基于以太網高速現場總線應用設計

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2019-08-24 15:39

本文摘要：摘要：結合數控機床行業對數據傳輸的需求，較全面地介紹一種基于以太網的高速現場總線通訊協議GSK-Link。GSK-Link總線物理層采用標準以太網(IEC802.3)的物理層，通信速率100Mbits/s，時鐘同步性小于100ns，支持環形和線形拓撲結構，具有免數據沖突檢測和全雙

　　摘要：結合數控機床行業對數據傳輸的需求，較全面地介紹一種基于以太網的高速現場總線通訊協議GSK-Link。GSK-Link總線物理層采用標準以太網(IEC802.3)的物理層，通信速率100Mbits/s，時鐘同步性小于100ns，支持環形和線形拓撲結構，具有免數據沖突檢測和全雙工通信數據鏈路層;支持主站在線待機冗余功能。是具有完全自主知識產權的工業以太網通訊協議。

　　關鍵詞：現場總線,工業以太網,伺服驅動

高速公路

　　0引言

　　在基于以太網的高速現場總線的數控系統體系結構中，高速現場總線成為控制單元和伺服系統之間的通訊接口，能夠實現控制單元和數字伺服驅動器及相關設備之間的實時數據通訊，能夠滿足高檔數控系統多通道、多軸聯動、高速納米級插補的需要[1-2]。但是，現有的多種通訊標準都過于復雜，開發難度大，授權費用高、核心技術均被一些國外廠商所控制，無法對總線協議進行改進和二次開發。為了適應我國數控技術的發展，國內廠家開發各自的總線接口技術，滿足開放式數控系統的需求。

　　本文針對以太網應用于數控系統的數字接口技術進行了深入研究，制定了基于以太網的高速現場總線通訊協議GSK-Link。GSK-Link總線協議作為一種應用于高速高精運動控制的總線協議，除了需要滿足普通網絡控制協議所要求的技術特性外，還具有工業以太網的特殊性能要求：實時性、可靠性和時鐘同步性。

　　1GSK-Link協議介紹

　　設計了用于數控行業的GSK-Link高速現場總線協議規范。GSK-Link協議采用“三層”現場總線參考模型：物理層、鏈路層、應用層。采用主從式的雙通道網絡結構，支持環形和線形拓撲結構。應用層協議主要借鑒了SERCOS-IEC61491[3]通訊協議，最終形成現有的GSK-Link的總線協議標準。

　　GSK-Link共定義了5種電報類型：主站同步電報MST、主站數據電報MDT、伺服電報AT、以及非周期數據電報GDT1和GDT2。主站通過數據通道向從站發送MST和MDT，從站在收到MDT后通過狀態通道向主站反饋AT，實現了帶有廣播同步電報的周期性通訊[4]。另外，根據實際需要在主站的控制下，完成主站到從站、從站到從站的非周期數據的交互。GSK-Link定義了完善的錯誤檢測、多次重發機制、總線診斷和安全報警機制。

　　結合CNC與伺服單元、I/O單元等通訊的具體需求，實施可行性高、風險低、節省CPU、RAM等硬件資源的目的，與國內外先進以太網總線技術相比，其硬件成本低廉，擁有自主產權，且非常適合數控機床加工特點。

　　GSK-Link的主要技術指標如下：(1)傳輸介質：超五類雙絞線，通信速率：100Mb/s;(2)最大從站數量：253個，節點間距：100m;(3)總線周期：100μs/64個伺服從站、8IN+8OUT，同步時間：100ns。

　　2GSK-Link硬件設計

　　GSK-Link現場總線協議規范標準定義了“三層”現場總線參考模型：物理層、鏈路層、應用層[5~6]。物理層采用標準以太網接口芯片(KS8721BL)，鏈路層協議采用FPGA實現(LatticeXP2-8E)，應用層協議在OMPL138/DSP28377S上實現。電路設計方案中采用了兩個相同的接口(SCR6)，以方便以太網總線級連，通訊接口使用脈沖變壓器(HX1188)，以提高以太網信號抗干擾能力。GSK-Link通過該硬件接口實現主從站數據交互，完成對伺服從站的參數上傳下載、實時位置、速度、轉矩控制等。

　　3GSK-Link軟件設計

　　GSK-Link總線物理層采用標準以太網接口芯片，鏈路層協議在FPGA上實現，應用層協議在OMPL138/DSP28377S上實現。GSK-Link總線協議的應用層充分的參考和吸收了國內外多種現場總線協議的技術優勢、結合控制單元、伺服單元與I/O單元等通訊的具體需求，把通訊階段劃分為兩部分：非周期通訊階段和周期通訊階段。非周期通訊階段是指主站和環路上所有從站在接通電源后，數據鏈路的建立過程。

　　主站通過GSK-Link總線掌控整個環路，這通信階段任務是：完成環路硬件檢測和拓撲結構判定、建立地址映射、測量環路延時、配置周期通信階段的通信參數、預設從站關鍵控制時間點、配置從站重要控制參數等。以流程圖的方式介紹了通訊建立的過程。周期通訊階段是指當環路中各個通訊站點完成CP5階段處理后，主站會發出一個含階段切換信息的MST時鐘同步報文，實現GSK-Link總線由非周期通訊階段向周期通訊階段的過渡。

　　進入周期通訊階段后，主站通過GSK-Link總線周期性的向從站發送相關控制信息，而從站也通過GSK-Link總線向主站反饋從站實時運行情況和狀態信息。來實現主站對從站的實時精確控制。如圖4所示為主/從站數據交換處理流程。

　　4GSK-Link站點同步性驗證

　　在通訊建立階段，GSK-Link總線自動完成總線的傳輸延時和時鐘初始偏移量的補償。在進入周期性通訊階段后，采用動態時鐘漂移實時補償機制，主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘的延遲偏移，保證網絡范圍內使用非常精確的、確定性的同步誤差時間基。是用示波器測量兩個從站的指令有效時刻中斷信號腳的同步誤差不超過100ns。

　　5GSK-Link數據報文可靠性

　　具有GSK-Link總線接口的控制單元、伺服驅動裝置和IO單元，在廣州數控實驗室進行機床連續加工運行超過5000h無通信出錯。下面列出了研發階段完成的對數據報文的實時性和可靠性的測試數據。使用儀器為德國倍福的ET2000以太網數據監控工具[7]。為主站處理周期/非周期數據時，主站在不同通訊周期下記錄的周期數據報文出錯數據(節點總數為5，從站周期數據域為8Byte)。

　　6GSK-Link應用

　　用于數控機床控制時，控制單元通常為一個專用數控系統，通訊主站集成在控制單元中，通訊從站既可以是伺服裝置，也可以是IO從站等具有GSK-Link接口的其他設備。

　　7結束語

　　本文基于以太網總線技術設計具有自主知識產權現場總線協議規范GSK-Link總線協議，滿足高檔數控系統多通道、多軸聯動、高速納米級插補的需要。并在廣州數控產品上進行了應用和可靠性驗證，通過了電磁兼容性驗證，符合國際標準IEC61000-4。整個測試過程由廣州數控下屬專業測試實驗室完成。由測試結果證明，GSK-Link協議性能優異，能夠適滿足自動化行業和金屬加工行業的高速現場總線需求和可靠性需求。

　　參考文獻：

　　[1]MaxFelser.Real-TimeEthernet——IndμstryProspective[J].ProceedingoftheIEEE.2005，93(6)：1118-1129.

　　[2]劉艷強.基于雙CAN總線的數字伺服通訊協議研究[D].北京：北京航空航天大學，2006.

　　[3]IEC61491.Electricalequipmentofindμstrialmachines-Serialdatalinkforreal-timecommunicationsbetweencontrolsanddrives[S].

　　[4]郇極.工業以太網現場總線EtherCAT驅動程序設計及應用[M].北京：北京航空航天出版社，2010.

　　[5]SERCOSInternationale.V.IntroductiontoSERCOS[R].Germany：PeterLutz，2009.

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