淺談高速數控現場總線物理層的研究

1 前言

　　現場總線以其高速、實時、穩(wěn)定、費用低廉等優(yōu)點得到越來越廣泛的應用，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網絡中使用最廣泛的通信網絡。現場總線技術的迅速發(fā)展，引起了數控系統結構的改變，數控系統已從簡單的運動軌跡控制器轉變成貫穿數字化制造全過程的系統級平臺，基于現場總線技術的數控系統已進入成熟階段?，F場總線以數字通信代替了傳統模擬信號及普通開關量信號的傳輸，是連接自動化控制設備和現場設備的數字式、多節(jié)點、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濟社會的復雜原因，數控現場總線從產生到蓬勃發(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總線及標準，如 SERCOS 總線、Profibus 總線、EtherCAT 總線、NCSF 總線、MECHATROLINK 總線等。在國內，中國首部數控總線國家標準--GB/T18759.3-2009《開放式數控系統 第3 部分：總線接口與通信協議》，在2009 年發(fā)布。它們的通信協議及數據交換接口完全不同、存在很大的差異性，因而它們的相關產品互不兼容，這使得 CNC 系統的功能擴展、測控產品的更新換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產品。開發(fā)基于數控現場總線技術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。本文結合廣州數控的GSK-LINK 協議，論述高速現場總線的物理層研究。

2 總線協議模型

　　基于總線接口與通信規(guī)范的設計要求，參考 ISO/OSI 開放式系統互聯模型，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、用戶層、 表示層、會話層6 層組成，如表 1 所示。本數控總線結構模型采用協議棧思想在現有底層的基礎上，對各總線協議進行了面向應用的擴展，協議棧內存放著各種總線，通過向上層提供統一的服務接口，屏蔽各種總線的差異，系統設計完全在主站上依靠軟件來實現，從站不需做任何改變，同時參考現場總線協議模型，以開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(guī)組成。

表1 數控總線協議模型

　　(1)用戶層行規(guī)

　　總線網絡的應用進程，以數據結構形式給出用戶命令，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)應用層

　　包括應用層服務和應用層協議2 方面。應用層服務為用戶層行規(guī)提供服務；應用層協議規(guī)定應用層數據規(guī)范和服務狀態(tài)機以及與協議的映射、封裝和差錯控制。

　　(3)數據鏈路層

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

　　(4)物理層

　　與實際數據鏈路層一樣，只提出了可選時的要求。

3 GSK-LINK 的物理層研究

　　GSK-LINK 是廣州數控自主研發(fā)的高速總線協議，兼容國家總線標準，其物理層接口模塊，包括主站模塊和從站模塊。實現以光纖作為物理介質，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技術。GSK-Link 采用通用以太網的物理層芯片PHY，MAC 采用FPGA 實現，傳輸媒介采用超5 類非屏蔽雙絞線，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）兼容的拓撲結構，總線拓撲如圖4 所示，總線作為單線形拓撲時，另一個端口可以由處理器選擇與局域網互聯，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（應用層）+ FPGA（數據鏈路層） + PHY 及超五類雙絞線收發(fā)（物理層）”的方式。從站采用“DSP+ FPGA（數據鏈路層） + PHY 及超五類雙絞線收發(fā)（物理層）”。用FPGA 實現工業(yè)控制專用的MAC 控制器來滿足高速現場總線的要求，同時還要完成兩個以太網物理層控制芯片之間的數據對接及其它通信協議。主站和從站都有兩個以太網接口，每個以太網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)形通路可實現單路、雙路通信。GSK-LINK 高速總線通信協議具有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，到達國內的先進水平。

圖4 高速現場伺服總線的體系結構

4 總結

　　現場總線兼容技術是當前現場總線技術的一個重要發(fā)展方向，實現一個數控系統中兼容多種總線，屏蔽各總線的差異具有重要的意義。本文主要介紹GSK-Link 現場總線的物理層研究，GSK-LINK 可以輕易實現車間設備級任意連接，雙層的網絡結構使得系統未來可以想象的空間巨大。