光纖通信在數(shù)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)

1 概述：

數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)，同時(shí)也是提高國家綜合國力和國防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)。隨著數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)及各種制造技術(shù)的發(fā)展，提高數(shù)控系統(tǒng)的靈活多變性，可擴(kuò)展性，可移植性、互操作性、互交換性、可重用性已成為迫切的需要。為此，世界各先進(jìn)工業(yè)國家紛紛將研制開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)列入重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，為適應(yīng)這一發(fā)展態(tài)勢，及進(jìn)一步提高工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化，數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必將成為未來數(shù)控技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。而解決在這類網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)，高可靠地傳輸，是構(gòu)成數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)核心問題。本論文將根據(jù)這網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)集中介紹如何用光纖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的高速高可靠傳輸。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的特點(diǎn)：

目在數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)用的協(xié)議有SERCOS（Serial Real-time Communication System）和HSB (Highspeech Serial Bus)等。


圖1 SERCOS 網(wǎng)絡(luò)拓樸

SERCOS 接口的控制器可以根據(jù)需要接上一個(gè)或幾個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)。圖1 的拓樸圖只是一個(gè)例子，由其拓樸結(jié)構(gòu)也可以看出，它糅合使用了主從結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。HSB 的拓樸結(jié)構(gòu)相對SERCOS 要簡單些。它主要是主從式結(jié)構(gòu)。由于數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，它對底層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信要求比較高，必須保證高實(shí)時(shí)性和高可靠性的要求。例如CNC(Computer Numeric Controller)控制器主機(jī)單元和插補(bǔ)軸單元、驅(qū)動(dòng)單元等的連接，這類控制器具有ms 級的較短控制周期，同時(shí)要求較高的通信可靠性，通信錯(cuò)誤將導(dǎo)致較嚴(yán)重的后果，如加工零件的報(bào)廢等。為了在工廠那種比較惡劣的環(huán)境中確保這些要求的滿足，構(gòu)成的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)得用光纖。

這類高實(shí)時(shí)性、高可靠性的底層設(shè)備間典型的通信周期是1～5ms 之間，典型的有效通信數(shù)據(jù)量在500～2000bit 之間。以上特點(diǎn)決定了CNC控制器通信存在短周期、短數(shù)據(jù)幀等特點(diǎn)，所以在物理層用VHDL在FPGA 上設(shè)計(jì)點(diǎn)對點(diǎn)通信模塊時(shí)，必須考慮到這些基本的要求。不管是構(gòu)成 SERCOS 還是HSB 網(wǎng)絡(luò)，為了能夠擴(kuò)展更多的結(jié)點(diǎn)，點(diǎn)對點(diǎn)的有效位速度都應(yīng)該不小于4M，雖然組網(wǎng)要求的有效位速率大于4Mbps，但是由于協(xié)議本身的開銷，以及為了保證高可靠性而必須的通信冗余量，這類網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際通信位速率要遠(yuǎn)大于有效位速率。其通信效率保守估計(jì)只有15％～30％。

3 光纖通信在數(shù)控網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)

不管是 SERCOS 還是HSB 結(jié)構(gòu)的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)經(jīng)過仲裁從站獲得總線控制權(quán)后，主站跟從站的通信就是點(diǎn)對點(diǎn)的通信。所以依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的高實(shí)時(shí)、高可靠光纖通信是基本環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)是在物理層來實(shí)現(xiàn)的。

在物理層點(diǎn)對點(diǎn)通信的外圍接口模型如下：



圖2 外圍接口模型

該模塊是用VHDL 語言在FPGA 中實(shí)現(xiàn)的。它的功能是將在數(shù)據(jù)鏈路層打包好的數(shù)據(jù)幀編碼后通過光纖傳送到總線上去，以及從總線上接收串行的數(shù)據(jù)解碼后交給數(shù)據(jù)鏈路層。物理層的主要工作幾乎都由該模塊來實(shí)現(xiàn)。

該模塊的具體任務(wù)包括：與數(shù)據(jù)鏈路層接口、與光纖收發(fā)器的接口、數(shù)據(jù)的編解碼、數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過采樣或數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)字對齊等功能。

1）：與鏈路層接口：

Outport[15..0]:要發(fā)送到總線中的十六位數(shù)據(jù)，低八位是高八位數(shù)據(jù)的地址。

inport[15..0]:從總線中接受到的十六位數(shù)據(jù)， 低八位是高八位數(shù)據(jù)的地址。

senddata：發(fā)送數(shù)據(jù)信號，當(dāng)給它一個(gè)跳變時(shí)，outport 中數(shù)據(jù)將進(jìn)行CRC、4b/5b 編碼，然后從data_out中串行發(fā)送。

Ack_y:當(dāng)接收到一個(gè)對方發(fā)送過來的，表明對方已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)的握手信號時(shí)，它會(huì)發(fā)生一次跳變。

Ack_n:當(dāng)接收到一個(gè)對方發(fā)送過來的，表明對方?jīng)]有正確接收到數(shù)據(jù)的握手信號時(shí)，它會(huì)發(fā)生一次跳變。

Receive_ok：當(dāng)接收到對方發(fā)來的數(shù)據(jù)并且crc 校驗(yàn)正確后，它會(huì)有一個(gè)跳變，同時(shí)把數(shù)據(jù)從inport端口輸出，給對方發(fā)送一個(gè)接收正確的握手信號幀。當(dāng)接收的數(shù)據(jù)沒有通過crc 校驗(yàn)時(shí)，receive_ok 不變，數(shù)據(jù)不輸出，只給對方發(fā)送一個(gè)接收錯(cuò)誤的握手信號幀。

2）：與光纖的接口：

data_in:發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。

data_out:接收的串行數(shù)據(jù)。

3）：數(shù)據(jù)編解碼：

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先用 4b/5b 編碼，然后用CRC 編碼；接收數(shù)據(jù)時(shí)，則反過來，先用CRC 解碼，然后用4b/5b 解碼。本模塊采用的循環(huán)碼生成多項(xiàng)式是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的CRC-16。

4）：數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換：

將 outport 中十六位數(shù)據(jù)編碼后串行輸出，從光纖總線中接收到的串行數(shù)據(jù)解碼后在inport 中并行輸出。

5）：數(shù)據(jù)過采樣或數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)：

在異步通信模式下，需要用采樣辦法將介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行0、1 判決，以生成接收端數(shù)據(jù)，由于異步模式下缺乏發(fā)送端的相位信息，難以保證采樣點(diǎn)位于數(shù)據(jù)的中間位置，即通信“眼圖”的中部，該處的數(shù)據(jù)有足夠的保持時(shí)間，是最佳判決點(diǎn)，因此在接受端采用過采樣的方法，每個(gè)bit 的數(shù)據(jù)周期內(nèi)，采樣數(shù)據(jù)5 次，且在數(shù)據(jù)發(fā)生0－>1 的變化時(shí)開始采樣，取最中間的采樣結(jié)果作為該次采樣的結(jié)果。發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式如下：



發(fā)送的幀的類型有：數(shù)據(jù)幀、握手幀（接收正確的握手幀和接收錯(cuò)誤的握手幀），所以在該模塊中必須要解決好它們的互斥和優(yōu)先級的問題。在本模塊中是用狀態(tài)機(jī)的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的：給數(shù)據(jù)幀、接收正確握手幀、接收錯(cuò)誤握手幀分別給個(gè)標(biāo)志位：sign_data、sign_ack_y、sign_ack_n。當(dāng)有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，sign_data置1。當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)幀時(shí)，sign_data 復(fù)位為0，握手幀也一樣，模塊的狀態(tài)為：idle、SendingAck_y、SendingAck_n、SendingData，它們的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)關(guān)系如下：



圖3 狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)圖

從跳轉(zhuǎn)關(guān)系圖也可以看出，當(dāng)同時(shí)有握手幀和數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，是先發(fā)送握手幀的，這是因?yàn)槲帐謳绕饠?shù)據(jù)幀來要短得多，所以先發(fā)送它能提高整體傳輸效率。數(shù)據(jù)鏈路層對該模塊的操作是：把要發(fā)的數(shù)據(jù)幀發(fā)給ouport 端口，然后給senddata 一個(gè)跳變沿，此信號為開始發(fā)送信號。如果收到ack_y 握手信號，則發(fā)下一幀數(shù)據(jù)，如果接收到ack_n 握手信號，表示發(fā)送失敗，則重發(fā)，如果在合理的時(shí)間內(nèi)沒接收到握手信號，則定義為超時(shí)，也重發(fā)，如果重發(fā)了三次還是失敗，則用中斷方式通知系統(tǒng)，通信失敗。這樣就能保證數(shù)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確可靠。不會(huì)出現(xiàn)因某幀數(shù)據(jù)傳輸失敗而導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果，比如工件的報(bào)廢。



4 仿真

該仿真用的采樣時(shí)鐘是100M（用quartusII 綜合出來后實(shí)際的采樣時(shí)鐘還可以更高），從結(jié)果可以看出：從senddata 跳變把outport 的數(shù)據(jù)鎖存，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到接收到握手信號的周期是1.15us，在這十六位數(shù)據(jù)中，低八位是地址，高八位才是有效數(shù)據(jù)，所以其有效位速率為6.95M，該有效速度完全能滿足數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的要求。雖然這是仿真結(jié)果，但在實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)的效果跟它是一樣的，該光纖通信模塊在實(shí)際系統(tǒng)中的調(diào)試已經(jīng)結(jié)束。

5 結(jié)束語

在工廠自動(dòng)化越來越高的今天，用光纖構(gòu)成的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必將大大提高中國企業(yè)的核心競爭力。為中國企業(yè)全面參與國際競爭提供技術(shù)質(zhì)量保證。