浅谈高速数控现场总线物理层的研究

1 前言

　　现场总线以其高速、实时、稳定、费用低廉等优点得到越来越广泛的应用，迅速发展成为工业控制网络中使用最广泛的通信网络。现场总线技术的迅速发展，引起了数控系统结构的改变，数控系统已从简单的运动轨迹控制器转变成贯穿数字化制造全过程的系统级平台，基于现场总线技术的数控系统已进入成熟阶段。现场总线以数字通信代替了传统模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接自动化控制设备和现场设备的数字式、多节点、双向、串行的通信系统。由于商业利益的驱使和地域发展状况的不同以及各种经济社会的复杂原因，数控现场总线从产生到蓬勃发展，始终未能建立统一的国际标准，处于多种标准共存，相互竞争、百家争鸣的格局。目前国际上存在多种数控现场总线及标准，如 SERCOS 总线、Profibus 总线、EtherCAT 总线、NCSF 总线、MECHATROLINK 总线等。在国内，中国首部数控总线国家标准--GB/T18759.3-2009《开放式数控系统 第3 部分：总线接口与通信协议》，在2009 年发布。它们的通信协议及数据交换接口完全不同、存在很大的差异性，因而它们的相关产品互不兼容，这使得 CNC 系统的功能扩展、测控产品的更新换代以及用户的选择等都受到了限制，只能使用原有总线的相关产品。开发基于数控现场总线技术的全数字式数控系统是目前国际高档数控系统的发展趋势。全数字式数控系统也是一种开放式数控系统，要求具有可互换性、可伸缩性、可移植性、可扩展性、可互操作性等特点。本文结合广州数控的GSK-LINK 协议，论述高速现场总线的物理层研究。

2 总线协议模型

　　基于总线接口与通信规范的设计要求，参考 ISO/OSI 开放式系统互联模型，GSKLINK 采用层次化体系结构，由主要由物理层、数据链路层、应用层、用户层、 表示层、会话层6 层组成，如表 1 所示。本数控总线结构模型采用协议栈思想在现有底层的基础上，对各总线协议进行了面向应用的扩展，协议栈内存放着各种总线，通过向上层提供统一的服务接口，屏蔽各种总线的差异，系统设计完全在主站上依靠软件来实现，从站不需做任何改变，同时参考现场总线协议模型，以开放系统互连参考模型为基础，并对其加以改造，由物理层、数据链路层、应用层行规组成。

表1 数控总线协议模型

　　(1)用户层行规

　　总线网络的应用进程，以数据结构形式给出用户命令，包括通信管理命令、装置控制命令、运动控制命令以及 I/O 控制命令。

　　(2)应用层

　　包括应用层服务和应用层协议2 方面。应用层服务为用户层行规提供服务；应用层协议规定应用层数据规范和服务状态机以及与协议的映射、封装和差错控制。

　　(3)数据链路层

　　分为抽象数据链路层和实际数据链路层2 个子层。ADLL 为应用层和 RDLL 提供转换。RDLL 是制造商和用户可选的现有标准数据链路层，不作具体规定，只提出可选时的要求。

　　(4)物理层

　　与实际数据链路层一样，只提出了可选时的要求。

3 GSK-LINK 的物理层研究

　　GSK-LINK 是广州数控自主研发的高速总线协议，兼容国家总线标准，其物理层接口模块，包括主站模块和从站模块。实现以光纤作为物理介质，采用环形拓扑结构和一主多从工作方式的高速伺服总线技术。GSK-Link 采用通用以太网的物理层芯片PHY，MAC 采用FPGA 实现，传输媒介采用超5 类非屏蔽双绞线，周期数据能在主站和从站之间传输，非周期数据可以在任意站点之间传输。GSK-Link 采用环型（图1）、单线型（图2）、双线型（图3）兼容的拓扑结构，总线拓扑如图4 所示，总线作为单线形拓扑时，另一个端口可以由处理器选择与局域网互联，高速运动控制总线的硬件由主站、从站和超五类双绞线组成，CNC 系统作为主站，伺服单元作为从站，主站与从站及从站之间都通过超五类双绞线连接。主站采用“DSP（应用层）+ FPGA（数据链路层） + PHY 及超五类双绞线收发（物理层）”的方式。从站采用“DSP+ FPGA（数据链路层） + PHY 及超五类双绞线收发（物理层）”。用FPGA 实现工业控制专用的MAC 控制器来满足高速现场总线的要求，同时还要完成两个以太网物理层控制芯片之间的数据对接及其它通信协议。主站和从站都有两个以太网接口，每个以太网接口都在全双工的通信模式下工作，各个单元通过超五类双绞线连成一个环形通路可实现单路、双路通信。GSK-LINK 高速总线通信协议具有100M 的传输速度，能支持64 个伺服，时钟同步性少于100ns，误码率是10-11，到达国内的先进水平。

图4 高速现场伺服总线的体系结构

4 总结

　　现场总线兼容技术是当前现场总线技术的一个重要发展方向，实现一个数控系统中兼容多种总线，屏蔽各总线的差异具有重要的意义。本文主要介绍GSK-Link 现场总线的物理层研究，GSK-LINK 可以轻易实现车间设备级任意连接，双层的网络结构使得系统未来可以想象的空间巨大。