0引言高速高精数控加工请求在数控系统中进行大批数据的传输，为了保证数据及时正确地输送，对系统的实时性和可靠性都提出了很高的请求。 一方面，随着工业现场环境和把持对象本身的日益复杂，外围设备与数控系统的交互信息越来越多；另一方面，一些已经具备性的功效模块作为一种全新的优化方法和拓扑结构融入到数控系统的功效框架中，形成具备网络特点协同处理的数控系统把持网络。 因此，采用现场总线构建结构数控系统成为一种必定的技巧发展趋势。 目前，不少学者对基于现场总线的数控系统进行了研究 文献[1，2]构建了基于现场总线的式架构数控系统，实现了系统功效的可重构。 文献[3]通过建立同步网络模型，解决基于现场总线的把持系统通信，但存在延迟问题。 文献[5]介绍了一种利用蓝牙技巧构建一个无线制作网络的方法，用该方法代替现有数控机床有线通信方法，以此建设无线制作工业环境，该方法在工业现场的实用性和可靠性还有待验证。 文献[8]建立了现场总线通信协议的基础模型，为设计新的或统一的协议标准奠定了基础，文献[10-12]介绍了基于CAN总线的通信机理，但是针对的是中低挡数控系统，无法满足高级数控装置对实时性和可靠性的请求。 本文提出了一种散布式的六轴数控系统，CNC把持器与内装式PMC、远程操作面板之间数据通信采用现场总线，这种数控系统结构扩大性好，而且连线方便。 论文设计了一种面向数控系统的现场总线协议，实现现场总线接口能满足实时性和可靠性请求。 1基于现场总线的数控系统结构传统数控系统大多是采用专用系统结构，系统功效固定、人机界面不机动、软硬件性差，并且采用集中式把持方法，不利于与其他网络设备进行互连。 基于现场总线的式数控系统可以与现场的设备相连形成一个把持系统网络，实现散布式的把持。 采用现场总线的数控系统还能根据机床厂家和最终用户的需求，对其软硬件功效进行剪裁和重新结构，因此它能够满足高级数控系统的需要。 本文设计的加工中心用六轴数控系统，由CNC把持器、显示与数据操作终端、内装式PMC、远程操作面板等几部分组成，总体结构如图1所示。 CNC把持器包含嵌入式工控主板和运动把持模板，嵌入式工控主板负责数控系统的人机界面、数据文件管理和加工代码预处理等功效。 运动把持模板采用DSP+FPGA的硬件结构，负责数控系统的大多数实时把持任务，包含代码译码、多轴插补运算、速度把持、模式管理等；同时，CNC把持器作为数控系统的主节点负责把持系统网络初始化、和谐把持节点数据交换以及把持命令发送等功效。 数控系统的其他散布式把持节点还包含内装式PMC、远程操作面板等，内装式PMC负责输入输出信号的逻辑把持，实现I/O数据扫描、PMC逻辑运算功效，远程操作面板利用数字接口，把机床操作面板的主把持信号送给CNC把持器。 这种结构联合了嵌入式工控主板的性和DSP的高速处理能力，具有开发性高、运算速度块、可靠性高级特点。 图1基于现场总线的六轴数控系统总体结构CAN协议是建立在国际标准组织系统互连模型之上，其协议简略，最高通信速率可达1Mbit/s，直接传输距离高达10km，采用多主工作方法，高抗电磁干扰性、纠错能力强；同时，CAN接口安装方便，成本低。 因此，本论文选用CAN总线作为PMC与CNC把持器之间的数据通信方法。 图2为内装式PMC板的原理结构图，它的基础I/O点数是64/64点，可扩大到128/128点。 PMC板应用了TI公司的TMS320F2812数字处理器，该DSP内集成了CAN把持器。 图2内装式PMC板原理结构图远程操作面板也是通过CAN总线与CNC把持器进行通信，重要传送来自操作面板的开关信号，同时吸收来的响应信号。 远程操作面板采用AT89S52单片机，应用CAN把持器SJA1000T。 2面向数控系统的现场总线通信协议高级数控系统要实现高速高精把持，这既要在内部完成大批的数据传输，同时还要保证通信的实时性和可靠性。 本文定义了一种面向数控系统的高速现场总线通信协议，这种协议能保证数控系统中各节点之间的循环通信周期达到16ms。 协议采用带29位报文标识符的扩大帧，其通信报文情势如表1所示。 CAN报文由扩大的29位标识符、1位数据类型、1位远程发送恳求、4位该帧内数据段数据长度、0~8字节数据段、16位循环冗余码CRC、2位应答位和1位帧结尾组成。 CAN标识符的分配在设计通信系统利用层协议时非常重要，它决定了信息和相干的优先权及信息的等候时间，同时也影响了信息滤波实用性、合理的通信结构实用性和标识符应用的效率。 报文标识符中包含有优先标记、目标地址、源地址、帧类型、帧号、保存位、结束标记，其格式如表2所示。 其中，优先标记(1位)是用来标记当前帧的优先级别 对于正常信息，该地位为1，对于紧急信息(如报警信息、紧急断电等)，将该标记置0。 该标记先于其他帧占用总线，在最短的时间内达到目标地址；目标地址(7位)：指定该帧数据或信息所要达到的目标地；源地址(7位)：指定该帧数据或信息的起源地址；在数控系统中，对每个CAN模板都设定一个地址号，用来区分不同的设备。 CAN总线上的节点个数重要取决于总线驱动电路，目前最多可达110个。 本文采用了长度为7位的目标地址和源地址，可以有128个编码地址，完整满足系统需要。 帧类型(1位)：用来标记该帧数据场中的内容是要传输的数据内容还是通信协议的把持信息；帧号(8位)：是用来标记数据拆分后的帧块序号；由于每个邮箱最多可存放8字节即64位的数据，而消息的大小不定，CNC运动把持器侧输入信号有32位，可以直接传输给，刀库表信息和梯形图程序段却远远超过64位，需要分段传输。 在传输超过8字节长度的数据时，按照每块8字节对数据进行拆分，根据数据的先后次序，指定相应的帧号，从0递增。 帧号采用8位表现，取值领域为0～255，用这种方法完整满足本把持系统的通信需求。 保存(4位)：用作扩大，可以根据功效扩大的需要增长其他功效；结束标记(1位)：是用来标记该数据包传输过程的结束。 CAN通信报文数据段要传送的数据包含MST代码、I/O信息、当前刀盘地位信息、梯形图程序、刀库表信息以及远程操作面板信号。 3数控系统CAN安全通信软件设计TMS320F2812数字处理器上集成了加强型CAN（eCAN）总线通信接口，完整支撑CAN2.0B总线规范。 同时，带有32个完整可配置的吸收/发送邮箱，支撑消息的定时邮递功效，最高通信速率可以达到1Mbps。 另外，eCAN模块能够实现机动稳固的通信，且应用起来非常方便，只要对位时序配置存放器、屏蔽存放器、邮箱配置存放器等相干存放器进行配置就可以应用。 为了加强CAN总线节点的抗干扰能力，DSP的CAN接口发送和吸收线路并不是直接与PCA82C250的TXD和RXD相连，而是在中间参加了一级高速光耦6N137，UC101、UC103为光耦6N137，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。 另外，CAN接口电路采用的双线差分驱动，极大地克制了工业现场干扰信号的影响，保证了数控系统通信的可靠性。 具体电路如图3所示 |
