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摘要： 數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，在這類系統(tǒng)中，結(jié)點(diǎn)之間通信的最大要求是高實(shí)時(shí)性、高可靠性，最大特點(diǎn)是通信數(shù)據(jù)量較小，且具有周期性。本論文將根據(jù)數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，詳細(xì)介紹如何在物理層，用VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)滿足這些要求的模塊，通過光纖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。
1：引言：
數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)，同時(shí)也是提高國(guó)家綜合國(guó)力和國(guó)防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)。隨著數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)及各種制造技術(shù)的發(fā)展，提高數(shù)控系統(tǒng)的靈活多變性，可擴(kuò)展性，可移植性、互操作性、互交換性、可重用性已成為迫切的需要。為此，世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家紛紛將研制開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)列入重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，為適應(yīng)這一發(fā)展態(tài)勢(shì)，及進(jìn)一步提高工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化，數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必將成為未來數(shù)控技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。而解決在這類網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)，高可靠地傳輸，是構(gòu)成數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)核心問題。本論文將根據(jù)這網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)集中介紹如何用光纖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速高可靠傳輸。
2：網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的特點(diǎn)：
目在數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)用的協(xié)議有SERCOS（Serial Real-time Communication System）和HSB (Highspeech Serial Bus)等。
圖 1 ：SERCOS 網(wǎng)絡(luò)拓樸
SERCOS 接口的控制器可以根據(jù)需要接上一個(gè)或幾個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)。圖1 的拓樸圖只是一個(gè)例子，由其拓樸結(jié)構(gòu)也可以看出，它糅合使用了主從結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。HSB 的拓樸結(jié)構(gòu)相對(duì)SERCOS 要簡(jiǎn)單些。它主要是主從式結(jié)構(gòu)。由于數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，它對(duì)底層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信要求比較高，必須保證高實(shí)時(shí)性和高可靠性的要求。例如CNC(Computer Numeric Controller)控制器主機(jī)單元和插補(bǔ)軸單元、驅(qū)動(dòng)單元等的連接，這類控制器具有ms 級(jí)的較短控制周期，同時(shí)要求較高的通信可靠性，通信錯(cuò)誤將導(dǎo)致較嚴(yán)重的后果，如加工零件的報(bào)廢等。為了在工廠那種比較惡劣的環(huán)境中確保這些要求的滿足，構(gòu)成的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)得用光纖。
這類高實(shí)時(shí)性、高可靠性的底層設(shè)備間典型的通信周期是1～5ms 之間，典型的有效通信數(shù)據(jù)量在500～2000bit 之間。以上特點(diǎn)決定了CNC控制器通信存在短周期、短數(shù)據(jù)幀等特點(diǎn)，所以在物理層用VHDL在FPGA 上設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模塊時(shí)，必須考慮到這些基本的要求。不管是構(gòu)成 SERCOS 還是HSB 網(wǎng)絡(luò)，為了能夠擴(kuò)展更多的結(jié)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的有效位速度都應(yīng)該不小于4M，雖然組網(wǎng)要求的有效位速率大于4Mbps，但是由于協(xié)議本身的開銷，以及為了保證高可靠性而必須的通信冗余量，這類網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際通信位速率要遠(yuǎn)大于有效位速率。其通信效率保守估計(jì)只有15％～30％。
3：光纖通信在數(shù)控網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)
不管是 SERCOS 還是HSB 結(jié)構(gòu)的數(shù)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)經(jīng)過仲裁從站獲得總線控制權(quán)后，主站跟從站的通信就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。所以依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高實(shí)時(shí)、高可靠光纖通信是基本環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)是在物理層來實(shí)現(xiàn)的。
在物理層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的外圍接口模型如下：
圖 2 ：外圍接口模型
該模塊是用VHDL 語(yǔ)言在FPGA 中實(shí)現(xiàn)的。它的功能是將在數(shù)據(jù)鏈路層打包好的數(shù)據(jù)幀編碼后通過光纖傳送到總線上去，以及從總線上接收串行的數(shù)據(jù)解碼后交給數(shù)據(jù)鏈路層。物理層的主要工作幾乎都由該模塊來實(shí)現(xiàn)。
該模塊的具體任務(wù)包括：與數(shù)據(jù)鏈路層接口、與光纖收發(fā)器的接口、數(shù)據(jù)的編解碼、數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過采樣或數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)字對(duì)齊等功能。
1）：與鏈路層接口：
Outport[15..0]:要發(fā)送到總線中的十六位數(shù)據(jù)，低八位是高八位數(shù)據(jù)的地址。
inport[15..0]:從總線中接受到的十六位數(shù)據(jù)， 低八位是高八位數(shù)據(jù)的地址。
senddata：發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)給它一個(gè)跳變時(shí)，outport 中數(shù)據(jù)將進(jìn)行CRC、4b/5b 編碼，然后從data_out中串行發(fā)送。
Ack_y:當(dāng)接收到一個(gè)對(duì)方發(fā)送過來的，表明對(duì)方已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)的握手信號(hào)時(shí)，它會(huì)發(fā)生一次跳變。
Ack_n:當(dāng)接收到一個(gè)對(duì)方發(fā)送過來的，表明對(duì)方?jīng)]有正確接收到數(shù)據(jù)的握手信號(hào)時(shí)，它會(huì)發(fā)生一次跳變。
Receive_ok：當(dāng)接收到對(duì)方發(fā)來的數(shù)據(jù)并且crc 校驗(yàn)正確后，它會(huì)有一個(gè)跳變，同時(shí)把數(shù)據(jù)從inport端口輸出，給對(duì)方發(fā)送一個(gè)接收正確的握手信號(hào)幀。當(dāng)接收的數(shù)據(jù)沒有通過crc 校驗(yàn)時(shí)，receive_ok 不變，數(shù)據(jù)不輸出，只給對(duì)方發(fā)送一個(gè)接收錯(cuò)誤的握手信號(hào)幀。
2）：與光纖的接口：
data_in:發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。
data_out:接收的串行數(shù)據(jù)。
