劉 娜，王云寬，陸 浩，鄭 軍，谷曉華

（中國科學(xué)院 自動化研究所，北京 100190）

開放、通用的獨(dú)立運(yùn)動控制器成為國內(nèi)運(yùn)動控制器發(fā)展的趨勢。它不僅能適應(yīng)新的加工要求，而且還為與第三方技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行集成提供了可能[1]。國內(nèi)開放式運(yùn)動控制器主要依賴于計(jì)算機(jī)[2]，不依賴計(jì)算機(jī)的開放式運(yùn)動控制器，由于不同供應(yīng)商對開放性的理解不同，通?；诜菢?biāo)準(zhǔn)的接口和硬件[3]。

串行實(shí)時通訊協(xié)議SERCOS（serial real-time communication specification）是國際標(biāo)準(zhǔn)化的開放式運(yùn)動控制總線，其在運(yùn)動控制器上的應(yīng)用將使運(yùn)動控制器與符合SERCOS接口標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品無障礙互聯(lián)，同時大大提高了運(yùn)動控制器的性能，保證了高度實(shí)時性和同步，提高了系統(tǒng)的分布控制能力，是系統(tǒng)走向復(fù)雜化及智能化的保證[3]。目前國內(nèi)成熟的基于SERCOS的獨(dú)立運(yùn)動控制器很少，對SERCOS的研究也多為伺服從站的研究，因此SERCOS主站接口在獨(dú)立運(yùn)動控制器上的集成需要科研人員進(jìn)一步研究與推廣。

鑒于此，本文提出了在獨(dú)立運(yùn)動控制器上集成SERCOS主站接口的運(yùn)動控制器開放性方案，并從SERCOS概述、硬件模塊、軟件模塊出發(fā)，詳細(xì)分析了獨(dú)立運(yùn)動控制器上SERCOS主站接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，并給出了參考實(shí)例。

1 SERCOS概述

SERCOS協(xié)議嚴(yán)格定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及報(bào)文結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，不但可以傳輸周期數(shù)據(jù)，如電機(jī)控制指令，還可以傳輸非周期數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)參數(shù)。所有數(shù)據(jù)都以3種數(shù)據(jù)電報(bào)的形式進(jìn)行傳輸，分別為主站數(shù)據(jù)電報(bào)MDT、伺服電報(bào)AT和主站同步電報(bào)MST[4]。

SERCOS接口通過光纖將主從站連成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。一個環(huán)路上的主站理論上最多可以控制254個伺服裝置，而每個控制單元可控制多個環(huán)路，因此，使用SERCOS總線方便進(jìn)行分布式多軸控制[5]。

圖1 SERCOS接口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological structure diagram of SERCOS interface

實(shí)際應(yīng)用表明，SERCOS接口具有如下優(yōu)點(diǎn)：高度的實(shí)時性；高精度的同步；簡化了控制單元和伺服裝置的連接；簡化了控制硬件；數(shù)據(jù)分辨率更高，且傳輸無漂移，可用于遠(yuǎn)距離控制[6]。

實(shí)現(xiàn)協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可采用SERCOS接口芯片。常用的有SERCON410A、SERCON410和SERCON816。SERCON816是在SERCON410A和SERCON410B的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，性能和穩(wěn)定性更好。

2 SERCOS主站接口硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SERCON816作為接口控制芯片。運(yùn)動控制器的微處理器通過數(shù)據(jù)、地址、控制總線控制SERCON816的讀寫，并通過中斷信號響應(yīng)SERCON816的處理請求。運(yùn)動控制器的總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動控制器總體設(shè)計(jì)圖Fig.2 General layout scheme of motion controller

SERCOS主站接口硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是SERCON816電路設(shè)計(jì)，SERCON816關(guān)鍵電路原理圖如圖3所示，主要包括總線接口設(shè)計(jì)、中斷復(fù)位時鐘設(shè)計(jì)、串行接口設(shè)計(jì)。

2.1 總線接口設(shè)計(jì)

總線接口的設(shè)計(jì)主要是數(shù)據(jù)、地址、控制線的連接。 數(shù)據(jù)線為 D[15：0]，地址線為 A[15：0]，控制線主要是 ALEL、ALEH、BHEN、MCSN0、MCSN1、PCS1、ADMUX、BUSMODE0、BUSMODE1、BUSWIDTH 和BYTEDIR。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立的地址數(shù)據(jù)總線 （ADMUX=0，ALEL=1，ALEH=1），Intel總線模式（BUSMODE0=0，BUSMODE1=X），16 位寬數(shù)據(jù)總線（BUSWIDTH=1），D[7：0]傳輸?shù)妥止?jié)（BYTEDIR=0）。本設(shè)計(jì)只用于16位傳輸，A[0]和BHEN都接地。

SERCON816集成雙端口RAM和控制寄存器，本設(shè)計(jì)選用組合式片選方法，當(dāng)CS為低電平時，選中芯片，地址線A12用于區(qū)分訪問雙端口RAM和控制寄存器，A12為0時，訪問雙端口RAM，A12為1時訪問控制寄存器。

圖3 SERCON816電路圖Fig.3 Circuit diagram of SERCON816

2.2 中斷復(fù)位時鐘設(shè)計(jì)

SERCON816有 2個中斷輸出引腳，INT0和INT1，微處理器也可以通過查詢控制寄存器查詢中斷情況，本設(shè)計(jì)通過查詢方式檢查中斷反饋。

若使用硬件復(fù)位RSTN，需要使該引腳保持低電平至少50 ns，也可通過軟件復(fù)位實(shí)現(xiàn)復(fù)位，本設(shè)計(jì)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

SERCON816有2個輸入時鐘：SCLK和MCLK。SCLK時鐘頻率需為64 MHz，MCLK最高頻率允許為32 MHz，可以由SCLK進(jìn)行2分頻或4分頻得到，SCLK的2分頻或4分頻分別由引腳SCLK02和SCLK04輸出，可以將2個引腳的輸出作為MCLK的輸入，同時，為了使SCLK02和SCLK04有效，需將OUTZ引腳接地。

2.3 串行接口設(shè)計(jì)

SERCON816的數(shù)據(jù)傳輸率由引腳SBAUD和SBAUD16以及控制寄存器中的控制位決定，本設(shè)計(jì)選用4 M的數(shù)據(jù)傳輸率，對應(yīng)SBAUD設(shè)置為0，SBAUD16設(shè)置為1。

串行接口關(guān)鍵的功能之一是中繼器功能，其開閉由控制位REPON決定，該位的復(fù)位值由引腳TM0和TM1決定，本設(shè)計(jì)設(shè)置為TM0=1，TM1=1，即復(fù)位時中繼器打開，但是建立通信時主站中繼器應(yīng)關(guān)閉，防止主從站之間來回中繼。串行發(fā)送接口對應(yīng)引腳為TxD1～TxD6，用于輸出數(shù)據(jù)到串行發(fā)送器。串行接收接口對應(yīng)引腳為RxD，作為串行接收器的輸出。串行接口有幾個指示引腳：錯誤標(biāo)志引腳L_ERRN，接收標(biāo)志引腳RECACTN，發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志IDLE，可用于狀態(tài)指示。

串行接口連接的串行發(fā)送器和接收器采用收發(fā)一體的OCM3351，硬件連接方便且可靠，電路圖如圖4所示。

圖4 收發(fā)器電路圖Fig.4 Circuit diagram of transceiver

3 SERCOS主站接口軟件設(shè)計(jì)

上述硬件設(shè)計(jì)構(gòu)建了SERCOS協(xié)議的硬件環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，還需要在微控制器上編寫控制驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)SERCOS應(yīng)用層協(xié)議。SERCOS接口通訊過程的建立要經(jīng)過5個階段CP0～CP4。主站寫入階段信息到MST并發(fā)送給各從站，啟動新周期同步控制。在CP0段，主站發(fā)送MST檢查環(huán)路閉合情況，所有從站作為中繼器，若主站收到MST次數(shù)不小于10次，則表示環(huán)路閉合，可進(jìn)入CP1。在CP1段，主站分別發(fā)送MDT給每個從站用于識別對應(yīng)伺服，MDT中含有待識別伺服地址信息，控制對應(yīng)伺服的從站收到MDT后與自身控制伺服地址比較，若匹配則處理MDT，并在下一個周期發(fā)送AT應(yīng)答，沒有被尋址的伺服對應(yīng)從站作為中繼器工作，收到所有伺服的正確應(yīng)答后，可進(jìn)入CP2。在CP2段，主站配置伺服參數(shù)，過程類似CP1，參數(shù)配置好后，主站發(fā)送IDN127過程命令判斷配置是否正確，從站給出正應(yīng)答后可切換到CP3。在CP3段，主站傳輸運(yùn)行參數(shù)，廣播發(fā)送MDT，所有從站均會接收并處理MDT，提取屬于自己的數(shù)據(jù)，并在下一個周期發(fā)送AT應(yīng)答，最后主站發(fā)送IDN128過程命令檢查配置，配置正確則可切換到CP4。在CP4段，主站將指令寫入MDT并發(fā)送，從站將運(yùn)行反饋寫入AT并發(fā)送，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行。

本文從實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，給出一個具體的參考：控制1個從站，帶1個伺服，地址設(shè)置為1，伺服編號為0，使用服務(wù)通道0，數(shù)據(jù)傳輸率為4 M。本例有較強(qiáng)代表性，多個伺服控制可參考本例。

在通訊階段開始之前，要對控制寄存器和雙端口RAM進(jìn)行初始化。首先，設(shè)置要寫入IDN的參數(shù)，如表1所示。

表1 IDN參數(shù)Tab.1 IDN parameters

其次，對控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。主要需要確定與通信相關(guān)的參數(shù)，如表2所示。

表2 與通信相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters related to communication

最后，進(jìn)行雙端口RAM設(shè)置。RAM中包括的數(shù)據(jù)段有固定段、ATM段、MDTM段等。除了固定段用戶只能配置數(shù)值外，其他段在配置數(shù)據(jù)的同時還要配置地址。關(guān)鍵配置如表3所示。

參數(shù)均配置好后，就可以進(jìn)行通訊階段的初始化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正常通信了。每個階段的控制流程圖如圖5、圖6、圖7和圖8所示，按照程序流程圖依次實(shí)現(xiàn)通信階段及切換，就可以正常建立SERCOS通信。

表3 RAM配置Tab.3 Configuration of RAM

圖5 CP0～CP1階段流程圖Fig.5 Flow chart of CP0～CP1

圖6 CP1～CP2階段流程圖Fig.6 Flow chart of CP1～CP2

圖7 CP2～CP3階段流程圖Fig.7 Flow chart of CP2～CP3

圖8 CP4階段流程圖Fig.8 Flow chart of CP4

4 結(jié)語

應(yīng)運(yùn)動控制器發(fā)展的開放性、通用性趨勢，本文提出了在獨(dú)立運(yùn)動控制器上集成SERCOS主站接口的開放性方案，論文詳細(xì)介紹了SERCOS主站的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程，并重點(diǎn)分析了開發(fā)過程中易出現(xiàn)問題的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，給出了應(yīng)用實(shí)例。測試結(jié)果表明主站實(shí)現(xiàn)了對從站的有效控制。SERCOS在獨(dú)立運(yùn)動控制器上的集成在提高開放性的同時，大大提高了控制器性能，具有較好的實(shí)際價值和應(yīng)用前景。

[1] 張晉達(dá).基于DSP的運(yùn)動控制器的軟、硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[2] 徐遠(yuǎn)澤.基于DSP的運(yùn)動控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[3] 陳衛(wèi)福.開放式數(shù)控系統(tǒng)及SERCOS接口應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 張劍.基于SERCOS總線的數(shù)控系統(tǒng)高速數(shù)字通信技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[5] 王強(qiáng).基于SERCOS的開放式數(shù)字運(yùn)動控制器的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[6] 郇極.數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS驅(qū)動程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. ■