摘 要： 數(shù)控網絡系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，在這類系統(tǒng)中，結點之間通信的最大要求是高實時性、高可靠性，最大特點是通信數(shù)據量較小，且具有周期性。本論文將根據數(shù)控網絡的這些特點，詳細介紹如何在物理層，用VHDL語言設計一個滿足這些要求的模塊，通過光纖實現(xiàn)點對點的通信。 關鍵詞：光纖通信，數(shù)控網絡，CNC, FPGA 1 引言： 　　數(shù)控技術是制造業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化的戰(zhàn)略性基礎技術，同時也是提高國家綜合國力和國防現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略性基礎技術。隨著數(shù)字驅動技術及各種制造技術的發(fā)展，提高數(shù)控系統(tǒng)的靈活多變性，可擴展性，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，世界各先進工業(yè)國家紛紛將研制開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構列入重點發(fā)展計劃，為適應這一發(fā)展態(tài)勢，及進一步提高工廠生產的自動化，數(shù)控網絡系統(tǒng)必將成為未來數(shù)控技術競爭的制高點。而解決在這類網絡中數(shù)據的高實時，高可靠地傳輸，是構成數(shù)控網絡的一個核心問題。本論文將根據這網絡的特點集中介紹如何用光纖實現(xiàn)點對點的高速高可靠傳輸。 2 網絡數(shù)控的特點： 　　目在數(shù)控網絡系統(tǒng)中，應用的協(xié)議有SERCOS（Serial Real-time Communication System）和HSB （High speech Serial Bus）等。 [align=center] 圖1 ：SERCOS網絡拓樸[/align] 　　SERCOS接口的控制器可以根據需要接上一個或幾個環(huán)結構。圖1的拓樸圖只是一個例子，由其拓樸結構也可以看出，它糅合使用了主從結構和環(huán)狀結構。 　　HSB的拓樸結構相對SERCOS要簡單些。它主要是主從式結構。 　　由于數(shù)控系統(tǒng)的特點，它對底層設備間的數(shù)據通信要求比較高，必須保證高實時性和高可靠性的要求。例如CNC（Computer Numeric Controller）控制器主機單元和插補軸單元、驅動單元等的連接，這類控制器具有ms級的較短控制周期，同時要求較高的通信可靠性，通信錯誤將導致較嚴重的后果，如加工零件的報廢等。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，構成的數(shù)控網絡的通信介質得用光纖。 　　這類高實時性、高可靠性的底層設備間典型的通信周期是1～5ms之間，典型的有效通信數(shù)據量在500～2000bit之間。以上特點決定了CNC控制器通信存在短周期、短數(shù)據幀等特點， 所以在物理層用VHDL在FPGA上設計點對點通信模塊時，必須考慮到這些基本的要求。 　　不管是構成SERCOS還是HSB網絡，為了能夠擴展更多的結點，點對點的有效位速度都應該不小于4M，雖然組網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，這類網絡中實際通信位速率要遠大于有效位速率。其通信效率保守估計只有15%～30%。 3 光纖通信在數(shù)控網絡中的實現(xiàn) 　　不管是SERCOS還是HSB結構的數(shù)控網絡系統(tǒng)，當經過仲裁從站獲得總線控制權后，主站跟從站的通信就是點對點的通信。所以依據數(shù)控系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據特點，實現(xiàn)點對點的高實時、高可靠光纖通信是基本環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)是在物理層來實現(xiàn)的。 　　在物理層點對點通信的外圍接口模型如下： [align=center] 圖2 ：外圍接口模型[/align] 　　該模塊是用VHDL語言在FPGA中實現(xiàn)的。它的功能是將在數(shù)據鏈路層打包好的數(shù)據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)據解碼后交給數(shù)據鏈路層。物理層的主要工作幾乎都由該模塊來實現(xiàn)。 　　該模塊的具體任務包括：與數(shù)據鏈路層接口、與光纖收發(fā)器的接口、數(shù)據的編解碼、數(shù)據的并串轉換、數(shù)據過采樣或數(shù)據時鐘恢復、數(shù)據字對齊等功能。 　　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，低八位是高八位數(shù)據的地址。 　　inport[15..0]:從總線中接受到的十六位數(shù)據， 低八位是高八位數(shù)據的地址。 　　senddata：發(fā)送數(shù)據信號，當給它一個跳變時，outport中數(shù)據將進行CRC、4b/5b編碼，然后從data_out中串行發(fā)送。 　　Ack_y:當接收到一個對方發(fā)送過來的，表明對方已經正確接收到數(shù)據的握手信號時，它會發(fā)生一次跳變。 　　Ack_n:當接收到一個對方發(fā)送過來的，表明對方沒有正確接收到數(shù)據的握手信號時，它會發(fā)生一次跳變。 　　Receive_ok：當接收到對方發(fā)來的數(shù)據并且crc校驗正確后，它會有一個跳變，同時把數(shù)據從inport端口輸出，給對方發(fā)送一個接收正確的握手信號幀。當接收的數(shù)據沒有通過crc校驗時，receive­_ok不變，數(shù)據不輸出，只給對方發(fā)送一個接收錯誤的握手信號幀。 　　2）：與光纖的接口： 　　data_in:發(fā)送的串行數(shù)據。 　　data_out:接收的串行數(shù)據。 　　3）：數(shù)據編解碼： 　　發(fā)送數(shù)據時，先用4b/5b編碼，然后用CRC編碼;接收數(shù)據時，則反過來，先用CRC解碼，然后用4b/5b解碼。本模塊采用的循環(huán)碼生成多項式是歐洲標準的CRC-16。 　　4）：數(shù)據并串轉換： 　　將outport中十六位數(shù)據編碼后串行輸出，從光纖總線中接收到的串行數(shù)據解碼后在inport中并行輸出。 　　5）：數(shù)據過采樣或數(shù)據時鐘恢復： 　　在異步通信模式下，需要用采樣辦法將介質上傳輸?shù)臄?shù)據進行0、1判決，以生成接收端數(shù)據，由于異步模式下缺乏發(fā)送端的相位信息，難以保證采樣點位于數(shù)據的中間位置，即通信“眼圖”的中部，該處的數(shù)據有足夠的保持時間，是最佳判決點，因此在接受端采用過采樣的方法，每個bit的數(shù)據周期內，采樣數(shù)據5次，且在數(shù)據發(fā)生0->1的變化時開始采樣，取最中間的采樣結果作為該次采樣的結果。 　　發(fā)送的數(shù)據幀格式如下： 　　發(fā)送的幀的類型有：數(shù)據幀、握手幀（接收正確的握手幀和接收錯誤的握手幀），所以在該模塊中必須要解決好它們的互斥和優(yōu)先級的問題。 在本模塊中是用狀態(tài)機的機制來實現(xiàn)的：給數(shù)據幀、接收正確握手幀、接收錯誤握手幀分別給個標志位：sign_data、sign_ack_y、sign_ack_n。當有數(shù)據幀要發(fā)送時，sign_data置1。當發(fā)送完數(shù)據幀時，sign_data復位為0，握手幀也一樣，模塊的狀態(tài)為：idle、SendingAck_y、SendingAck_n、SendingData，它們的狀態(tài)跳轉關系如下： [align=center] 圖3 ：狀態(tài)機跳轉圖[/align] 　　從跳轉關系圖也可以看出，當同時有握手幀和數(shù)據幀要發(fā)送時，是先發(fā)送握手幀的，這是因為握手幀比起數(shù)據幀來要短得多，所以先發(fā)送它能提高整體傳輸效率。 　　數(shù)據鏈路層對該模塊的操作是：把要發(fā)的數(shù)據幀發(fā)給ouport端口，然后給senddata一個跳變沿，此信號為開始發(fā)送信號。如果收到ack_y握手信號，則發(fā)下一幀數(shù)據，如果接收到ack_n握手信號，表示發(fā)送失敗，則重發(fā)，如果在合理的時間內沒接收到握手信號，則定義為超時，也重發(fā)，如果重發(fā)了三次還是失敗，則用中斷方式通知系統(tǒng)，通信失敗。這樣就能保證數(shù)控系統(tǒng)中數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_可靠。不會出現(xiàn)因某幀數(shù)據傳輸失敗而導致比較嚴重的后果，比如工件的報廢。 4 仿真 　　該仿真用的采樣時鐘是100M（用quartusII綜合出來后實際的采樣時鐘還可以更高），從結果可以看出：從senddata跳變把outport的數(shù)據鎖存，并開始發(fā)送數(shù)據開始，到接收到握手信號的周期是1.15us，在這十六位數(shù)據中，低八位是地址，高八位才是有效數(shù)據，所以其有效位速率為6.95M，該有效速度完全能滿足數(shù)控網絡的要求。 　　雖然這是仿真結果，但在實際數(shù)控系統(tǒng)中運行時的效果跟它是一樣的，該光纖通信模塊在實際系統(tǒng)中的調試已經結束。 5 結束語 　　在工廠自動化越來越高的今天，用光纖構成的數(shù)控網絡系統(tǒng)必將大大提高中國企業(yè)的核心競爭力。為中國企業(yè)全面參與國際競爭提供技術質量保證。 參考文獻 　　[1] M. Week and Jochen Wolf .STEP-NC-The STEP compliant NC Programming Interface:Evaluation and Improvement of the modern Interface [Z].IMS Forum. Ascona/Switzerland,October/2001. 　　[2] 鄒澤明等. 網絡數(shù)控系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成研究[J]. 機床與液壓,2003,（5）. 　　[3] 陳衛(wèi)福，楊建武. 開放式數(shù)控系統(tǒng)及SERCOS接口應用技術 .機械工業(yè)出版社. 　　[4] 董孝義，王延堯. 新一代光纖通信與同步網原理與發(fā)展[M].天津：天津科學技術出版社. 　　[5] 周凱. 數(shù)控系統(tǒng)體系結構研究 [J] 中國機械工程2002, 13 （5）. 　　[6] 黃智偉，王彥. FPGA系統(tǒng)設計與實踐.電子工業(yè)出版社. 　　[7] 劉小俊等，基于VHDL語言的全雙工異步接收發(fā)送器電路設計 . 微計算機信息 . 2005. Vol.21 No.1 P.156-157