吳 超 江世琳 高 巖 李 俊 王聲文

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600)

數(shù)字伺服裝置的出現(xiàn)是運動控制設(shè)備發(fā)展史上一個重要的里程碑。采用數(shù)字伺服裝置，使所有指令值和實際值都能在一個微控制器內(nèi)完成。不但能實現(xiàn)傳統(tǒng)的扭矩環(huán)和速度環(huán)控制，而且能在極短時間內(nèi)完成精插補，實現(xiàn)位置環(huán)控制。與傳統(tǒng)的模擬伺服裝置相比，采用數(shù)字伺服裝置能獲得更高的加工速度和加工精度，且控制硬件簡單，系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本都大大降低。

伴隨著數(shù)字伺服裝置的發(fā)展，如何實現(xiàn)運動控制單元與數(shù)字伺服裝置/PLC IO點之間的數(shù)據(jù)通信成為一個關(guān)鍵問題。必須為運動控制單元和數(shù)字伺服裝置配置合適的數(shù)字接口，從而保證遵循此標準開發(fā)出的相關(guān)設(shè)備具有良好的互換性。

本文基于這種理念，設(shè)計了一種運動控制設(shè)備專用通信協(xié)議，其設(shè)計內(nèi)容包括:拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸線的組成、信號編碼格式、報文結(jié)構(gòu)、工作時序、接口初始化、周期數(shù)據(jù)的配置和傳輸、伺服運行模式的設(shè)置以及故障診斷和處理。

通過對本協(xié)議內(nèi)容的解析和應(yīng)用，可以建立起一套基于該協(xié)議的完善的運動控制體系。

1 協(xié)議設(shè)計原理

從簡化設(shè)計角度出發(fā)，本協(xié)議從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層2個方面進行定義，主要內(nèi)容包括:拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸線的組成、信號編碼格式、報文結(jié)構(gòu)、工作時序、非周期性數(shù)據(jù)傳輸、接口初始化、周期數(shù)據(jù)的配置和傳輸、伺服裝置運行模式的設(shè)置以及故障診斷和處理等。

2 拓撲結(jié)構(gòu)

針對運動控制系統(tǒng)的工作特點，本協(xié)議使用環(huán)路結(jié)構(gòu)作為最基本的拓撲，環(huán)路由協(xié)議設(shè)備和傳輸線組成，每個環(huán)路只有1臺主設(shè)備，其余都為從設(shè)備。各設(shè)備之間的物理層不做特殊定義，可采用以太網(wǎng)、光線，1394、USB通路介質(zhì)實現(xiàn)，標準暫時擬定采用以太網(wǎng)物理層實現(xiàn)，數(shù)據(jù)在傳輸線上單向流動。

圖1給出主設(shè)備(PC主機和PCI協(xié)議轉(zhuǎn)換卡)和從設(shè)備(全數(shù)字總線式伺服控制器)的連接形式。1臺主設(shè)備可以帶多臺從設(shè)備，目前設(shè)計最大可連入環(huán)路的從設(shè)備為24臺，并留有可擴展余地。

注意，雖然各臺從設(shè)備之間是通過5類雙絞線互聯(lián)的，但是各臺從設(shè)備之間不能直接進行數(shù)據(jù)通訊，從設(shè)備只能接收主設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)以及根據(jù)相應(yīng)命令作出相應(yīng)的反應(yīng)并返回數(shù)據(jù)。各臺從設(shè)備的地址，按照鏈路上的連接順序依次由低到高排列。

3 物理層

物理層位于通信系統(tǒng)的最低層，是整個通訊的基礎(chǔ)，為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊提供傳輸媒介(電纜、光纖等)及互聯(lián)設(shè)備(插頭、插座等)，為數(shù)據(jù)傳輸提供通路，負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸及相關(guān)的管理工作。

采用以太網(wǎng)物理層鏈路的傳輸媒質(zhì)定義如圖2所示。正向發(fā)送端的以太網(wǎng)物理層芯片，接收到上位控制芯片發(fā)送過來的標準數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)進行傳送。正向數(shù)據(jù)和反向數(shù)據(jù)同時發(fā)送，在從設(shè)備沒有出現(xiàn)故障的情況下，只使用正向數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)傳送，當遇到斷線或者其他從設(shè)備不能通信的故障時，反向數(shù)據(jù)起到回傳數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)作用，以供處理故障使用。

4 信號編碼格式

與所采用的物理層傳輸介質(zhì)和協(xié)議有關(guān)，目前支持以太網(wǎng)物理層、1394物理層、USB物理層。采用以太網(wǎng)物理層為例:在物理層完成4B－5B碼制轉(zhuǎn)換，5類雙絞線上實現(xiàn)差分曼徹斯特編碼傳輸。

5 報文基本結(jié)構(gòu)

在本協(xié)議中，所有的數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)電報的形式進行傳輸，本章將詳細介紹。

5.1 循環(huán)時序結(jié)構(gòu)

由圖3可以看出1個循環(huán)由2次有間隔的數(shù)據(jù)發(fā)送組成:962字節(jié)的數(shù)據(jù)幀和8字節(jié)的快速字節(jié)幀。其中，962字節(jié)的數(shù)據(jù)幀功能:主設(shè)備命令，主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的命令，從設(shè)備返回的數(shù)據(jù);8字節(jié)快速字節(jié)幀的功能:主設(shè)備發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)的同步使能。

結(jié)構(gòu)描述:962字節(jié)數(shù)據(jù)幀以16進制AA、BB作為起始字節(jié)，之后跟隨24臺從設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)幀，每臺設(shè)備分配40個字節(jié)空間。即，962=2+40×24。

5.2 從設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，從設(shè)備數(shù)據(jù)共分配40字節(jié)空間，其中前16字節(jié)是來自主設(shè)備的寫入數(shù)據(jù)，后24字節(jié)是返回到主設(shè)備的數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)部分數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖5所示，讀出部分數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。

6 接口初始化和從設(shè)備配置

上電后所有從設(shè)備的基地址都將置為F8H。

為了避免地址沖突，所有從設(shè)備以環(huán)形形式連接，也就是說配置前上位機只能訪問第一臺從設(shè)備。

配置的第一步是識別從設(shè)備，上位機訪問第一臺從設(shè)備，若上位機讀取了正確的ID碼。然后上位機給該從設(shè)備重新分配基地址。配置后該從設(shè)備釋放IDOUT信號，在上個基地址基礎(chǔ)上為下1臺從設(shè)備開始配置。

7 工作時序

圖3所示為1個循環(huán)的時序結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀的接收開始的頭字節(jié)為16進制數(shù)據(jù) AA和BB，然后是第零臺設(shè)備的第零個字節(jié)。以第2臺設(shè)備(物理地址是02)為例，在這臺設(shè)備將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到01個網(wǎng)口供下一級，當計數(shù)到2×40+2=82(52 HEX)時，開始接收(復(fù)制，但是同時轉(zhuǎn)發(fā))數(shù)據(jù)，計數(shù)到82+24=106(6A HEX)時，停止接收，開始向數(shù)據(jù)流填充數(shù)據(jù)。計數(shù)到106+24=138時，填充結(jié)束，恢復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)流結(jié)束。

然后主設(shè)備發(fā)送1個8字節(jié)的快速字節(jié)幀，從設(shè)備收到這個字節(jié)幀中對應(yīng)于自己位置的命令數(shù)據(jù)，鎖定數(shù)據(jù)幀傳過來的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

8 故障診斷和處理

協(xié)議定義了專門的數(shù)據(jù)位對系統(tǒng)電源電壓異常、編碼器斷線、鏈路斷路、通信數(shù)據(jù)錯誤、伺服裝置報警和PLC報警等都有相應(yīng)的檢測和處理。

9 結(jié)語

本協(xié)議詳細實現(xiàn)了一種用于運動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，具有實時、可靠、成本低以及結(jié)構(gòu)靈活的特點，可有效應(yīng)用于各種數(shù)控系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)線。

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