（机械电子工程专业论文）数字伺服控制系统sercos总线接口设计.pdf

摘要 摘要 目前，市场对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能性的制造系统的需 求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了模块化、可重 构、可扩充的开放式控制系统的产生。为了推动国内数控系统的开放性进程，本 课题对一种开放式运动控制总线- - s e r c o s 总线进行了研究，并设计出一种易于 嵌入到数字伺服控制系统中的s e r c o s 接口模块，以弥补国内在此方面的不足。 主要工作包括： ( 1 ) 构建s e r c o s 总线接口的总体框架，提出总体设计方案。方案将模块分成 三大部分：s e r c o s 总线通讯部分、伺服放大器接口部分和主控调度部分。为了 保证d s p 的运算控制、s e r c o s 控制器的自动传输以及外围器件的协处理有效， 对系统的运算速度、通信能力、转换精度等进行了评估，以满足性能上的要求。 ( 2 ) 以德州仪器公司2 0 0 0 系列的d s p 为核心，设计出s e r c o s 总线接口电路、 电机伺服控制接口电路和d s p 子系统电路。这些电路搭建出一个硬件平台，完成 了通讯系统、控制核心以及协处理单元间的电气连接，为接口模块功能的实现奠 定了基础。 ( 3 ) 根据s e r c o s 总线通讯的特点，使用c 语言，编写了通讯中断服务程序和 伺服放大器控制信号处理程序。程序模块包括服务通道中断程序、周期传输中断 程序、i 0 控制程序、位置、速度、力矩控制程序以及编码器反馈信号处理程序 等，各程序模块在主程序的调度下实现s e r c o s 通讯和伺服放大器控制功能。 数字伺服控制系统s e r c o s 接口模块软、硬件的研究与设计证明了国内有能 力研发出具有s e r c o s 接口的数控产品，这将有利于开放式控制系统在中国的发 展。 关键字开放式控制系统：s e r c o s 总线；数字伺服控制系统；d s p ；s e r c o n 8 1 6 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e m a n d sf o rm a n u f a c t u r es y s t e mt h a tf i t ss m a l lo r m o d e r a t eb a t c ho fm a c h i n i n g ，h a sg o o df l e x i b i l i t ya n dm u l t i f u n c t i o nh a v e b e e nm o r et h a nt h ed e m a n d sf o rb i ga n ds i n g l ef u n c t i o ns y s t e ms t e pb ys t e p i nt h em a r k e t t h i st r e n dc a u s e st h ea p p e a r a n c eo fo p e nc o n t r o ls y s t e m t h a th a sm o d u l a r i t y ，r e s t r u c t u r e dc h a r a c t e r i s t i ca n de x p a n s i b i l i t y f o r p r o m o t i n gt h eo p e np r o c e s so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fc h i n a ，a no p e n m o v e m e n tc o n t r o lb u ss e r c o sh a sb e e nr e s e a r c h e d a n da 、s e r c o si n t e r f a c e m o d u l et h a tc a ne a s i l ye m b e dad i g i t a ls e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n d e s i g n e dt om a k eu pt h el a c ko ft h i sf i e l di nc h i n a t h em a i nw o r ko ft h i s p a p e ri sb e l l o w ： ( 1 ) t ob u i l du pt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fs e r c o sb u si n t e r f a c e ，a n dp u t f o r w a r dag e n e r a ld e s i g np r o j e c t t h e r ea r et h r e ep a r t sf o rt h i sm o d u l e ： t h es e r c o sb u sc o m m u n i c a t i o n ，t h ei n t e r f a c et os e r v oa m p l i f i e ra n dt h e m a i nm a n a g e m e n t i no r d e rt om a k es u r et h ea v a i l a b i1it yo ft h ec a l e u l a t i o n o fd s p ，t h ea u t ot r a n s m i t i o no fs e r c o sc o n t r o l l e ra n dt h ec o p r o c e s s i n g o f p e r i p h e r i e s ，t h ec a l c u l a t i n gs p e e d ，c o m m u n i c a t i o na b i l i t y a n d t r a n s f o r mp r e c i s i o nn e e dt ob ee v a l u a t e dt om e e tt h ed e m a n d si nt h e c a p a b i l i t y ( 2 ) t od e s i g nt h ec i r c u i to fs e r c o si n t e r f a c e ，t h ec i r c u i to fs e r v o c o n t r o l l i n ga n dt h ec i r c u i to fd s ps y s t e m t h e s ec i r c u i t sp u tu pa h a r d w a r e p l a t f o r m ，f i n i s ht h ee l e c t r i c c o n n e c t i o na m o n gf u n c t i o nu n i t s ，w h i c h g i v e sab a s ef o rt h er e a l i z a t i o no ff u n c t i o n i n s y s t e m ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs e r c o sc o m m u n i c a t i o n ，t h e i n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a ma n dt h ep r o c e s st ot h ec o n t r o ls i g n a lo fs e r v o a m p l i f i e rp r o g r a mh a v e b e e nw r i t e di ncl a n g u a g e t h ep r o g r a m si n c l u d e s e r v i c e c h a n n e li n t e r r u p tp r o g r a m ，p e r i o dc o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t p r o g r a m ，i oc o n t r o lp r o g r a m ，p o s i t i o nc o n t r o lp r o g r a m ，v e l o c i t yc o n t r o l p r o g r a m ，t o r q u ec o n t r o lp r o g r a m ，t h ep r o c e s so ff e e d b a c ks i g n a lo fc o d e r p r o g r a ma n ds oo n u n d e rt h em a n a g e m e n to fm a i np r o g r a m ，t h ep r o g r a m m o d u l e sa b o v ec a nr e a l i z ee v e r yk i n do ff u n c t i o nt o g e t h e r t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs e r c o s i n t e r f a c em o d u l ei nt h ed i g i t a ls e r v oc o n t r o ls y e t e mp r o v e st h a t t h e m a n u f a c t u r e r so fc h i n ah a v ea b i l i t i e st od e v e l o dt h en cp r o d u c t s 摘要 p o s s e s s i n gs e r c o $ i n t e r f a c e ，a n di sp r o p i t i o u st ot h ed e v e l o p m e n to fo p e n c o n t r o ls y s t e mi nc h i n a k e y w o r do p e nc o n t r o ls y s t e m ：s e r c o sb u s ：d i g i t a ls e r v oc o n t r o ls y s t e m d s p ：s e r c o n 8 1 6 - i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为 获得北京工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 签名：么塞日期：麴噬5 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：全文导师签名 日期：2 0 0 5 年5 月型 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着基于p c 的新一代数控系统的出现和数字伺服驱动系统的普及，数控技 术的开放性引起了人们普遍的关注。由于具有模块化、可重构和可扩充的开放式 数控系统能够很好地适应市场的需求，所以，在经济全球化日趋加快、全球范围 内的竞争目益加剧的今天，开放式数控系统已经成为数控接术发展的重要方向， 深刻影响着人们的生产与生活”1 。 1 1 1 开放式数控系统概述 传统的数控系统都是在专有设计的基础上完成的，是一种自成体系、相对封 闭的数控产品。由于这种数控系统具有不同的专用芯片、非标准的人机接口、多 种实时操作系统和不同的编程语言，使得系统的再次开发周期长、费用高，难以 适应市场灵活多样的功能需求。随着网络制造的发展和知识积累的加快，数控 系统还应具备网络互联功能和程序移植能力，以实现加工过程的动态调度和计算 机辅助制造的代码重用，而这些都需要为数控系统创建个新的强有力的开放性 体系结构”“1 。 正是基于对开放式数控系统发展的前瞻性认识，从上世纪9 0 年代开始，一 些发达的工业国家投入了大量的入力、物力和财力着手研究开放式体系结构，并 相继推出了各自的结构规范。如美国的n g c 计划，该计划为基于开放式系统体系 结构的下一代机械制造控制器提供了一个标准，从而使不同的设计人员开发可相 互交换和相互操作的控制器部件成为可能。再如欧盟的o s a c a 计划，它是由欧共 体国家的2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合开 发的。该计划提出了“分层的系统平台+ 结构化的功能单元”的体系结构，以保 证各种应用系统与操作平台的无关性及互操作性。这种结构还明确规定了不同的 开放层次，包括应用层开放、核心层开放和全部开放”1 。 目前，虽然对开放式系统的研究已经全面展开，并且形成了诸多的共识，但 对其理解仍然处在一个不断深化的过程中。现阶段，根据i e e e ( 国际电气电子工 程师协会) 对开放式数控系统的定义，认为“具有下列特性的系统可以被称为开 放系统：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它 的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”1 。根据这个定义，开 放式数控系统应具备至少五个技术特征： ( 1 ) 模块性数控功能的开发采用模块化的思想，经简单拼装便能形成一个新 的系统，满足具体功能的需要。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 移植性不同开发者开发出的功能模块，只要符合系统规范便可运行于不 同的数控系统中。不管是在系统开发商的工厂，还是在机床厂的车间，或者是在 最终用户的工作室，都可以将自行开发出的专用模块很容易地移植到数控系统中 去。 ( 3 ) 可扩展性功能可以在个较大的范围内扩展，硬件上只要接口足够多便 可增加各种功能器件，软件上可以对现有的程序进行升级以实现性能上的提高。 ( 4 ) 可伸缩性数控系统的控制能力的大小，可根据具体的应用增减，并形成 系列化产品。 ( 5 ) 互操作性不同开发者开发的功能模块之间能互相交换数据，很容易实现 对其他自动化设备的控制，同时也能被满足同样规范的其他设备控制o “”。 开放式数控系统已成为数控系统发展的一个必然趋势。随着计算机技术、信 息技术、网络技术的快速发展，开放式数控系统的优点已被越来越多的系统制造 商、设备制造商和用户所认识。它满足了技术、市场、生产组织等多方面因快速 变化而对数控系统的柔性和通用性提出的要求，为将来车间自动化向更高层次的 集成提供了广阔的空间，大大促进了制造业的进一步发展。 1 1 2s e r g o s 总线的产生与发展 正是在数控系统向开放性方向发展逐渐成为一种主流的趋势下，s e r c o s 总 线及其接口协议孕育而生。s e r c o s 是s e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o i ls y s t e m 的缩写，是一种完全开放的面向运动控制的现场总线。为了达到开放性的目的， 需要给该总线制定出一套完备的、标准化的接口规范，这就为s e r c o s 总线的产生 提出了一个基本的要求。 1 9 8 6 年，德国电力电子协会与德国机床协会联合召集了欧洲一些机床、驱动 系统i n c n c 设备的主要制造商( 如a g e 、a b b 、a m k 、b a n m u l l e r 、b o s c h 、i n d r a m a t 、 s i e m e n s 、p a e i f i cs c i e n t i f i c 等) 组成了一个联合小组。该小组旨在开发出一 种用于数字控制器与智能驱动器之间的开放性通讯接口，以实现c n c 技术与伺服 驱动技术的分离，从而使整个数控系统能够模块化、可重构与可扩展，达到低成 本、高效率、强适应性地生产数控机床的目的。经过多年的努力，终于于1 9 8 9 年制定出了8 e r c o s 接口协议，这标志着s e r c o s 总线正式诞生。 s e r c o s 总线诞生以后，在国际上一步步得到了推广。1 9 9 2 年，s e r c o s 接口协 议被建议作为新的德国和国际标准d i n i e c 4 4 。1 9 9 5 年，国际电器技术委员会把 s e r c o s 接口采纳为标准i e c 6 1 4 9 1 。1 9 9 8 年，s e r c o s 接口被确定为欧洲标准e n 6 1 4 9 1 。迄今为止，s e r c o s 接口协议己成为当今唯一用于开放式运动控制的国际 标准，得到了国际大多数数控设备供应商的认可”“1 。 第l 章绪论 1 1 3 基于s e r g o $ 总线的数控系统研究现状及趋势 s e r c o s 接口技术是构建s e r c o s 通信的关键技术。在研究其机理，运用于实 践方面，s e r c o s 协会( i g s ) 起到了中流砥柱的作用。该协会推出了一系列s e r c o s 接口控制器，通过它们便能方便地在数控设备之间建立起s e r c o s 通信。最初的 第一代产品是s e r c o n 4 1 0 b ，其通讯速率为2 4 mb p s ”3 ，主要应用于高性能加 工机床中。随后，由于s e r c o s 总线在世界范围内得到了广泛的关注，被许多设 备供应商应用到诸多不同的领域，于是，从1 9 9 9 年起s e r c o s 协会开始着手开发 其第二代产品- - s e r c o n 8 1 6 。这款基于s e r c o s 总线的通讯控制芯片不仅与上一代 产品完全兼容，而且将通讯速率提高到8 1 6 mb p s ，进一步扩展了服务通道“。 因此，至2 0 0 1 年，通过使用s e r c o n 8 1 6 已经能够比较容易地将s e r c o s 接口技术 付诸于实践。2 0 0 3 年初，s e r c o s 协会又宣称第三代s e r c o s 接口控制器的研发已 经启动，其目的在于开发出能与工业以太网互联的s e r c o s 接口控制器，这预示 着s e r c o s 总线的接口技术在数控系统中的研究在不断的深化，其趋势直接推动 着数控系统向开放性方向发展n 。 由于s e r c o s 协会的不懈努力和研究成果，使得基于s e r c o s 总线的数控系统的 数量在不断增加。目前，全球各地有数以千计的数控系统使用了s e r c o s 接口，尽 管完全的开放性和优良的实时性使数控系统的开发焕然一新，然而其应用的主流 方向却没有倾向于机加工领域。这是因为s e r c o s 接口还具有严格的同步机制，使 得在同步性要求高的领域倍受青睐。如现在国际上使用s e r c o s 接口的机器有：印 刷机、食品包装机、装配机器人、半导体加工设备、金属压模机、纺织机、绕线 机、外形整容机及其他具有特殊用途的机器“。 在国内，各大科研机构和数控生产厂商也在加快对具有开放性结构的数控系 统的研究与开发。其中，由于s e r c o s 总线及其通讯协议是目前世界上唯一的与运 动控制相关的国际标准，其推广对数控系统开放性的发展起到了推动作用，因此， 引起了该领域内多方面的重视。首先，我国于2 0 0 2 年4 月1 日正式颁布了s e r c o s 总线接口的国家标准g b t 1 8 4 7 3 2 0 0 1 。与此同时，国内一些科研部门和企业利用 模块化的s e r c o s 接口产品，开发出了不少基于s e r c o s 接口的应用系统。如北京航 空航天大学于1 9 9 9 年通过选用标准的软、硬件平台，集成了一套基于s e r c o s 总线 的开放式数控系统c h 2 0 1 0 s ；清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验 室也在“虚拟现实漫游平台”的项目中，通过选用德国i n d r a m a t 公司的s e r c o s 接口卡，同时驱动六个电机，实现了对机器人手臂的控制；北京航空航天大学自 动化学院机械电子工程系亦利用s e r c o s 卡，快速搭建了伺服系统，实现了四自由 度转台的精确控制。”“。在s e r c o s 接口系统软件开发方面，成立于北京工业大学 机电学院的s e r c o s 技术资格中心，在德国公司搭建的s e r c o s 总线硬件平台上，开 发出了基于l i n u x 操作系统的底层应用软件啤1 ”。这些针对s e r c o s 接口的研究与 北京_ 业大学1 二学硕 ：e g 位论文 应用，加深了国内对s e r c o s 总线及其通讯协议的了解，但同时也让人们看到国内 同类数控产品在这个方面的空缺。因此，设计开发出具有自主版权的s e r c o s 总线 接口模块迫在眉睫。 根据以上国内外研究的现状，可以得到如下结论： ( 1 ) 国际上，s e r c o s 总线接口控制器正在不断地更新换代，s e r c o s 总线接口 正在逐渐地向智能伺服系统中融合，基于s e r c o s 总线的应用正在广泛地向各行 各业深入，整个发展趋势和成效都是好的： ( 2 ) 国内，s e r c o s 总线及其协议得到了认可，基于s e r c o s 总线的相关产品 得到了研究，并且利用s e r c o s 总线接口，建立特定的应用系统得到了实践： ( 3 ) 在技术上，国内各大数控设备生产商对s e r c o s 总线的研究，尤其是对数字 伺服控制系统中s e r c o s 总线接口的设计开发，还没有得到突破性进展，与之相关 的产品均被国外厂家所垄断。因此，数字伺服控制系统s e r c o s 总线接口的设计开 发具有很高的研究价值和实用价值。 1 芝课题研究意义 研究、设计并开发出具有自主版权的数字伺服控制系统s e r c o s 总线接口模 块的意义深远。首先，从数控技术的发展来看，s e r c o s 总线不仅具有开放性， 而且还具有特有的快速性、同步性和极佳的抗干扰性，代表了数控技术的国际先 进水平，因此，对其进行设计与开发是使我国数控技术接近与达到国际先进水平 的一个方向。其次，从国家工业长期发展来看，以数控技术为主要支撑的先进制 造业是国家工业发展的基础，如果所有先进的数控设备都依赖于国外供应商，那 么，国家经济的发展在某些时候必将受到国外的制约，所以，独立自主地搞好底 层软硬件的开发是民族工业发展的保障，也是研究设计数字伺服控制系统s e r c o s 总线接口模块的根本动机。最后，从市场竞争的优势来看，如果能够在国内生产 的伺服驱动系统中嵌入s e r c o s 总线接口，其优良的性能价格比必将在国内市场 上占据较大份额，对于提高国内企业的经济效益无疑是一个明智的选择。 1 3 课题主要内容 本课题将针对具体的数字伺服放大器，设计出既具有s e r c o s 通讯功能，又 能够嵌入到伺服放大器的接口模块。整个模块在d s p 的调度下实现s e r c o s 总线 通讯、i d n 数据的翻译、伺服控制信号的产生等功能，具体研究内容如下： ( 1 ) 构建s e r c o s 总线接口的总体框架，提出总体设计方案。方案将模块分成 三大部分：s e r c o s 总线通讯部分、伺服放大器接口部分和主控调度部分。为了 保证d s p 的运算控制、s e r c o s 控制器的自动传输以及外围器件的协处理有效， 4 第1 章绪论 对系统的运算速度、通信能力、转换精度等进行了评估，以满足性能上的要求。 ( 2 ) 以德州仪器公司2 0 0 0 系列的d s p 为核心，设计出$ e r c o s 总线接口电路、 电机伺服控制接口电路和d s p 子系统电路。这些电路搭建出一个硬件平台，完成 了通讯系统、控制核心以及协处理单元间的电气连接，为接口模块功能的实现奠 定了基础。 ( 3 ) 根据s e r c o s 总线通讯的特点，使用c 语言，编写通讯中断服务程序和伺 服放大器控制信号处理程序。程序模块包括服务通道中断程序、周期传输中断程 序、i o 控制程序、位景、速度、力矩控制程序以及编码器反馈信号处理程序等， 各程序模块在主程序的调度下实现s e r c o s 通讯和伺服放大器控制功能。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章s e r c o s 总线的基本原理 2 1 现场总线简介 2 1 1 现场总线的概念与发展 所谓现场总线，按照国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义“是指安装在制造或 过程区域的现场装置之间，以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字 式、串行和多点通信的数据总线”，而按照现场总线基金会的定义则“是连接现 场智能设各与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络州2 ”。虽然两 者在文字表述上有所不同，但是都肯定了现场总线的关键标志是能支持双向、多 节点、总线式的全数字通讯。这种通讯技术能通过一根电缆或光缆将各种现场设 备( 传感器、执行机构、驱动器等) 与控制器连接起来，形成一个数字化的通讯 网络，从而实现对现场设备的状态监测、运动控制和数据远程传输等功能。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。当时，传统的集散式 控制系统的不足随着工业现场控制的发展日益突出，主要体现在难以实现设备之 间以及系统与外界之间的信息交换，难以使系统的集散变得更容易、更开放，难 以有效地保证连线的低成本。因此，要实现整个系统的信息集成，要实施综合自 动化，就必须设计出一种能在工业环境下运行、性能可靠、造价低廉的通讯系统， 形成底层通讯网络，完成多点、双向的数字通讯，实现设备之间以及生产现场与 外界之间的信息交换。现场总线就是在这种需求的驱动下应运而生的。现场总线 的出现给传统的自动控制系统带来了根本的变革，它作为智能设各的联系纽带， 把挂在总线上，作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并进一步构成自动化 系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控制管 理一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、 网络为主要内容的综合技术。 现场总线主要的特点如下o ”1 ”： ( 1 ) 全数字化的现场通信网络现场总线是用于过程自动化和制造自动化的 现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，信号的传递支持双绞线、同轴电 缆、光缆、射频、红外线、电力线等媒介。由于用数字信号代替了模拟信号，使 整个通讯网络具有较强的抗干扰能力，较高的测量精度，大大提高了系统性能。 ( 2 ) 开放式的互连网络开放是指对相关标准的一致性和公开性。现场总线就 是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。正是因此，用户可自由集成不 同制造商的通信网络，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网 络及设备有机地融为一体，构成统一的现场控制系统( f c s ) 。 第2 章s e r c o s 总线的基本原理 ( 3 ) 双向传输的通讯信道传统的4 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信 号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控 制信息。 ( 4 ) 功能自治的现场设备智能化的现场设备可完成部分控制功能，将简单的 控制任务迁移至0 现场设备中，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功 能，使控制更加安全、可靠。 ( 5 ) 高度分散的系统结构现场总线己构成一种新的分散性控制系统的体系 结构。从根本上改变了现有集散控制体系，简化了体系结构，提高了可靠性。 由于现场总线具备上述的特点，使得控制系统从设计、安装、运行、维护都 体现出了优越性。如设计时，用户具有高度的系统集成主动权，可以自由选择不 同厂商提供的设备来集成系统，避免了因选择了某种设备而限制了其他设备的选 择范围；安装时，接线方法十分简单，一条电缆或光缆可以挂接多个设备，接头 校对工作量也大大减少；运行时，由于采用了数字传输方式，抗干扰能力大大加 强，数据的精度也大大提高：维护时，通过反馈回控制器的故障信息，能够比较 容易的找到问题所在，这对于故障的排除极为有利。 以上可见，现场总线的发展给工业自动化控制带来了蓬勃的生命力，并且还 会随着微电子技术、计算机技术和网络通讯技术的发展继续深化，对工业生产产 生更为深远的影响。 2 1 2 现场总线的原理与结构 现有各种现场总线的体系结构大多参照了国际标准化组织( i s o ) 的开放系统 互联协议( i s o ) 七层模型，实现了其中的物理层( 第l 层) 、数据链路层( 第2 层) 和应用层( 第7 层) 。“，也就是说，现场总线只是七层模型的一个子集，结构模 式如图2 1 所示。大多数现场总线之所以选择了三层结构形式，是由于在总线上 传递的控制信息必须快速而可靠地到达目的站，此时七层模式使数据转换远远慢 于实时操作的要求。另外，现场总线设备并不需要o s i 地址，与o s i 系统有关的 网络接口的造价对现场总线系统来说又显得过高，因此，现场总线采用三层模式 是经济合理的”。 物理层负责确定通过物理媒介传送的数字信号的形式，包括电缆种类和硬 件、传输方式、传输速率以及电气和机械性能等。 链路层具有m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 、l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 的有效功能和一定的网络功能，执行流量控制和差错控制。 应用层是面向用户的、应用开发的标准格式，可保证信息的可靠传输。同 时在应用层上，用户采用变量形式( 即对命名设备值进行读写操作) 将可寻址 项解释给网络从而为链路层提供服务。 北京工业大学工学硕士学位论文 用户程序 应用层信息服务 l 网络管理 数据链路层 1 r 物理层 传输媒介 图2 - l 现场总线的体系结构 f i g 2 - l ? h es t r u c t u r eo ff i e l db u s 根据现场设备到控制器的连接方式，现场总线的拓扑结构可有多种形式，主 要可分为三种类型：线型、树型和环形“。 ( 1 ) 线型结构线型结构的特点是简明，一对总干线铺设到现场设备( 控制对 象) ，总线电缆从主干电缆分支到现场设备处，控制器扫描所有i o 站电( 或节 点) 上的输入，必要时发送信息到输出通道。在这种总线结构中，可实现多主式 或对等式通信：可以两个控制器共享同一个系统中的信息和i o 站。另外不需 关闭总线系统就可以把一个i o 站点从总线上拆卸下来。这对总线系统的维修带 来了很大的方便。 ( 2 ) 树型结构树型结构与线型结构类似，只是它允许分支。这种结构主要应 用于包含有智能传感器和执行结构的系统，总线电缆从控制器铺设到机械装置， 根据需要分支到各i o 站点，每个端点分别寻址。控制器扫描传感器的输出信号， 并在需要是给执行器发送输出信号。 ( 3 ) 环形结构环形结构中，所有i o 站点和控制器被连接到同一个总线环中。 所有信息都从控制器出发，通过每个i o 站点，最后回到控制器，完成一个循环， 环形结构中只允许有一个控制器。信号通过总线从控制器出发，发送到第一个 i o 站点，与之进行对话，在传递到下一个站点之前，通常进行放大式重复，最 后一个i o 从站把信号送回控制嚣，完成信号的传输过程。在每个循环周期中， 要保证每个站点的状态良好。如果一个站点失败，将导致整个系统崩溃。 ，8 2 1 3 几种现场总线的比较 迄今为止，国际上较具竞争力的现场总线有十几种，如i e c2 0 0 0 年1 月宣 布的i e c 6 1 1 5 8 标准包括的8 种类型的现场总线如国内常用的c a n 、l o n w o r k s 等， 另外，还有9 5 年刚刚被确认为i e c 标准的s e r c o s 。值得指出的是，由于国外生 产开放式数控系统的著名厂商出于各自的经济利益分别支持不同的现场总线标 准，所以现在国际上没有一种统一的现场总线标准。表2 1 列出了目前在数控 系统中常用的六种现场总线并对它们的特性进行了比较。 表2 - i 几种现场总线的比较 t a b l e 2 1t h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lf i e l db u s s e r c o s m a c r 0f i r ew i r ep r o f i b u s d pf f h s ec a n 通讯 串行通讯串行通讯 串行通讯串行通讯串行通讯串行通讯 类型 拓扑 环型环型树型总线型总线型 总线型 结构 般绞线 传输 光缆 光缆光缆、 屏蔽烈绞线 电缆 双绞线 介质 双绞线双绞线光缆 无线介质 传输2 4 8 1 6i m b p s 5 k b p s 1 2 5 m b p s4 0 0 m b p s 最高1 2 m 速度m o p s 2 5 m b p sl m b p s 节点 塑料光纤： 玻璃光纤： 1 2 m 时l o o m 间电 4 0 mi 5 m 时4 0 0 ml m 时7 5 0 m1 m 对4 0 m 3 0 0 0 m铜线：l o m 带中继器可2 5 m 时5 0 0 m5 k 时l o k m 缆长玻璃光纤： 铜线：1 0 0 m 度 8 0 0 m延至l o k m 应用运动控制运动控制运动控制 设备总线 设备总线或 设备总线 范围总线总线 总线信息网络 网络每环最多 每环1 6 个 6 3 个节点，每分段3 2 站 上最 2 5 4 个，每个节点可( 不带中继) 3 2 个 l l o 个 大节允许有多 支持1 6 个 带4 个驱动最多1 2 7 站 环 点数个环 器( 带中继) i e c 6 i 1 5 8i e c l l 5 8 2 物理 i e c 6 1 4 9 1 无 i e e e - 1 3 9 4i s o i1 8 9 8 标准e n 6 1 4 9 i d i n 5 0 1 7 0i s a 一$ 5 0 0 2 刚刚出现 市场已占领运 占有动控制总少 由 高较高 由 窒 线的较大 市场 供应 7 5 家 7 家8 一1 0 家 2 5 0 家 4 0 家 商数 北京工业大学工学硕士学位论文 这些现场总线在数控系统中都有应用，但至今还没有种现场总线能覆盖到 应用的所有方面。例如p r o f i b u s d p ，由于它与p l c 的渊源更多地用作设备总线， 控制一些i o 设备，进行信息量不大的通讯。类似的还有起源于汽车控制的c a n 总线以及d e v i c e n e t 总线等。虽然以太网价格低廉、使用广泛，但它在数控系统 中主要用作信息网络。然而随着带宽瓶颈问题的逐步解决，以太网正在向低层上 扩展。与以太网相似的f f h s e ( 基金会现场总线的高速模式h 2 ) 既可以用作信 息网络，也可以用作设备总线。在数控系统最底层进行数据传输的就是运动控制 总线，现在市场上主要有s e r c o s 、m a c r o 和f i r ew i r e 三种。m a c r o 总线传输速 率很高，可以达到1 2 5 m b p s ，基本可以与模拟接口相媲美，但是它不是一种标准 化接口。虽然d e l t a t a u 公司将它作为非专有系统向外供应，但接受该接口的制 造商还是很少，得不到市场的认可。f i r ew i r e 是一种物理层的定义，一些供应 商已经根据这种协议开发出了相应的运动总线，但它们的产品大多互不兼容，很 难有效占领市场。而本课题研究的s e r c o s 总线是当今世界上唯一用于运动控制 的开放式总线的国际标准，无论从运动控制能力还是市场认可度上讲都要高于 m a c r o 和f i r ew i r e 【”1 。 2 2 开放式运动控制总线- - s e r c o $ s e r c o s 总线是一种开放式运动控制总线，其接口协议已成为用于开放式运 动控制的国际标准。这种运动控制总线具有完全开放的通讯结构、严格的同步机 制和极佳的抗干扰能力，在恶劣的现场环境下不仅能够可靠地实现对多轴运动的 实时同步控制，而且能够很容易地实现不同供应商提供的部件间的互联。这种开 放、通用、模块化的特点适应了当前国际市场与技术的发展，在短短的十几年间， s e r c o s 总线很快被应用到纺织、印刷、加工、装配等数字控制领域，成为目前 国外最看好的工业总线之一“。 2 2 1s e r c o $ 总线的通信原理与性能特点 s e r c o s 总线最常用的结构是环形拓扑结构，如图2 2 所示。该体系结构以 s e r c o s 总线为中心，将控制系统中的各个单元用一条光纤首尾连接起来。在这 个光缆环路中，嵌入到p c 机内，对整个通讯起到指挥和控制作用的单元称为主 站，而与伺服驱动器集成一体，对主站的控制起到应答作用的单元称为从站。主 站在一个预设的固定的时间周期内要向环内的所有从站发送控制指令或数据，而 在同一个周期内所有从站也必须在指定的时段内将设备状态或执行情况反馈给 主站，这种通讯方式使信息的同步传输和双向流通得以保证，从而使数控系统的 同步性能得以提高、诊断功能得以增强。 第2 章s e r c o s 总线的基本原理 图2 - 2s e r c o s 总线拓扑结构 f i g 2 - 2s e r c o sb u st o p o l o g y 图2 - 3 是一个通讯周期的时序图，m s t 是主控同步报文，a t 是驱动器报文， m d t 是主控数据报文。主站首先发出m s t 开始一个通讯周期，随后各从站分别向 主站发送a t ，当主站接收到所有从站发来的a t 后，向所有从站广播m d t ，最后 各个从站在定义好的时段内从m d t 中取出相应的报文，便完成了一个周期的通 讯。s e r c o s 总线的整个通讯过程，就是以这样的方式周而复始地进行”1 。 精l | l l z m脚l 峙1 图2 - 3s e r c o s 通讯周期时序 f i g 2 - 3t h et i m n go ft h ep e r i o do fs e r c o sc o m m u n i c a t i o l l 2 2 2s e r o o s 总线的协议结构 在s e r c o s 通讯过程中，主站与从站之间的信息交换是通过报文进行的。报 文具有通用的结构，如表2 - 3 所示。 表2 - 3 通用报文结构 t a b l e 2 3t h es t r u c t u r eo fg e n e r a lt e l e g r a m 管理段用户数据管理段 报文定界符 地址域数据域帧检查序列域报文定界符 o l l l i l l 08 位 j x 8 位 1 6 位o i i i u l 0 每帧报文数据均以定界符“0 1 1 1 1 1 1 0 ”开始和结束。所有连接到总线上的站 点都要不断地查找此定界符。 地址代表着主站传输的方式，也是每一个从站的标识。如地址0 是无站点地 北京工业丈学t 学硕士学位论文 址，地址2 5 5 是广播地址，一个环路内从站的地址要满足：o a d r 2 5 4 ，并且 不允许两个从站设成相同的大于0 的地址。地址0 的设定表示从环路中将其删除， 但数据转发功能仍然存在。 主站在通讯开始时总要发送主控同步报文m s t ，该报文地址始终为2 5 5 。从 站在接收到主站发送过来的m s t 后，会向主站发送驱动器报文a t ，该报文的地 址由从站自己定义，但一定在l 一2 5 4 之间。主站在接收到所有从站发送过来的 a t 后，会向所有从站广播一个主控数据报文m d t ，地址为2 5 5 。但是，在非周期 传输时，该地址可以选择1 2 5 4 中的任意一个，以确定与哪个从站单独通讯。 数据域中包含着所要传递的信息。其中的内容因报文的不伺而有所差别。主 控同步报文m s t 中只包含一个字节的信息，指示通讯所处的阶段。驱动器报文 a t 中数据称为数据记录分为固定部分和可配置部分。固定部分包括一个字的状 态字和一个字的信息字，其中信息字用于非周期数据传输，而可配置部分用于周 期数据传输。主控数据报文m d t 中的数据与a t 中数据的结构大体相同，只是m d t 中允许有多个数据记录，每个数据记录的固定部分存在着一个控制字，其中包含 着各种控制信息”3 1 。 非周期数据传输中的各种参数和指令都被分配了一个i d n ，每一个i d n 都有 一个相关的数据块。完整的数据块包含7 个元素，其组成如表2 2 所示。 表2 - 2i d n 数据结构 t a b l e 2 2i d nd a t as t r u c t u r e 元素1i d n 号( 固定) 1 个字 元素2名称( 可选)3 2 个字 元素3属性( 固定)2 个字 元素4单位( 可选)8 个字 元素5最小输入值( 可选) 元素6最大输入值( 可选) 元素7操作数据( 固定)3 2 7 6 7 个字 i d n 号是报文数据的唯一标识，通过i d n 号便可以确认操作数据的内容。一 般使用的i d n 都是标准的i d n ，其编号已经经过了标准化过程。用户也可以自 己定义i d n ，但此时该数据不具有一般的兼容性。 属性是为了表达操作数据的全部信息。如从中可以知道操作数据是参数还是 过程命令，操作数据的长度、类型，十进制小数点的位置以及是否存在着写保护 等。 操作数据是需要传递的实际的数据，该数据的长度可以从属性中得知。 除此之外的各个元素对于i d n 来说都是可选择的，但元素1 、3 、7 却是每一 个i d n 必须具有的，它们体现了所要传递的必要信息。 第2 章s e r c o s 总线的基本贩理 2 2 3s e r c o s 总线的工作过程 s e r c o s 总线的工作过程大体上分为