基于GSK-Link的遠程IO單元設計

■廣州數控設備有限公司 （廣東 510530） 于亞芹

基于GSK-Link的遠程IO單元設計

■廣州數控設備有限公司 （廣東 510530） 于亞芹

摘要：現場總線控制系統FCS是目前控制領域最新、最先進的控制系統。現場總線國際標準2000年頒布后，有力的促進了現場總線這種新的控制系統在國際上的研究和應用。本文介紹了基于廣州數控自主研發的GSK-Link工業總線的遠程IO單元的設計，對其硬件設計和通訊應用做了詳細說明，并對基于FCS的工業控制網的通信及體系的未來發展情況給出了展望。

1. 工業以太網總線技術

20世紀80年代中期，美國Rosemount公司開發了一種可尋址遠程傳感器(HART)通信協議。采用在4 ～20m模擬量上疊加一種頻率信號的調制/解調方式傳輸信號，屬于模擬系統向字系統轉變過程中的過渡產品，并且采用雙絞線實現信號傳輸。HART協議是真正工業現總線的雛形。隨后出現了Modbus、AnyBus、CAN、Profibus、Fieldbus、WorldFIP、P-NET、Works、INTERBUS、DNET、CNET、LIGHTBUS、MODBU及CC-Link等等工業現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的信網絡。它的關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式全數字通訊。現場總線是將自動化最底層現場控制器和現場智能儀表設備互連實現實時控制通訊的絡，遵循ISO/OSI國際標準化組織/開放系統互連參考模型(International Stananization/Open System Interconnect Reference Model)的全部或部分通訊協議。

廣州數控自主研發的GSK-Link工業以太網協議主要分為物理層，數據鏈路層和應用層3個層次，物理層與傳統以太網通用，速度為100Mbps，數據鏈路層根據機床行業的需要，主要負責完成向伺服從站和IO單元發送運行指令，接收各個從站的運行參數，并完成校驗和出錯重發。GSK-Link工業以太網可支持最多64個站點。GSK-Link所有從站之間的同步精度可達到20ns。

2. GSK-Link IO單元的原理設計

（1）數字量輸入輸出設計。IO單元是具有串行接口的IO模塊，通過GSK-Link接口與上位機通訊，可以為用戶提供多達200個通用的輸入和輸出接口。IO單元包括主板和IO板兩個部分，主板負責處理通訊，而輸入輸出信號的串行移位電路則放在IO板上，圖1是IO單元的整機原理框圖。主板采用1 片FPGA和1片M3內核的ARM，FPGA負責運行GSK -Link的數據鏈路層協議和輸入輸出數據的處理，ARM則負責應用層協議。

串行輸入移位芯片SN65HVS881的功能框圖如圖2所示。當LD為低時，8個輸入數據和3位校驗數據進入到移位寄存器，當L D為高時，數據按照節拍，每個CLK向右移動1位，直到全部數據都從SN65HVS881的SOP口移出到FPGA端口。SN65HVS881的優點是同時提供了輸入電流和電壓的檢測，當輸入電流大于4mA，電壓大于10V，才認為輸入有效，有效防止了干擾。

圖1　IO單元的整機原理框圖

下面的這段語句是與SN65HVS881接口的VERILOG實現，IN-WIDTH是輸入點的個數。當LD為1時，輸入數據按照時鐘節拍移位給FPGA并保存到din_shift_reg，當計數器計滿時，輸入移位寄存器dout_shift_reg已經全部為新的輸入數據，新的數據會保存到din _reg供上位機查詢。

always @(posedge clk or posedge reset)begin

if(reset)begin

din_shift_reg <= 0;

end else if(LD) begin

din_shift_reg <= {din_shift_reg[IN_WIDTH-2 : 0], SIP};

end else if(shift_cnt ==IN_WIDTH)begin

din _reg <= din_shift_reg;

end

end

輸出模塊的基本原理和輸入模塊相似，但過程正好相反。輸出移位芯片TPIC6A595的時序圖如圖3所示。當RCK為低時，待輸出的數據從SERIN依次移入TPIC6A595，每個SRCK上升沿數據移動1位，直到全部數據都從FPGA移入TPIC6A595，這時將RCK拉高，8個輸出數據被同時被送到TPIC6A595的8個輸出口，完成一輪輸出。串行輸出芯片TPIC6A595的優點是帶有短路保護，當輸出電流大于300mA時，輸出會立即斷開，極大的保證了電路的可靠性。根據客戶不同的需求，IO單元可以通過擴展IO板的方式增加輸入輸出點數。

圖2　SN65HVS881的功能框圖

圖3　TPIC6A595時序圖

下面的這段語句是與TPIC6A595接口的verilog實現，OUT_WIDTH是輸出點的個數。當計數器shift_cnt計數值為0時，輸出移位寄存器dout_shift_reg裝載新的輸出數據，之后開始移位，當計數器計滿時，輸出RCK為高，完成一輪輸出操作。

always @(posedge srck or posedge reset)begin

if(reset)begin

dout_shift_reg <= 0;

end else if( RCK && shift_cnt == 0) begin

dout_shift_reg<= dout_reg;

end else if(～RCK)begin

dout_shift_reg <= {dout_shift_reg[OUT_ WIDTH-2 : 0], 1’b0};

end

end

（2）模擬量輸出電路設計。本IO單元配有4路0～10V的模擬量輸出接口。采用2片AD公司的AD5722，使用菊花鏈方式連接。AD5722是雙通道12位的DAC，可以軟件編程輸出5V，10V，10.8V等多種電壓，內置1%精度的基準源，采用SPI接口。

3. IO單元的抗干擾設計

IO單元由于監控著機床上的很多動作部件，抗干擾設計尤為重要。基于GSK-Link的遠程IO單元在百兆以太網的接口設計上加入了充分的抗干擾措施。除了使用TI公司的高速TVS器件，在布板布線上也完全考慮了長距離線纜可能帶來的高共模干擾，比如在變壓器下面預留足夠的空間隔離干擾。經測試可達到靜電和脈沖群抗擾度國家4級標準。

4. IO單元組網的通訊實現

GSK-Link的傳輸媒介采用超5類雙絞線，物理層使用通用的百兆以太網的物理層芯片，比如KSZ8721等，MAC層則通過FPGA實現，負責將不同類型的數據包按照既定格式進行發送，并將接收

的數據包按照協議定義解析和保存。

GSK-Link的數據包大致分為周期數據和非周期數據兩大類。周期數據由主站的A口發出，B口返回，主要包含有每個周期電機的運行距離，輸入輸出數字量和模擬量；而非周期數據由主站的B口發出，A口返回，主要包含伺服的運行參數等。

IO單元的數據為周期數據，CNC主站每個通訊周期都會對輸出進行刷新，并詢問新的輸入數據。本文介紹的IO單元作為從站可以串接在GSK-Link環路中任意位置，節點間的網線長度最大100m。

對于主頻80MHz的ARM來說，GSKLink通訊周期可以達到1ms甚至更小，GSK -Link采用雙環的拓撲結構，總線拓撲如圖4所示。

圖中的CNC系統主站是指機床的數控系統，伺服單元用來驅動電機，IO模塊就是本文介紹的IO單元。GSK-Link工業以太網可支持最多64個站點。GSK-Link所有從站之間的同步精度可達到20ns。完全可以滿足機床行業的應用。

圖4　GSK-Link總線拓撲

5. 結語

基于GSK-Link的遠程IO單元使用起來方便靈活，擴展性強，目前已經量產，廣泛應用于機床，自動化生產線等領域。

隨著工業以太網的迅速發展，將來還會將網線升級為無線，比如通過工業wifi和藍牙的方式組網通訊，以實現更快的通訊速度和更靈活的組網方式。

收稿日期：（20150212）