一種運動控制系統專用現場總線

吳 超 江世琳 高 巖 李 俊 王聲文

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600)

數字伺服裝置的出現是運動控制設備發展史上一個重要的里程碑。采用數字伺服裝置，使所有指令值和實際值都能在一個微控制器內完成。不但能實現傳統的扭矩環和速度環控制，而且能在極短時間內完成精插補，實現位置環控制。與傳統的模擬伺服裝置相比，采用數字伺服裝置能獲得更高的加工速度和加工精度，且控制硬件簡單，系統的復雜性和成本都大大降低。

伴隨著數字伺服裝置的發展，如何實現運動控制單元與數字伺服裝置/PLC IO點之間的數據通信成為一個關鍵問題。必須為運動控制單元和數字伺服裝置配置合適的數字接口，從而保證遵循此標準開發出的相關設備具有良好的互換性。

本文基于這種理念，設計了一種運動控制設備專用通信協議，其設計內容包括:拓撲結構、數據傳輸線的組成、信號編碼格式、報文結構、工作時序、接口初始化、周期數據的配置和傳輸、伺服運行模式的設置以及故障診斷和處理。

通過對本協議內容的解析和應用，可以建立起一套基于該協議的完善的運動控制體系。

1 協議設計原理

從簡化設計角度出發，本協議從物理層和數據鏈路層2個方面進行定義，主要內容包括:拓撲結構、數據傳輸線的組成、信號編碼格式、報文結構、工作時序、非周期性數據傳輸、接口初始化、周期數據的配置和傳輸、伺服裝置運行模式的設置以及故障診斷和處理等。

2 拓撲結構

針對運動控制系統的工作特點，本協議使用環路結構作為最基本的拓撲，環路由協議設備和傳輸線組成，每個環路只有1臺主設備，其余都為從設備。各設備之間的物理層不做特殊定義，可采用以太網、光線，1394、USB通路介質實現，標準暫時擬定采用以太網物理層實現，數據在傳輸線上單向流動。

圖1給出主設備(PC主機和PCI協議轉換卡)和從設備(全數字總線式伺服控制器)的連接形式。1臺主設備可以帶多臺從設備，目前設計最大可連入環路的從設備為24臺，并留有可擴展余地。

注意，雖然各臺從設備之間是通過5類雙絞線互聯的，但是各臺從設備之間不能直接進行數據通訊，從設備只能接收主設備的命令和數據以及根據相應命令作出相應的反應并返回數據。各臺從設備的地址，按照鏈路上的連接順序依次由低到高排列。

3 物理層

物理層位于通信系統的最低層，是整個通訊的基礎，為設備之間的數據通訊提供傳輸媒介(電纜、光纖等)及互聯設備(插頭、插座等)，為數據傳輸提供通路，負責數據傳輸及相關的管理工作。

采用以太網物理層鏈路的傳輸媒質定義如圖2所示。正向發送端的以太網物理層芯片，接收到上位控制芯片發送過來的標準數據，將該數據轉化成串行數據進行傳送。正向數據和反向數據同時發送，在從設備沒有出現故障的情況下，只使用正向數據進行數據傳送，當遇到斷線或者其他從設備不能通信的故障時，反向數據起到回傳數據，形成閉環作用，以供處理故障使用。

4 信號編碼格式

與所采用的物理層傳輸介質和協議有關，目前支持以太網物理層、1394物理層、USB物理層。采用以太網物理層為例:在物理層完成4B－5B碼制轉換，5類雙絞線上實現差分曼徹斯特編碼傳輸。

5 報文基本結構

在本協議中，所有的數據都是以數據電報的形式進行傳輸，本章將詳細介紹。

5.1 循環時序結構

由圖3可以看出1個循環由2次有間隔的數據發送組成:962字節的數據幀和8字節的快速字節幀。其中，962字節的數據幀功能:主設備命令，主設備發給從設備的命令，從設備返回的數據;8字節快速字節幀的功能:主設備發送的命令和數據的同步使能。

結構描述:962字節數據幀以16進制AA、BB作為起始字節，之后跟隨24臺從設備的命令和數據幀，每臺設備分配40個字節空間。即，962=2+40×24。

5.2 從設備數據結構

如圖4所示，從設備數據共分配40字節空間，其中前16字節是來自主設備的寫入數據，后24字節是返回到主設備的數據。寫入數據部分數據組織結構如圖5所示，讀出部分數據組織結構如圖6所示。

6 接口初始化和從設備配置

上電后所有從設備的基地址都將置為F8H。

為了避免地址沖突，所有從設備以環形形式連接，也就是說配置前上位機只能訪問第一臺從設備。

配置的第一步是識別從設備，上位機訪問第一臺從設備，若上位機讀取了正確的ID碼。然后上位機給該從設備重新分配基地址。配置后該從設備釋放IDOUT信號，在上個基地址基礎上為下1臺從設備開始配置。

7 工作時序

圖3所示為1個循環的時序結構。數據幀的接收開始的頭字節為16進制數據 AA和BB，然后是第零臺設備的第零個字節。以第2臺設備(物理地址是02)為例，在這臺設備將接收到的數據轉發到01個網口供下一級，當計數到2×40+2=82(52 HEX)時，開始接收(復制，但是同時轉發)數據，計數到82+24=106(6A HEX)時，停止接收，開始向數據流填充數據。計數到106+24=138時，填充結束，恢復轉發狀態，直到數據流結束。

然后主設備發送1個8字節的快速字節幀，從設備收到這個字節幀中對應于自己位置的命令數據，鎖定數據幀傳過來的數據，并執行相應操作。

8 故障診斷和處理

協議定義了專門的數據位對系統電源電壓異常、編碼器斷線、鏈路斷路、通信數據錯誤、伺服裝置報警和PLC報警等都有相應的檢測和處理。

9 結語

本協議詳細實現了一種用于運動控制系統的現場總線，具有實時、可靠、成本低以及結構靈活的特點，可有效應用于各種數控系統、柔性生產線。

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