(gòu)，而CAN是一種多主式的串行通信總線。本文中設(shè)計一個特殊的NCSF從站，它具有兩個網(wǎng)口和一個CAN接口。此從站通過兩個網(wǎng)口連接在NCSF總線中，同時通過CAN接口和CAN總線進行相關(guān)的交互，其總線結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 NCSF與CAN互聯(lián)的總線拓撲結(jié)構(gòu)

圖2中NCSF總線的從站3負責(zé)NCSF-CAN之間的交互。此從站在普通NCSF從站的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)CAN總線的軟硬件支持。它把需要轉(zhuǎn)發(fā)到NCSF主站的CAN總線數(shù)據(jù)幀封裝到NCSF的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包通過NCSF的鏈路發(fā)送到主站，在NCSF的應(yīng)用層中把還原CAN的數(shù)據(jù)幀交給上層協(xié)議；另外當(dāng)主站需要發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時，主站把這個CAN數(shù)據(jù)幀封裝在NCSF數(shù)據(jù)幀中轉(zhuǎn)發(fā)到此從站，然后還原為CAN數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上，這樣的能夠?qū)崿F(xiàn)NCSFCAN之間數(shù)據(jù)交互的從站被稱為NCSF—CAN網(wǎng)關(guān)。

整個NCSF．CAN網(wǎng)關(guān)分為三部分：NCSF總線模塊、CAN總線模塊、NCSF-CAN數(shù)據(jù)幀封裝轉(zhuǎn)換模塊。NCSF．CAN數(shù)據(jù)幀封裝轉(zhuǎn)換模塊的主要工作是，在NCSF應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包中封裝或還原CAN數(shù)據(jù)幀；使得CAN數(shù)據(jù)幀能夠通過NCSF鏈路發(fā)往從站，同時也使得主站發(fā)往CAN總線的數(shù)據(jù)包能夠正確解析。

3 NCSF接口模塊與CAN接口模塊的設(shè)計

NCSF—CAN網(wǎng)關(guān)硬件由NCSF接口和CAN接口構(gòu)成。協(xié)議網(wǎng)關(guān)的主控芯片S3C2440是一款高性能低功耗處理器，其采用ARM920T內(nèi)核，全靜態(tài)的設(shè)計特別適合對成本和功率敏感型的應(yīng)用。

S3C2440有著豐富的片上資源，CAN總線控制芯片選用MCP2515，其通過串行外設(shè)接口(Serial PeripheralInterface，SPI)與S3C2440進行通信，NCSF接口選用DM9000。

3．1 NCSF總線接口模塊

NCSF使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的物理層，其接口電路使用普通的以太網(wǎng)接口芯片，同時為了保證數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)該選用100Mbit／s支持全雙工模式的芯片。圖3是從站的NCSF接口電路簡圖，圖中僅標(biāo)出芯片關(guān)鍵的引腳的連接。圖中DM9000的片選信號AEN連接在nGCS4上，表明此接口DM9000的起始地址為0x20000000，使用7號外部中斷腳EINT7，DM9000的內(nèi)部存儲空間的基地址為300H。

圖3 NCSF接口電路簡圖

需要特別指出的是DM9000的SD0一SDl5引腳是數(shù)據(jù)和地址的復(fù)用引腳。當(dāng)CMD為低電平時，數(shù)據(jù)線為地址端口，否則為數(shù)據(jù)端口。DM9000的地址寄存器端121地址為Ox20000000，數(shù)據(jù)寄存器的端口地址為0x20000004。由此訪問片上特定的寄存器時要先寫地址再讀寫數(shù)據(jù)，下面是DM9000驅(qū)動程序讀其內(nèi)部寄存器的函數(shù)實現(xiàn)。