基于現場總線的可重構數控系統的研究

圖2基于FPGA的可重構系統結構

這種新型的數字邏輯系統從資源利用率來講，可以動態重構地復用資源，資源利用率將成倍地提高，所需的硬件規模也將大大下降。同時，由于不是采用指令運算而是采用硬件復用原理，在某種意義上還有助于系統工作速度的提高。

2基于現場總線的數控系統的研究

2．1 PROFIBUS總線簡介

開放式數控系統的兩個重要內涵是自身接口的標準化、協議化和分布式體系的模塊互連結構，這實際上與現場總線的技術綱領是一致的，即開放的、互聯的接口規范和通信規范所組成的控制系統模型。因此，采用現場總線技術構建開放結構數控系統是一種必然的技術發展趨勢，而且這種趨勢定位在體系結構這個級別上，由此會徹底影響數控系統的設計、操作和配置等一系列特征，它正在觸發傳統數控技術領域內的重大變革，特別是伴隨著開放式數控技術的研究和應用的升溫，以數控系統為控制中心的控制系統和控制平臺框架正在形成。

PROFIBUS是一種國際性的開放式現場總線標準，目前已廣泛應用于加工制造和過程控制，屬于成熟的總線技術，世界上眾多自動化技術生產廠家都為他們的設備提供了PROFIBUS接口。PROFI—BUs—DP是經過優化的高速廉價的通信連接，專為自動化系統和分散的現場控制設備之間通信而設計，特別是加工制造過程的控制，因此是分布式控制系統的高速數據傳輸的首選，而且PROFIBUS—DP定義了非常適合于數控系統功能實現的專用行規。所謂行規，就是根據應用的行業，對用戶數據的含義進行了具體的、有針對性的定義和說明，從而使不同生產商的自動化設備只要遵循行規的格式描述，就可以實現互換。PROFIBUS—DP共有3個特別為數控應用定義的行規：

(1)NC／RC行規(文件編號：3．052) 描述了如何通過PRoFIBUS—DP對機器人和數控機床機型進行控制，提供了詳細的順序圖解，從高級自動化的角度描述了機械運動和過程控制的實現。

(2)編碼器行規(文件編號：3．062) 描述了帶單轉或多轉分辨率的旋轉編碼器、角度編碼器和線性編碼器與PROFIBUS—DP的連接，并為這些設備分兩種等級定義了基本功能和附加功能，如標定、中斷處理和擴充的診斷。編碼器正是數控系統中各類伺服電機和主軸電機測量位置和速度的核心測量傳感器。

(3)變速傳動行規(文件編號：3．071) 描述了傳動設備如何參數化以及如何傳送設定值和收集實際值，它包括對速度控制和定位控制的必要規格參數規定基本的傳動功能，又為特殊的應用擴展和進一步協議進化留有余地。

可見，采用PROFIBUS—DP作為基礎，進行分布式數控系統的設計是最合適的，而且符合未來技術的發展趨勢。

2．2 PROFIBUS—DP總線時間特性分析

PROFIBUS—DP采用單一的總線存取協議，通過開放式系統互聯(0pen System Interconnect，OSI)參考模型的第2層實現，包括數據的可靠性以及傳輸協議和報文的處理。在PROFIBUS—DP中，這一層被稱為現場總線數據鏈路(Fieldbus DataLink，FDL)，但實際上由介質存取控制(MediumAccess Control，MAC)子層來具體控制數據傳輸的程序，并且保證在任何時刻只能有一個站點設備發送數據。這也是PROFIBUS—DP協議設計旨在滿足的基本要求。

在復雜的自動化系統(主站)間通信，必須保證在確切的時間間隔中，任何一個站點都要有足夠的時間來完成通信任務；而在復雜的主控制器和簡單的I／O設備之間，應盡可能快速而又簡單地完成數據的實時傳輸。因此，PROFIBUS—DP的總線存取協議包括主站與主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。

數控系統在處理某些連續任務過程中，對實時性的要求很高，如復雜軌跡曲線連續控制和現場關鍵信號的采集等。因此，必須對PROFIBUS—DP的時間特性進行分析，為數控系統設計提供依據。

圖3是一個單主站PRoFIBUS—DP系統在不同通訊速率下，總線通信循環時間隨從站點數量增加的變化趨勢。假設每個DP從設備有2 byte的輸入和2 byte的輸出數據，最小的從間隔時間是200μs，TID1一75 TBit，TSDR一11 TBit。顯然，從站數量是決定總線循環時間的主要因素，但相對而言，高速傳輸受到的影響就很小。圖4描述了總線上用戶數據通訊流程和數據格式，以此為例來計算和分析總線上的信息循環時間。

一個8位二迸制數(1 byte)按11位傳輸，電文頭和尾由11 byte或9 byte組成，因此，當波特率為1．5 M時，1 TBit為0．666 7μs(1個8位二進制數-11 TBit-7．33μs)；當波特率為12 M時，1 TBit為83 ns(1個8位二進制數-11 TBit—0．913μs)。

圖3 PRoFIBUS—DP單主站系統的通信循環時間

圖4 PRoFIBUS—DP用戶數據交換原理

一般考慮到現場傳輸環境和延遲，在實施中還要加上約10％～20％的余量。主從通訊信息循環時間的具體計算公式如下：

TMc-(TSYN+TID1+TSDR+Hender+I×11+O×11)×Slaves。

式中,TMc為信息循環時間，按位時間計；TSYN為同步時間，典型的為33 TBit；TID1為在主站的空閑時間，典型的為75 TBit；TSDR為在從站的站延遲時間，最小值為11 TBit，最大為60 TBit至800 TBit不等，典型的為11 TBit；Hender為在請求和響應幀中的電文頭，198 TBit；I為每個從站的輸入數據字節數；O為每個從站的輸出數據字節數；Slaves為從站個數。