周芳芳，唐小琦，宋 寶，謝星葵

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;2.深圳華中數(shù)控股份有限公司，廣東 深圳 518001)

基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

周芳芳1，唐小琦1，宋 寶1，謝星葵2

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;2.深圳華中數(shù)控股份有限公司，廣東 深圳 518001)

結(jié)合自主研發(fā)的HCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種可靠性高、通信速率高、控制簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，采用PHY芯片和FPGA共同作用的硬件平臺(tái)，結(jié)合模塊間的信號(hào)轉(zhuǎn)換要求和現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，將“脈沖量或模擬量接口”的伺服/主軸驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式，解決了“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動(dòng)器通信速率低、控制復(fù)雜，且不適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)葐?wèn)題。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置;NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線;數(shù)控系統(tǒng);現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引言

隨著數(shù)控機(jī)床高速高精加工的迅速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。目前大部分國(guó)外數(shù)控機(jī)床都應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，國(guó)內(nèi)也在積極開展這方面的研究與應(yīng)用，其中基于數(shù)控聯(lián)盟總線(NC Union of China Field Bus，NCUC-Bus)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)嶄露頭角。NCUC-Bus協(xié)議是應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，采用PHY+FPGA結(jié)構(gòu)模式，整個(gè)協(xié)議的處理都在FPGA中實(shí)現(xiàn)，能夠很好地滿足包含運(yùn)動(dòng)控制的工業(yè)自動(dòng)化控制的強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性要求，是發(fā)展高速、高精的數(shù)控系統(tǒng)必不可少的通信方式。

目前大部分國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝置與驅(qū)動(dòng)器之間采用的是脈沖量或模擬量的通信方式，這種通信方式速率低、控制復(fù)雜，且不適合長(zhǎng)距離傳輸，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)高速高精的通信要求，成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

本文針對(duì)脈沖量或模擬量通信存在的問(wèn)題，結(jié)合NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將信號(hào)和協(xié)議的處理在FPGA中實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合FPGA外圍電路的設(shè)計(jì)，將脈沖量或模擬量通信方式轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，解決了“脈沖量或模擬量接口”的驅(qū)動(dòng)器通信方式速率低、控制復(fù)雜，且不適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯?wèn)題［1-3］。

1 基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的硬件平臺(tái)

NCUC-Bus網(wǎng)絡(luò)是一種主-從式的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，環(huán)路中擁有一個(gè)主站設(shè)備(主站)和多個(gè)從站設(shè)備(從站)。主站與從站依次連接，形成環(huán)形或線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主站可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從站是數(shù)控系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器、PLC、I/O板等設(shè)備［3-4］。

NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)可以將現(xiàn)場(chǎng)總線接口的驅(qū)動(dòng)器直接作為從站，進(jìn)而控制電機(jī)，這類的驅(qū)動(dòng)器都是基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，而市面上大部分的“脈沖量或模擬量接口”的驅(qū)動(dòng)器不能直接串入NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)中，基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將“脈沖量或模擬量接口”的伺服/主軸驅(qū)動(dòng)器串入基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的硬件平臺(tái)

該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置將基于NCUC-Bus總線驅(qū)動(dòng)的輸入/輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動(dòng)器可以接收的輸入/輸出信號(hào)，將數(shù)控裝置與驅(qū)動(dòng)器之間的通信方式轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，提高數(shù)控系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)和高可靠性，滿足數(shù)控系統(tǒng)高速高精的通信要求。

2 基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)

基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置利用FPGA設(shè)計(jì)周期短，開發(fā)費(fèi)用低、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)處理在FPGA中實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合FPGA的外圍電路和接口實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置設(shè)置了兩個(gè)高密36接口，可以與兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器連接，同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置功能的實(shí)現(xiàn)，將其劃分為以下六個(gè)功能模塊，如圖2所示。

圖2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)

該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的六個(gè)功能模塊包括:2路電機(jī)編碼反饋信號(hào)輸入，碼盤反饋信號(hào)可以是絕對(duì)式或增量式，電機(jī)的碼盤反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)保護(hù)濾波、差分轉(zhuǎn)單、電平轉(zhuǎn)換處理后輸入到FPGA;12路數(shù)字量輸入和12路數(shù)字量輸出，都需要經(jīng)光電隔離和電平轉(zhuǎn)換后與FPGA連接;2路脈沖指令輸出，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿}沖指令，由 FPGA進(jìn)行轉(zhuǎn)換、位置環(huán)控制及選擇處理，通過(guò)單轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換為脈沖串和脈沖方向，對(duì)電機(jī)進(jìn)行位置控制;2路模擬量輸出，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈恢弥噶?，由FPGA采集進(jìn)行轉(zhuǎn)換及選擇處理，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換芯片和電平轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制;光纖通信接口，NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的通信接口采用PHY芯片和光纖收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn);FPGA芯片，F(xiàn)PGA是該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的核心部分，F(xiàn)PGA提供現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、信號(hào)的轉(zhuǎn)換及位置環(huán)的實(shí)現(xiàn)。該裝置使用的FPGA芯片為Altera公司的cyclone II EP2C80208芯片，通過(guò)Quartus II8.0進(jìn)行綜合、時(shí)序分析及布局布線。

基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置通過(guò)這六個(gè)功能模塊的相互連接和配合，將基于NCUC-Bus總線驅(qū)動(dòng)的輸入/輸出信號(hào)(包括位移/速度指令、編碼反饋信號(hào)以及相關(guān)輸入/輸出)轉(zhuǎn)換成“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動(dòng)器可以接收的輸入/輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置與驅(qū)動(dòng)器之間的現(xiàn)場(chǎng)總線通信。

3 基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的功能實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置功能主要在FPGA中實(shí)現(xiàn)。FPGA的硬件程序包括總線上傳/下載單元、碼盤信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、位置環(huán)控制單元、選擇單元、D/A控制單元、脈沖轉(zhuǎn)換單元、I/O轉(zhuǎn)換單元。如圖3所示。

輸入到FPGA中的碼盤反饋信號(hào)和I/O輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)碼盤信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和I/O轉(zhuǎn)換單元處理后，由總線上傳/下載單元上傳到現(xiàn)場(chǎng)總線中。

總線上傳/下載單元經(jīng)光纖接口下載脈沖指令、速度指令、I/O輸出指令。下載的脈沖指令可以通過(guò)脈沖轉(zhuǎn)換單元輸出，也可以通過(guò)位置環(huán)控制單元處理后轉(zhuǎn)換為速度指令;直接下載的速度指令和經(jīng)位置環(huán)控制單元處理后的速度指令通過(guò)選擇單元，選擇其中一種類型，經(jīng)D/A控制單元輸出;下載的I/O輸出指令經(jīng)I/O轉(zhuǎn)換單元輸出。

選擇單元可選擇模擬量的兩種類型，也就是速度控制的兩種應(yīng)用模式:第一種應(yīng)用模式，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，把網(wǎng)絡(luò)的速度指令直接通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出;第二種應(yīng)用模式，是在FPGA中實(shí)現(xiàn)位置環(huán)的控制，將網(wǎng)絡(luò)中的脈沖指令和碼盤的反饋信號(hào)通過(guò)位置環(huán)及D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，位置環(huán)的控制流程如圖4所示。

圖4 位置環(huán)控制流程圖

位置環(huán)的實(shí)現(xiàn)是將主站提供的脈沖指令和碼盤的反饋信號(hào)在FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制處理，最終轉(zhuǎn)換成模擬量形式對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制。前饋因子和位置環(huán)比例系數(shù)都可以根據(jù)具體的電機(jī)控制過(guò)程來(lái)確定，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置可以用于電機(jī)的位置控制和速度控制，速度控制具有兩種應(yīng)用模式。每種控制方式和應(yīng)用模式都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真測(cè)試，均符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 位置環(huán)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的邏輯框圖

4.1 基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的位置控制

將基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置用于位置控制時(shí)，主站可以設(shè)置位置指令的值，經(jīng)NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸后，由光纖接口下載到FPGA中轉(zhuǎn)換成脈沖串和脈沖方向，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換和單轉(zhuǎn)差分電路，從高密36接口輸出。輸出的脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，以脈沖的形式控制伺服驅(qū)動(dòng)器的位置。

實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)，主站設(shè)置第一路位置指令的值為200，第二路位置指令的值為-200，意義是1ms發(fā)送200個(gè)脈沖，第一路位置指令的方向?yàn)檎?，第二路位置指令的方向?yàn)樨?fù)。通過(guò)該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置信號(hào)處理后，脈沖串是頻率為200kHz的方波，第一路脈沖方向?yàn)檎?，輸?V左右的電壓，第二路脈沖方向?yàn)樨?fù)，輸出0V左右的電壓。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用Quartus軟件的SignalTap觀察兩路位置指令經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后的脈沖輸出的仿真圖形，如圖6所示。并用示波器觀測(cè)第一路脈沖指令在單轉(zhuǎn)差分電路處理后脈沖串的差分信號(hào)和脈沖方向的差分信號(hào)，即CP±和DIR±，如圖7所示。

圖6 兩路位置指令脈沖輸出的仿真圖形

圖7 脈沖串及脈沖方向的差分信號(hào)

4.2 基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的速度控制

將基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置用于速度控制時(shí)，主站可以設(shè)置速度指令的值，經(jīng)NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸后，由驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制。速度控制具有兩種應(yīng)用模式:第一種應(yīng)用模式，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，把主站設(shè)置的速度指令直接通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出;第二種應(yīng)用模式，是在FPGA中實(shí)現(xiàn)位置環(huán)的控制，將主站設(shè)置的位置指令和碼盤反饋信號(hào)通過(guò)位置環(huán)控制，轉(zhuǎn)換成速度指令，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。

(1)第一種速度控制模式

該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置應(yīng)用第一種速度控制模式控制電機(jī)，通過(guò)FPGA的JTAG接口，用Quartus軟件的SignalTap觀察的FPGA運(yùn)行的仿真圖，da_spd1及da_spd2是主站設(shè)置的兩路速度指令十六進(jìn)制顯示的數(shù)值，經(jīng)FPGA處理，轉(zhuǎn)換成D/A轉(zhuǎn)換芯片的控制信號(hào)，包括sclk、sync_n、clr_n、din、ldac_n，這5 個(gè)控制信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，輸入到D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5623，轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。具體仿真圖如圖8所示。

圖8 基于第一種速度控制模式下的仿真圖

(2)第二種速度控制模式

該驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置應(yīng)用第二種速度控制模式控制電機(jī)，通過(guò)FPGA的JTAG接口，用Quartus軟件的SignalTap觀察的FPGA運(yùn)行的仿真圖，pulse_num_net1是主站設(shè)置的位置指令，設(shè)置為100，data_out_num1是碼盤反饋信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)FPGA的位置環(huán)處理后，轉(zhuǎn)換為速度指令da_pos1，同樣經(jīng)FPGA處理，轉(zhuǎn)換成D/A轉(zhuǎn)換芯片的控制信號(hào)，包括sclk、sync_n、clr_n、din、ldac_n，這 5 個(gè)控制信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，輸入到D/A轉(zhuǎn)換芯片 AD5623，轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。具體仿真圖如圖9所示。

圖9 基于第二種速度控制模式下的仿真圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的基于NCUC-Bus現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，采用PHY芯片和FPGA共同作用的硬件平臺(tái)，并在FPGA外圍電路的配合下，將基于NCUC-Bus總線驅(qū)動(dòng)的輸入/輸出信號(hào)(包括位移/速度指令、編碼反饋信號(hào)以及相關(guān)輸入)轉(zhuǎn)成傳統(tǒng)伺服可以接收的輸入輸出信號(hào)，并在驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置中實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置環(huán)的控制，增加了驅(qū)動(dòng)器的控制效率，實(shí)現(xiàn)了將“脈沖量或模擬量接口”的伺服/主軸驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式，解決了“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動(dòng)器通信速率低，控制復(fù)雜，且不適合長(zhǎng)距離傳輸?shù)葐?wèn)題。

［1］張向利.基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009.

［2］顧超，宋寶，唐小琦.總線式數(shù)控系統(tǒng)中PCI接口控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［D］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011(3):279-281，297.

［3］數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(NCUC-Bus)數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范和服務(wù)定義(草案).

［4］殷哲波.基于FPGA的數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009.

［5］李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［6］Pinto，R.;Rufino，J.;Almeida，C.High availability in Controller Area Networks.IEEE EUROCON 2011-International Conference on Computer as a Tool.2011.

［7］趙艷華.基于Quartus II的 FPGA/CPLD設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［8］Yong Han Jeon，Jin Ho Kim，Suk Hyun Seo，et al.Design of configurable network controller between Ethernet and EtherCAT.Proceedings 2010 International Conference on Control，Automation and Systems.2010.

Implementation of Driving Signal Transmiter Based on Fieldbus NCUC-Bus

ZHOU Fang-fang1，TANG Xiao-qi1，SONG Bao1，XIE Xing-kui2
(1.School of Mechanical Science and Engineering，HuaZhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;2.Shenzhen Huazhong Numerical Control co.，ltd，Shenzhen Guangdong China)

Combined with the self-developed fieldbus NCUC-Bus protocol，a driving signal transmiter which is reliabile，high speed and easy control was designed.FPGA and the FHY chip were chosen to realize the hardware platform.And according to the requirement of the signal transition among modules and the features of the fieldbus，the servo/spindle driver which have the interface of pulse or analog was used in the communication of the fieldbus，and solved the problems of low speed，complicate control，and bad performance.

driving signal repeaters;fieldbus NCUC-Bus;numerical control system;field programmable gata array

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)02-0088-04

2011-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(20100192);國(guó)家自然科學(xué)基金(50875099);“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2010ZX04010-041)

周芳芳(1988—)，女，湖南邵東人，華中科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，(E-mail)zhouff5@126.com。

(編輯 趙蓉)