0 引言

　　現(xiàn)場總線以其高速、實時、穩(wěn)定、費用低廉等優(yōu)點得到越來越廣泛的應用，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡中使用最廣泛的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術的迅速發(fā)展，引起了數(shù)控系統(tǒng)結構的改變，數(shù)控系統(tǒng)已從簡單的運動軌跡控制器轉(zhuǎn)變成貫穿數(shù)字化制造全過程的系統(tǒng)級平臺，基于現(xiàn)場總線技術的數(shù)控系統(tǒng)已進入成熟階段。同時，隨著全數(shù)字伺服技術的發(fā)展，數(shù)字接口替代了傳統(tǒng)模擬接口。開發(fā)基于現(xiàn)場總線技術及全數(shù)字伺服技術的全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)是目前國際高檔數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而。國際上存在多種現(xiàn)場總線協(xié)議標準。國際電工委員會(IEC)于2007年公布的IEC61158第4版包含了20種現(xiàn)場總線協(xié)議標準，其中l(wèi)O種是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標準。未列入國際標準的現(xiàn)場總線協(xié)議更多。這些現(xiàn)場總線協(xié)議以及采用這些協(xié)議生產(chǎn)的產(chǎn)品互不兼容，因而用戶的選擇及產(chǎn)品的更新都受到了限制。

　　為實現(xiàn)全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)能夠兼容多種現(xiàn)場總線，達到屏蔽現(xiàn)場總線差異的目的，本文在參考現(xiàn)場總線協(xié)議模型的基礎上，建立了數(shù)控總線結構模型，設計了一個統(tǒng)一的應用層架構，分析了多種現(xiàn)場總線集成環(huán)境下能夠兼容各種總線的技術需求，并對關鍵性技術提出了解決方案。文中詳細介紹了數(shù)控總線結構模型、統(tǒng)一的應用層架構和關鍵性技術及其解決方案。

1 數(shù)控總線結構模型

　　現(xiàn)場總線的協(xié)議模型如圖1所示。一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層。它是在ISO／OSI開放系統(tǒng)互連7層參考模型的基礎上進行了簡化，省去了第3~6層，使得數(shù)據(jù)的傳輸效率更高。

　　本數(shù)控總線結構模型采用協(xié)議棧思想，在現(xiàn)有底層的基礎上，對各總線協(xié)議進行了面向應用的擴展。協(xié)議棧內(nèi)存放著各種總線，通過向上層提供統(tǒng)一的服務接口，屏蔽各種總線的差異。系統(tǒng)設計完全在主站上依靠軟件來實現(xiàn)，從站不需做任何改變。同時參考現(xiàn)場總線協(xié)議模型。以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎，并對其加以改造，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層組成。

　　物理層：定義接口和通信媒體的機械和電氣規(guī)范。本模型中保持各總線的物理層不變。數(shù)據(jù)鏈路層：為應用層提供周期、實時、無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。本模型中保持各總線的鏈路層不變。數(shù)據(jù)鏈路層中并列存放著各種總線的鏈路層，如MECHATROLINK III(M3)鏈路層、EtherCAT鏈路層、NCSF鏈路層等。

　　應用層：為屏蔽各總線的差異。向用戶提供統(tǒng)一的服務接口。模型中將應用層劃分為應用接口子層和協(xié)議接口子層。應用接口子層維護站點之間的安全。可靠的傳輸通路，并向用戶程序提供統(tǒng)一的傳

　　輸服務、設備服務、總線管理服務。協(xié)議接口子層屏蔽各總線差異，通過服務協(xié)議映射機制將應用接口子層的服務及協(xié)議映射成具體總線的服務及協(xié)議，并根據(jù)不同的總線類型選擇對應的鏈路，實現(xiàn)用戶程序與數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)交互。

2 應用層通用化設計

　　2.1 統(tǒng)一應用層架構的設計

　　在數(shù)控總線結構模型的基礎上設計了一個統(tǒng)一的應用層架構。

　　(1)應用接口子層：為數(shù)控系統(tǒng)應用程序提供統(tǒng)一的服務，包括傳輸服務、設備服務、總線管理服務等。傳輸服務包括連接服務、同步傳輸服務、異步傳輸服務和傳輸管理服務。傳輸管理服務對應用層的傳輸狀態(tài)進行管理，包括初始化、同步異步轉(zhuǎn)換、狀態(tài)查詢及安全等服務。根據(jù)設備裝置的不同，設備服務包括伺服驅(qū)動服務、主軸服務、I／O服務、傳感器服務等?？偩€管理服務包括總線配置服務、總線查詢服務等。這些服務通過服務解釋器及服務映射管理機制映射到具體總線的應用層服務。該層還為各總線提供了統(tǒng)一的單位系、統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一的總線配置結構、統(tǒng)一的狀態(tài)機、統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)類型及對象字典。

　　基本數(shù)據(jù)類型包括位元型、字符型、整型、浮點型、串型、布爾型、枚舉型、結構體等。其中整型分為有符號整型和無符號整型，都可以使用8位、16位、32位、64位等多種方式進行存儲，如INT8(8位整數(shù))、UINT8(8位無符號整數(shù))、INTl6(16位整數(shù))、UINTl6(16位無符號整數(shù))、INT32(32位整數(shù))、UINT32(32位無符號整數(shù))、INT64(64位整數(shù))、UINT64(64位無符號整數(shù))等。

　　對象字典包括服務對象字典和協(xié)議對象字典。對象字典為應用接口子層服務及協(xié)議數(shù)據(jù)提供對應的具體總線應用層服務及協(xié)議數(shù)據(jù)結構的解釋和定義。

　　(2)協(xié)議接口子層：通過服務映射管理機制將應用接口子層提供的服務映射到具體總線的應用層服務，如M3應用層服務、EtherCAT應用層服務、NCSF應用層服務等。并將統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)映射成具體總線的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)。然后根據(jù)總線類型選擇相應的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)用戶程序與數(shù)據(jù)鏈路層之問的數(shù)據(jù)交互。此外，還要維護站點地址的管理，邏輯地址和物理地址的映射等。

　　服務解釋器、服務映射管理及協(xié)議映射管理通過站點的邏輯地址判斷總線類型，查詢對象字典，完成應用接口子層的服務協(xié)議到具體總線應用層的服務協(xié)議之間的解釋和映射。

　　2.2 應用層通信模型

　　應用接口子層主要包括應用接口子層服務、協(xié)議數(shù)據(jù)及對象字典；協(xié)議接口子層主要包括服務映射管理、地址管理及協(xié)議映射管理，用以實現(xiàn)統(tǒng)一應用協(xié)議數(shù)據(jù)到具體總線應用層協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。具體總線應用層調(diào)用對應的數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務，完成數(shù)據(jù)通信。

　　2.3 應用層狀態(tài)機

　　應用層在不同時刻可處于不同的運行狀態(tài)，應用層的操作可觸發(fā)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，在不同的狀態(tài)下可提供不同的服務及操作。狀態(tài)機包括初始狀態(tài)、就緒狀態(tài)、異步連接狀態(tài)、同步連接狀態(tài)、連接釋放狀態(tài)、錯誤狀態(tài)和結束狀態(tài)。

　　狀態(tài)說明：S0：初始狀態(tài)，設備裝置上電后站點的應用層初始狀態(tài)；S1：就緒狀態(tài)，站點初始化成功后等待建立連接的狀態(tài)；S2：異步連接狀態(tài)，在該狀態(tài)下可以提供異步傳輸服務；s3：同步連接狀態(tài)，在該狀態(tài)下既可以提供同步傳輸服務也可以提供異步傳輸服務；S4：連接釋放狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸結束后連接斷開所進入的狀態(tài)；S5：錯誤狀態(tài)，運行過程中出現(xiàn)錯誤的狀態(tài)，在該狀態(tài)下不能提供傳輸服務；S6：結束狀態(tài)，服務關閉等待設備裝置下電的狀態(tài)。

　　操作說明：11D：執(zhí)行初始化服務(無異常)；T1：執(zhí)行初始化服務(異常)；他：執(zhí)行異步連接服務(無異常)；T3：執(zhí)行同步連接服務(無異常)；T4：執(zhí)行連接服務(異常)；T5：執(zhí)行同步／異步轉(zhuǎn)換服務(無異常)；T6：執(zhí)行釋放連接服務(無異常)；”：發(fā)生異步傳輸錯誤；T8：發(fā)生同步錯誤；四：執(zhí)行釋放連接服務(異常)；T10：執(zhí)行結束處理；T11：執(zhí)行恢復操作；T12：執(zhí)行錯誤處理。

3 關鍵性技術及其解決方案

　　協(xié)議接口子層及應用接口子層的實現(xiàn)是設計的關鍵，需要解決以下幾個主要問題：總線站點地址的一致性；應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式的一致性；參數(shù)單位的一致性；總線配置結構的一致性和服務接口的一致性。下面對這幾個問題進行分析，并給出詳細的解決方案。

　　3.1 統(tǒng)一的站點地址設計

　　各個總線的站點地址不同，如M3站點的物理地址為16位，EtherCAT站點的物理地址為48位。為使各總線有統(tǒng)一的站點地址，系統(tǒng)對站點設備采用統(tǒng)一編址。所有現(xiàn)場網(wǎng)絡中的站點都有統(tǒng)一的邏輯地址。每個總線上的站點都可以使用統(tǒng)一的邏輯地址進行通信。

　　邏輯地址為32位，其首8位用來標識總線類型。如M3、NCSF、EtherCAT總線等；次8位用來標識設備類型，如標準伺服、高分辨率伺服、多軸伺服、主軸、I／O設備、傳感器、變頻器等；后16位用來標識站點。其中OxOOXXXXXX用來表示主站的邏輯地址。

　　為了兼顧各總線的物理地址的不同。物理地址設為48位，用來存放各總線站點的物理地址。當數(shù)據(jù)鏈路層用到物理地址時．對其進行截取變換成相應總線站點的物理地址。系統(tǒng)維護站點邏輯地址和物理地址的一一對應關系。

　　3.2 統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式

　　不同總線的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式差別較大，在此，定義一種統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)報文格式。當向底層傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生協(xié)議映射時。只需將其映射為具體總線的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式。當?shù)讓佑袛?shù)據(jù)上傳時，只需將具體總線的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)報文封裝成統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)報文。如圖7所示。目的標識代表了接收站點的邏輯地址，源標識代表了發(fā)送站點的邏輯地址。長度代表了有效數(shù)據(jù)的長度，單位為字節(jié)。A／S用于標識同步(A／S=1)或異步(A／S=0)。C／R用于標識命令(C／R=1)或應答(C／R=0)。

　　3.3 統(tǒng)一的單位系

　　由于不同總線所使用的參數(shù)單位不同，且差別很大，為使參數(shù)有統(tǒng)一的單位標準。系統(tǒng)設計了統(tǒng)一的單位系。如表1所示。

　　其中指令單位是指移動負載的位置數(shù)據(jù)的最小單位。指令單位應在考慮機械規(guī)格、定位精度等因素之后再行決定。例如可為mill、inch、度(o)等。每種參數(shù)都提供了多種單位供用戶選擇。并提供了基本單位供用戶設置。例如位置參數(shù)單位選擇mm。其基本單位設置為10一mm=0．001mm；速度參數(shù)單位選擇mm／s，其基本單位設置為10-3mm／s=0.001mm／s等。用戶可以根據(jù)具體的應用情況。選擇不同的參數(shù)單位及基本單位進行設置。使得在模塊之間傳遞的數(shù)據(jù)值含義保持一致。

　　3.4 統(tǒng)一的總線配置結構

　　統(tǒng)一的總線配置結構在總線初始化階段用來配置總線信息，各總線根據(jù)自己的情況，對每一項進行初始化。

　　其中SLV_ST_MAX為系統(tǒng)所允許的最大從站數(shù)；wrong_addr表示主從站地址錯誤標識，0表示地址正確，l表示邏輯地址錯誤，2表示物理地址錯誤，3表示邏輯地址和物理地址都錯；st_laddr、st_paddr分別表示主從站的邏輯地址和物理地址，0號站為主站的地址。

　　3.5 統(tǒng)一的服務接口

　　各總線針對不同的從站設備所提供的應用層服務差別比較大，為向上層數(shù)控應用提供統(tǒng)一的訪問接口，系統(tǒng)設計了統(tǒng)一的應用層服務接口，包括傳輸服務、設備服務、總線管理服務等，并對各類服務進行了細分，給出了詳細的服務接口列表。

　　考慮到數(shù)控系統(tǒng)在實時性方面的要求，本文利用RTLinux實時內(nèi)核模塊對Linux操作系統(tǒng)進行了實時化改造。使其成為一個實時操作系統(tǒng)。以其作為軟件開發(fā)平臺，以C語言作為開發(fā)工具。系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)設備驅(qū)動方式來實現(xiàn)用戶訪問統(tǒng)一的服務接口，向上層應用程序屏蔽下層具體總線應用層服務接口函數(shù)實現(xiàn)細節(jié)的差異。每一種總線作為一個新設備加入設備鏈表，并為其注冊驅(qū)動程序，各總線驅(qū)動需要按照統(tǒng)一的服務接口實現(xiàn)自己的服務。

　　說明：其中TS_xxx表示傳輸服務，為從站設備提供連接、同步傳輸、異步傳輸、傳輸管理等服務。SV_xx表示伺服驅(qū)動服務，用來操作控制伺服軸；SPIN—xxxxx表示主軸服務，用來操作控制主軸；IO_xxx表示I／O服務，用來操作控制I／O設備；SENS_xxx表示傳感器服務，用來操作控制傳感器設備；NCB__表示總線管理服務，管理配置查詢各總線信息，包括總線配置服務、總線查詢服務等。各總線的服務接口按照BusType—DeviceType—XXX形式來實現(xiàn)，如M3一SV—velCtrl。

　　這樣設計的優(yōu)點表現(xiàn)在：

　　(1)將應用層劃分為應用接口子層和協(xié)議接口子層，各層的功能互不相同，使得系統(tǒng)層次結構更加明確。統(tǒng)一的應用層架構為各總線應用層的實現(xiàn)提供了參考。

　　(2)通過設計統(tǒng)一的站點邏輯地址、統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一的單位系、統(tǒng)一的總線配置結構以及統(tǒng)一的服務接口，屏蔽了各總線的差異，使得一個系統(tǒng)中兼容多種總線成為可能，具有很好的兼容性。

　　(3)統(tǒng)一的應用層服務接口屏蔽了各總線應用層服務的差異，對上層應用透明。對于新加入的總線，只需按照統(tǒng)一的服務接口實現(xiàn)自己的服務，具有很好的擴展性。

4 結束語

　　多現(xiàn)場總線兼容技術是當前現(xiàn)場總線技術的一個重要發(fā)展方向，實現(xiàn)一個數(shù)控系統(tǒng)中兼容多種總線，屏蔽各總線的差異具有重要的意義。本文在參考現(xiàn)場總線協(xié)議模型的基礎上，建立了數(shù)控總線結構模型，設計了一個統(tǒng)一的應用層架構，分析了多總線兼容的技術需求，并對關鍵性技術提出了解決方案。該設計屏蔽了各總線差異，向用戶程序提供了統(tǒng)一的服務接口，具有很好的兼容性和擴展性。下一步的工作將根據(jù)具體總線的協(xié)議規(guī)范，按照本文設計的統(tǒng)一的應用層架構及統(tǒng)一的服務接口，實現(xiàn)具體總線的應用層服務，并將其應用于數(shù)控系統(tǒng)中。