基于Gsk-Link 的現場總線通訊技術方案研究

何英武， 戴朝永， 陳妙玲

（廣州數控設備有限公司， 廣東 廣州 510530）

0 引言

現場總線是連接各數控設備的橋梁， 它在工業智能制造中發揮著重要的作用。 在這個日新月異的科技發展時代，對現場總線也提出了更高的要求，在通訊周期數據以及非周期數據通訊量需求更大， 同時連接從站站點需要支持更多、 每從站的周期通訊的數據長度要求可單獨設置，站點的故障診斷更精準化。 GSK-Link 現場總線[1-3]是廣州數控設備有限公司（以下簡稱廣數）擁有自主知識產權的現場總線，GSK-Link 新技術方案正是為滿足這些新的需求而設計的。

1 物理層設計

基于GSK-Link 現場總線的新技術方案是采用通用以太網[4]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。 新技術方案采用環型、單線型、雙線型兼容的拓撲結構，總線拓撲如圖1 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。 主站與從站內的通信模塊結構如圖2 所示。

圖1 拓撲結構

圖2 通信模塊結構

2 總線報文設計

2.1 電報類型

總線包含同步電報（Master Sync Telegram，簡稱MST）、編址電報（Address Assign Telegram，簡稱AAT）、延時測試電報（Time-lapse Test Telegram，簡稱TTT）、主站數據電報 （Master Data Telegram， 簡稱MDT） 和普通數據電報（General Data Telegram，簡稱GDT）五種電報類型進行數據通訊[6]。

2.2 報文基本結構定義

新技術方案的Gsk-Link 現場總線報文結構包括目的地址、源地址、控制字、幀長度、數據域及CRC 等六部分組成，如圖3 所示。

圖3 報文基本結構

地址域包括目的地址和源地址，其中主站地址為0，廣播地址為255（只有主站有權發廣播），從站地址為1-254。控制字的字節長度是2 字符，每個位代表不同的意義。

2.3 報文類型結構定義

2.3.1 MST 報文結構

MST 的報文結構如圖3 所示， 目的地址是255 （廣播），源地址是0（只有主站有權發送同步報文），幀長度是10，控制字是0x9X00（如：0x9800 或0x9900），數據域是4 字節的時間參數。

該報文在每個周期開始時發送一次0x9800， 每個從站收到該報文后根據從站本身的傳輸延時來更新時鐘計數器，保證主從站時鐘計數器同步。 如是線形拓撲結構，最后一個從站把控制字改為0x9900 往回發送，將不更新同步時鐘計數器， 主站接收到此數據幀得知該拓撲結構為線形連接。

2.3.2 AAT 報文結構

AAT 的報文結構如圖3 所示， 目的地址是255 （廣播），源地址是0（只有主站有權發送同步報文），幀長度是10，控制字是0xAXXX，數據域是4 字節的無關數據。

該報文在總線初始化時由處理器控制主站發送，每個從站收到該報文后根據控制字的12～8 位來改變7～0位的數據發送出去，并以7～0 位的數據作為從站的地址。可以配置成環形、正向單線形、反向單線形、雙線形。如圖4 所示。

圖4 編址類型

2.3.3 TTT 報文結構

TTT 的報文結構如圖3 所示，目的地址是255（廣播），源地址是0（只有主站有權發送同步報文），幀長度是10字節，控制字是0xBX00，數據域是4 字節的主站計數器發送時間。

該報文在總線初始化時由處理器控制其發送， 每個從站收到該報文后根據控制字的12～8 位來記錄從站的時鐘計數器，延時時間=（（M_OT-M_ST）-（N_ST-N_BT））/2；或延時時間= （N_ST-N_BT）/2。 環形、正/反向單線形計算延時時間如圖5 所示。

圖5 從站計算延時時序

2.3.4 MDT 報文結構

MDT 的報文結構如圖6 所示，目的地址是255（廣播），源地址是0 （只有主站有權發送同步報文）， 幀長度小于2000，控制字是0xC800 或0xC900，數據域是MDT 數據。

圖6 MDT 報文結構

2.3.5 GDT 報文結構

GDT 的報文結構如圖7 所示， 目的地址是主站或從站，源地址是發送GDT 的主站或從站地址，幀長度為12～1000 字節，GDT 應答幀時為10 字節， 控制字的內容是0xD8XX 或0xD9XX 或0xDAXX， 數據域是GDT 數據幀時，6 個字節的數據控制字加非周期數據；GDT 應答幀時為4 字節的站點時間值。

圖7 GDT 報文結構

3 工作時序設計

新技術方案的Gsk-Link 現場總線工作時序見圖8。

圖8 總線工作時序

（1）Tscyc：通訊周期時間，保留2 次重傳時間最小值為100μS。 ①MST 時間=（2+14）×8clk=112clk=1.28μS；②MST 與MDT 的間隔時間=64clk=0.64μS； ③MDT 時間=（2+10+6×n）×8clk，n 為從站數，10 為從站MDT 的數據長度 （最 短 為4）； ④MDT 與GDT 的 間 隔 時 間=64clk=0.64μS；⑤GDT 時間=（2+10+2+n）×8clk，n 為GDT 電報的數據長度；⑥GDT 應答時間=（2+14）×8clk=1.28μS；⑦從站延時時間=n×32clk，n 為從站個數； ⑧每個周期的非傳輸時間間隔5μS。

（2）t1：t1 的時間設置是為了MST 開始傳輸時， 通信環路處于空閑狀態，該時間必須大于5μS。 當時間處于通訊周期的結束區域，且時間小于5μS 時，所有站點丟棄正在傳輸的數據，等待MST 指令的到來。

（3）t2：MDT 幀完成傳輸時間，小于最大傳輸時間。

（4）t3：最大開始傳輸時間。

4 總線偶發故障診斷設計

總線診斷除基本的初始化錯誤狀態外， 進入正常通信后，各個從站在判斷接收到狀態字時，首先判斷狀態字值，當是有效MDT 狀態時，有效MDT 寄存器計數加1；當是無效MDT 狀態時，無效MDT 寄存器加1；當是無MDT狀態時，無MDT 寄存器計數加1；當總線異常斷開時，保存有效MDT 寄存器、無效MDT 寄存器及無MDT 寄存器的數據。總線再次初始化成功后，把這三個寄存器的數據上傳到主站，主站通過收到各個從站的MDT 寄存器計數最終診斷出是哪一個從站出現故障， 這種診斷方法能夠快速準確的查找總線偶發性斷開的故障點[5]。 如圖9（a）表示主站與從站之間有故障， 主站連接從站的端口及主站連接從站的線有問題；圖9（b）表示從站1 與從站2 之間有故障，從站1 與從站2 的端口或連接線有問題。

圖9 總線工作階段故障時計數

5 總線場景應用

基于Gsk-Link 現場總線的技術方案已應用在GSK GR-C 工業機器人系統、GSK980TC3/TB3i 及GSK218MC系統中， 可以連接多軸伺服從站、I/O 從站和焊機卡從站等，可以根據不同的從站需求設置不同的周期數據長度，如多軸服伺可以設置為96 字節滿足同時6 軸伺服數據通訊、I/O 可以設置為32 字節， 可提供256 輸入輸出點及焊機卡從站可以設置為256 字節同一周期傳輸多組焊機的數據，同時滿足偶發性故障診斷需求，見圖10、圖11。

圖10 GSK RB-C 機器人系統Gsk-Link 應用

圖11 數控系統Gsk-Link 診斷

6 結束語

基于Gsk-Link現場總線的技術方案的設計， 解決了連接32 個以上從站的局限問題、 快速診斷Gsk-Link 偶發性斷網故障點問題、 焊機從站獲取256 字節的問題及單個從站多軸伺服數據傳輸的問題。通過在廣數的GSK GR-C 工業機器人系統、GSK980TC3/TB3i 及GSK218MC系統中的應用，驗證了基于Gsk-Link 現場總線的通訊技術方案的可行性。 本方案的實施可以有效地提升廣數的數控系統與機器人系統的產品在市場中的競爭力， 同時為現場總線技術設計與應用提供了參考。