0 引言

　　高速高精數控加工要求在數控系統中進行大量數據的傳輸，為了保證數據及時準確地輸送，對系統的實時性和可靠性都提出了很高的要求。一方面，隨著工業現場環境和控制對象本身的日益龐雜，外圍設備與數控系統的交互信息越來越多；另一方面，一些已經具備獨立性的功能模塊作為一種全新的優化方式和拓撲結構融入到數控系統的功能框架中，形成具備網絡特征協同處理的數控系統控制網絡。因此，采用現場總線構建開放結構數控系統成為一種必然的技術發展趨勢。

　　目前，不少學者對基于現場總線的數控系統進行了研究。文獻[1,2]構建了基于現場總線的開放式架構數控系統，實現了系統功能的可重構。文獻[3]通過建立同步網絡模型，解決基于現場總線的控制系統通信，但存在延遲問題。文獻[5]介紹了一種利用藍牙技術構建一個無線制造網絡的方法，用該方法取代現有數控機床有線通信方式，以此建設無線制造工業環境，該方法在工業現場的實用性和可靠性還有待驗證。文獻[8]建立了現場總線通信協議的基本模型，為設計新的或統一的協議標準奠定了基礎，文獻[10-12]介紹了基于CAN總線的通信機理，但是針對的是中低擋數控系統，無法滿足高檔數控裝置對實時性和可靠性的要求。

　　本文提出了一種分布式的六軸數控系統，CNC控制器與內裝式PMC、遠程操作面板之間數據通信采用現場總線，這種數控系統結構擴展性好，而且連線方便。論文設計了一種面向數控系統的現場總線協議，實現現場總線接口能滿足實時性和可靠性要求。

1 基于現場總線的數控系統結構

　　傳統數控系統大多是采用專用體系結構，系統功能固定、人機界面不靈活、軟硬件開放性差，并且采取集中式控制方式，不利于與其他網絡設備進行互連。基于現場總線的開放式數控系統可以與現場的設備相連形成一個控制系統網絡，實現分布式的控制。采用現場總線的數控系統還能根據機床廠家和最終用戶的需求，對其軟硬件功能進行剪裁和重新構造，因此它能夠滿足高檔數控系統的需要。

　　本文設計的加工中心用六軸數控系統，由CNC控制器、顯示與數據操作終端、內裝式PMC、遠程操作面板等幾部分組成，總體結構如圖1所示。CNC控制器包括嵌入式工控主板和運動控制模板，嵌入式工控主板負責數控系統的人機界面、數據文件管理和加工代碼預處理等功能。運動控制模板采用DSP+FPGA的硬件結構，負責數控系統的大多數實時控制任務，包括代碼譯碼、多軸插補運算、速度控制、模式管理等；同時，CNC控制器作為數控系統的主節點負責控制系統網絡初始化、協調控制節點數據交換以及控制命令發送等功能。數控系統的其他分布式控制節點還包括內裝式PMC、遠程操作面板等，內裝式PMC負責輸入輸出信號的邏輯控制，實現I/O數據掃描、PMC邏輯運算功能，遠程操作面板利用數字接口，把機床操作面板的主控制信號送給CNC控制器。這種結構結合了嵌入式工控主板的開放性和DSP的高速處理能力，具有開發性高、運算速度塊、可靠性高等特點。

圖1 基于現場總線的六軸數控系統總體結構

　　CAN協議是建立在國際標準組織開放系統互連模型之上，其協議簡單，最高通信速率可達1Mbit/s，直接傳輸距離高達10km，采取多主工作方式，高抗電磁干擾性、糾錯能力強；同時，CAN接口安裝方便，成本低。因此，本論文選用CAN總線作為PMC與CNC控制器之間的數據通信方式。圖2為內裝式PMC板的原理結構圖，它的基本I/O點數是64/64點，可擴展到128/128點。PMC板使用了TI公司的TMS320F2812數字處理器，該DSP內集成了CAN控制器。

圖2 內裝式PMC板原理結構圖

　　遠程操作面板也是通過CAN總線與CNC控制器進行通信，主要傳送來自操作面板的開關信號，同時接收來的響應信號。遠程操作面板采用AT89S52單片機，使用獨立CAN控制器SJA1000T。

2 面向數控系統的現場總線通信協議

　　高檔數控系統要實現高速高精控制，這既要在內部完成大量的數據傳輸，同時還要保證通信的實時性和可靠性。本文定義了一種面向數控系統的高速現場總線通信協議，這種協議能保證數控系統中各節點之間的循環通信周期達到16ms。協議采用帶29位報文標識符的擴展幀，其通信報文形式如表1所示。CAN報文由擴展的29位標識符、1位數據類型、1位遠程發送請求、4位該幀內數據段數據長度、0~8字節數據段、16位循環冗余碼CRC、2位應答位和1位幀結尾組成。

　　CAN標識符的分配在設計通信系統應用層協議時非常重要，它決定了信息和相關的優先權及信息的等待時間，同時也影響了信息濾波適用性、合理的通信結構適用性和標識符使用的效率。報文標識符中包含有優先標記、目標地址、源地址、幀類型、幀號、保留位、結束標記，其格式如表2所示。

　　其中，優先標記(1位)是用來標記當前幀的優先級別。對于正常信息，該位置為1，對于緊急信息(如報警信息、緊急斷電等)，將該標記置0。該標記先于其他幀占用總線，在最短的時間內到達目的地址；

　　目標地址(7位)：指定該幀數據或信息所要到達的目的地；

　　源地址(7位)：指定該幀數據或信息的來源地址；在數控系統中，對每個CAN模板都設定一個地址號，用來區分不同的設備。CAN總線上的節點個數主要取決于總線驅動電路，目前最多可達110個。本文采用了長度為7位的目標地址和源地址，可以有128個編碼地址，完全滿足系統需要。

　　幀類型(1位)：用來標記該幀數據場中的內容是要傳輸的數據內容還是通訊協議的控制信息；

　　幀號(8位)：是用來標記數據拆分后的幀塊序號；由于每個郵箱最多可存放8字節即64位的數據，而消息的大小不定，CNC運動控制器側輸入信號有32位，可以直接傳輸給，刀庫表信息和梯形圖程序段卻遠遠超過64位，需要分段傳輸。在傳輸超過8字節長度的數據時，按照每塊8字節對數據進行拆分，根據數據的先后順序，指定相應的幀號，從0遞增。幀號采用8位表示，取值范圍為0～255，用這種方式完全滿足本控制系統的通信需求。

　　保留(4位)：用作擴展，可以根據功能擴展的需要增加其他功能；

　　結束標記(1位)：是用來標記該數據包傳輸過程的結束。

　　CAN通信報文數據段要傳送的數據包括MST代碼、I/O信息、當前刀盤位置信息、梯形圖程序、刀庫表信息以及遠程操作面板信號。

3 數控系統CAN安全通信軟件設計

　　TMS320F2812數字處理器上集成了增強型CAN（eCAN）總線通信接口，完全支持CAN2.0B總線規范。同時，帶有32個完全可配置的接收/發送郵箱，支持消息的定時郵遞功能，最高通信速率可以達到1Mbps。另外，eCAN模塊能夠實現靈活穩定的通信，且使用起來非常方便，只要對位時序配置寄存器、屏蔽寄存器、郵箱配置寄存器等相關寄存器進行配置就可以使用。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，DSP的CAN接口發送和接收線路并不是直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，而是在中間加入了一級高速光耦6N137，UC101、UC103為光耦6N137，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。另外，CAN接口電路采用的雙線差分驅動，極大地抑制了工業現場干擾信號的影響，保證了數控系統通信的可靠性。具體電路如圖3所示。