0 引言

　　數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放化是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。這個(gè)開(kāi)放性包括功能的可定制和底層設(shè)備通信總線接口的開(kāi)放性。借助開(kāi)放化數(shù)控系統(tǒng)概念平臺(tái)，可在功能及性能等方面全面提升數(shù)控系統(tǒng)的延展空間。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用的是并行傳輸控制模式，這種模式在目前一般的數(shù)控加工領(lǐng)域可行，但面對(duì)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)不斷增加、功能擴(kuò)展不斷增多、各軸空間距離的不斷拓展等諸多更新的要求，這種傳統(tǒng)的工作模式就很難滿足要求。此外，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一般通過(guò)模擬信號(hào)線、脈沖信號(hào)線、RS232串行通信等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)底層通信功能。這不僅效率低、而且可靠性差，成為阻礙數(shù)控系統(tǒng)性能提高的瓶頸。設(shè)計(jì)具有高速率、高實(shí)時(shí)性和高可靠性的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)，從而解決底層通信與控制問(wèn)題，成為必然趨勢(shì)。

1 基于光纖的串行通信數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)

　　基于光纖的串行通信數(shù)控系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題。

　　首先，在功能方面，通過(guò)設(shè)立主站點(diǎn)控制器，借助光纖通信將各從站被控單元逐個(gè)串接起來(lái)，從而形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。站點(diǎn)之間由于可以通過(guò)光纖線路連接，空間距離的延伸拓展非常容易。從站站點(diǎn)個(gè)數(shù)理論上限為127個(gè)，這使得聯(lián)動(dòng)軸數(shù)也得到可觀的擴(kuò)充。通過(guò)在主從站點(diǎn)之間制定通信協(xié)議，后續(xù)擴(kuò)展功能可在基本通信協(xié)議的基礎(chǔ)上不斷添加完善，非常靈活。

　　其次，在性能方面，光纖通信是近年來(lái)發(fā)展十分迅速的新興技術(shù)，擁有很多更具優(yōu)勢(shì)的特性，如：通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)；信號(hào)串?dāng)_小、保密性能好；抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳；光纖尺寸小、重量輕，便于敷設(shè)和運(yùn)輸?shù)取Ｆ渲?，高速可靠的?shù)據(jù)傳輸為數(shù)控系統(tǒng)性能精度的提高提供了保障。

2 系統(tǒng)底層硬件架構(gòu)

　　基于光纖通信的數(shù)控系統(tǒng)底層總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用研祥智能科技有限公司的PCI04主板作為核心控制器，該主板具有如下特點(diǎn)：支持133MHZ前端系統(tǒng)總線，最大內(nèi)存容量高達(dá)512MB，為高速數(shù)據(jù)處理提供了可靠保證；集成了S3 Graph．ics ProSavage4 2D／3D圖形加速控制器，支持CRT和LCD顯示，方便數(shù)控界面的顯示；外圍接口豐富，集成了CompactFlash接口、PS2鍵盤(pán)／鼠標(biāo)接口、USB接口、并口，串口等，便于外接擴(kuò)展功能設(shè)備。

圖1基于光纖通信的數(shù)控系統(tǒng)底層架構(gòu)

　　主從站均用Ahera公司的Cyclone系列FPGA芯片作為通信協(xié)議控制芯片，光纖環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸接口則采用武漢電信器件有限公司的LVPECL光收發(fā)合一模塊。另外，F(xiàn)PGA芯片的控制信號(hào)及伺服反饋信號(hào)均通過(guò)光電耦合隔離處理。

3 串行通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　3.1 串行通信協(xié)議架構(gòu)

　　通信協(xié)議采用自頂向下的分層模塊化設(shè)計(jì)思想及主從協(xié)議分離設(shè)計(jì)思想。協(xié)議總共分為4層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。物理層介于通信介質(zhì)和數(shù)據(jù)鏈路層之間，處理傳輸?shù)母鞣N物理信號(hào)，包括電信號(hào)、光信號(hào)等，使得數(shù)據(jù)鏈路層與介質(zhì)無(wú)關(guān)。增加協(xié)議的適應(yīng)性。具體完成的功能包括：與數(shù)據(jù)鏈路層接口對(duì)接、數(shù)據(jù)的編解碼、數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過(guò)采樣或數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)字對(duì)齊等。

　　數(shù)據(jù)鏈路層完成數(shù)據(jù)幀的封包和拆包、CRC校驗(yàn)，超時(shí)重發(fā)，出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，握手機(jī)制，發(fā)送各種數(shù)據(jù)類型之間的互斥機(jī)制等?？傊?，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層而言，該層應(yīng)該是透明化的。

　　網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)同步、計(jì)時(shí)，總線擁有權(quán)切換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)開(kāi)關(guān)的切換。將通過(guò)ISA總線發(fā)送的數(shù)據(jù)打包，添加目的站和源站地址信息；將上傳給ISA總線的信息進(jìn)行地址信息解析并緩存數(shù)據(jù)，等待ISA總線讀取。協(xié)議采用的編址方式為靜態(tài)編址，即通過(guò)外部硬件設(shè)置站點(diǎn)地址。當(dāng)發(fā)送廣播地址時(shí)，各站點(diǎn)均接收數(shù)據(jù)。

　　應(yīng)用層相當(dāng)于硬件抽象層或軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)抽象層，主要是根據(jù)硬件功能，抽象出一個(gè)個(gè)的C函數(shù)接口，供應(yīng)用軟件調(diào)用。

　　物理層主要用光纖信號(hào)輸入處理模塊Fiberln和光纖信號(hào)輸出處理模塊FiberOut來(lái)封裝；數(shù)據(jù)鏈路層用Fiberlnout模塊來(lái)封裝，它調(diào)用了前面兩個(gè)模塊并加上鏈路層的其他功能；在網(wǎng)絡(luò)層，主站用Mainprotocol封裝，從站用ViceProtocol來(lái)封裝。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)不多，分別在主站模塊及CNC系統(tǒng)軟件層實(shí)現(xiàn)。主從站協(xié)議實(shí)現(xiàn)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2主從站協(xié)議架構(gòu)

　　3.2 協(xié)議通信的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程

　　串行通信協(xié)議采取時(shí)分復(fù)用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。在通信周期內(nèi)，分配給各站點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)度固定。系統(tǒng)的周期數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))和非周期數(shù)據(jù)(非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))傳輸時(shí)采用一致的工作時(shí)序，每個(gè)站的時(shí)間片起始位置在時(shí)序上是固定的，一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)完成一次主站數(shù)據(jù)的傳輸或者伺服數(shù)據(jù)的反饋。主站時(shí)間片起始時(shí)刻位于通信周期的開(kāi)始，緊隨同步信號(hào)之后。從站時(shí)間片長(zhǎng)度設(shè)為單位時(shí)間片長(zhǎng)度，從站的起始時(shí)刻根據(jù)自身ID號(hào)計(jì)算獲得。

　　通信周期時(shí)間片的分配如圖3所示。

圖3通信周期時(shí)間片分配

　　光纖通信環(huán)路內(nèi)，主站與從站數(shù)據(jù)通信處理的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

　　(1)系統(tǒng)上電，主站數(shù)據(jù)處理模塊、各從站數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部所有通信協(xié)議模塊均初始化。

　　(2)主站等待來(lái)自處理器的相關(guān)指令，當(dāng)收到數(shù)據(jù)傳輸指令后，主站進(jìn)入下一步工作階段。

　　(3)主站測(cè)試通信環(huán)路是否暢通，給整個(gè)環(huán)路發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，若主站能十次正確接收到，則測(cè)試成功。主站進(jìn)入下一步工作階段，否則產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷，并返回到步驟(2)。

　　(4)主站向通信環(huán)路廣播同步信號(hào)，各個(gè)從站同時(shí)收到同步信號(hào)，同步信號(hào)在環(huán)路傳輸一圈，若最終主站能夠收到自己發(fā)出的同步信號(hào)，表示環(huán)路站點(diǎn)同步成功，進(jìn)入下一步工作階段；若主站不能收到自身發(fā)出的同步信號(hào)，將再次發(fā)送同步信號(hào)，連續(xù)十次同步失敗，則主站產(chǎn)生相應(yīng)的出錯(cuò)中斷，并返回步驟(2)。

　　(5)主站和各個(gè)從站收到同步信號(hào)時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期開(kāi)始，主站和各個(gè)從站的時(shí)間計(jì)數(shù)器模塊開(kāi)始計(jì)數(shù)，在通信周期內(nèi)，各個(gè)站根據(jù)自己的地址和當(dāng)前計(jì)數(shù)值，確定哪個(gè)時(shí)間槽屬于該站點(diǎn)，當(dāng)屬于自己的時(shí)間槽到來(lái)時(shí)，該站點(diǎn)便擁有總線的數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸周期開(kāi)始后，主站在屬于自己的時(shí)間槽內(nèi)往從站發(fā)送數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，主站接收ISA總線數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)志、緩存，完成數(shù)據(jù)的編碼，實(shí)現(xiàn)握手機(jī)制，超時(shí)重發(fā)、出錯(cuò)重發(fā)，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換及對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。

　　(6)主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后，等待相應(yīng)從站的應(yīng)答信號(hào)，若收到從站的負(fù)應(yīng)答信號(hào)，表示數(shù)據(jù)沒(méi)有被從站正確接收，主站將重發(fā)上一幀數(shù)據(jù)并再次等待從站的應(yīng)答信號(hào)，若連續(xù)兩次收到從站的負(fù)應(yīng)答信號(hào)，則產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷并返回步驟(2)；若收到從站的正應(yīng)答信號(hào)，表示數(shù)據(jù)被從站正確接收，主站在自己的時(shí)間槽內(nèi)繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，若沒(méi)有新的數(shù)據(jù)發(fā)送則等待該時(shí)間槽的結(jié)束。

　　(7)主站時(shí)間槽結(jié)束后，從站在屬于自己的時(shí)間槽內(nèi)往主站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后，等待主站的應(yīng)答信號(hào)，若收到主站的負(fù)應(yīng)答信號(hào)，表示數(shù)據(jù)沒(méi)有被主站正確接收，從站將重發(fā)上一幀數(shù)據(jù)并再次等待主站的應(yīng)答信號(hào)，若連續(xù)兩次收到主站的負(fù)應(yīng)答信號(hào)，從站產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷并返回等待新一次的同步信號(hào)；若收到主站的正應(yīng)答信號(hào)，表示數(shù)據(jù)被主站正確接收，從站在自己的時(shí)間槽內(nèi)繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，若沒(méi)有新的數(shù)據(jù)可以發(fā)送則等待該時(shí)間槽的結(jié)束。

　　(8)主站和各個(gè)從站的時(shí)間計(jì)數(shù)器模塊計(jì)數(shù)到設(shè)定值時(shí)，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送周期結(jié)束，主站返回步驟(2)，等待處理器指令或開(kāi)始下一次數(shù)據(jù)傳送周期，從站等待主站的同步信號(hào)。

　　以上階段依次進(jìn)行，不斷循環(huán)，直到控制器終止傳輸或者環(huán)路傳輸錯(cuò)誤被迫中斷。

　　3.3 數(shù)據(jù)編碼特點(diǎn)

　　在曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼中，每位中間都有一次電平跳變，因此波特率是數(shù)據(jù)速率的2倍。對(duì)于lOOMbps的高速網(wǎng)絡(luò)，若采用該類編碼方式，就需要200M的波特率，硬件成本是lOOM波特率硬件成本的5-10倍。

　　本系統(tǒng)的通信協(xié)議直接對(duì)基帶進(jìn)行編碼，以適合光纖作為通信介質(zhì)的傳輸方式。為提高編碼效率，盡量減小硬件開(kāi)銷，同時(shí)方便同步信號(hào)的提取，這里采用4B／5B碼對(duì)源碼進(jìn)行編碼。例如，用于同步的報(bào)文起始符為連續(xù)的15個(gè)0，通過(guò)4B／5B編碼可以有效地消除源碼中可能存在的這種碼組。4B／5B編碼的規(guī)則如表1所示。

　　5位二進(jìn)制代碼的狀態(tài)共有25=32種，從中取1的個(gè)數(shù)不少于2個(gè)的狀態(tài)來(lái)表示0～F，這樣就可以保證在介質(zhì)上傳輸?shù)拇a能提供足夠多的同步信息。

4 聯(lián)合通信仿真及結(jié)果分析

　　在QuartusU6．0軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)好主從站各模塊VHDL代碼。為模擬主從站通信，設(shè)計(jì)一個(gè)新的頂層文件調(diào)用主從站模塊，用該模塊調(diào)用1個(gè)主站、3個(gè)從站。通過(guò)該頂層文件，仿真主站與3從站之間的數(shù)據(jù)通信。

　　仿真時(shí)，由主站給各從站發(fā)送數(shù)據(jù)，各從站接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，立即將接收到的數(shù)據(jù)重新發(fā)送給主站。根據(jù)各從站接收到的數(shù)據(jù)和主站接收到的數(shù)據(jù)，可以判斷環(huán)路通信是否正常。

主站發(fā)往從站1、從站2、從站3的數(shù)據(jù)分別初始化為隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)則循環(huán)左移一位，發(fā)送時(shí)間間隔略大于通信周期，為100us(設(shè)置的協(xié)議通信周期為90us)。由結(jié)果可知，該通信協(xié)議能準(zhǔn)確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)主從站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)設(shè)計(jì)，該通信協(xié)議能夠達(dá)到的最高有效數(shù)據(jù)傳輸速率為5.33Mb／s。如果對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻處理，該速率還可以進(jìn)一步提高，如：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率提高至150MHZ，最高有效數(shù)據(jù)傳輸速率為8Mb／s。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)設(shè)計(jì)串行通信協(xié)議，并借助FPGA構(gòu)建主從站，仿真實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)中基于光纖的環(huán)路高速串行通信。該設(shè)計(jì)目前已經(jīng)在實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)中得到成功運(yùn)用，其簡(jiǎn)便靈活、高實(shí)時(shí)高穩(wěn)定的性能很好地解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)存在的不易擴(kuò)展、通信可靠性不高等問(wèn)題。該設(shè)計(jì)為數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性研究提供了一個(gè)很好的發(fā)展方向，后期可進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化VHDI．代碼，改善通信部分細(xì)節(jié)，縮短通信周期等方式提高其通信性能。