伺服系统中基于 FPGA 的光纤通讯

伺服系统中基于FPGA的光纤通讯 刘永平控制理论与控制工程

一、目的和意义 • 随着数字伺服装置的发展，如何实现控制单元与数字伺服装置之间的数据通讯成为一个关键的问题，所以必须为控制单元和数字伺服装置配置合适的的数字接口，实现串行实时数据通讯。

目前在光纤通讯中应用最广泛的是SERCOS（Serial Real-time Communication Specification）,串行实时通讯协议，它是一种专门用在工业机械电气设备的控制单元与数字伺服装置及可编程控制器之间实现串行实时数据通讯的协议标准。虽然SERCOS相关的国际和国家标准的颁布都已有一段时间,但我国对SERCOS应用技术的研究尚处于起步阶段,相关介绍和技术资料比较少。而国外的SERCOS软硬件产品技术附加值高,价格昂贵,不利于在国内工业自动化领域中推广使用。

但工厂的加工及生产自动化是关系国民经济命脉的技术领域, C N C技术正是实现工厂自动化的核心所在,目前国内在大规模CNC系统数据传输控制方面并没有一套完善的标准和技术协议,S E R C O S技术的应用还很不成熟,并且很大程度上受限于国外的S E R C O S产品供应商。因此,为打破国外先进技术的垄断,进行具有自主知识产权的串行实时通讯协议的研究,有着非常广阔的应用前景和深远的战略意义。

二、开发内容 • 信号传输介质用光纤取代运动控制卡与伺服驱动器之间的模拟信号传输线，用FPGA开发出适用于上位机CNC与各伺服驱动器间的环路控制的通讯协议--HSSB。 • HSSB （High Speed Serial Bus）是基于FPGA的光纤通讯协议，它是要实现上位机CNC与伺服驱动器之间信号传输的高实时性，高精确性，高稳定性。

网络拓扑结构

三、开发方案 1.搭建硬件平台

2.通讯协议的开发 （1）HSSB串行通信协议的结构

物理层的具体任务包括：与数据链路层接口、数据的编解码、数据的并串转换、数据过采样或数据时钟恢复、数据字对齐等功能。物理层的具体任务包括：与数据链路层接口、数据的编解码、数据的并串转换、数据过采样或数据时钟恢复、数据字对齐等功能。 • 数据链路层将完成节点地址解析、数据帧成帧和解帧、CRC校验等任务 • 传输层包含对网络的访问控制的完整的控制状态机，包括对网络的某个站点的访问控制以及对通信出错的处理机制。 • 应用层整个通信过程的发起源和接收目的地，应用层和实际的应用程序相关，因此应用层不用硬件实现。只要应用层与底层具有数据接口进行数据交换，实时的数据通信由传输层来控制完成，应用层只需定时的刷新传输层的数据区和读取传输层的数据区。

（2）报文格式 主站的数据帧（MDT）格式

从站的数据帧（AT）格式

（3）通讯周期

主站向所有驱动器广播一个同步信号时开始一个通信周期，所有驱动器同时接受这个同步信号，根据这个信号，各个驱动器从站把自己的时钟跟主站进行对时，保证它们的内部处理，特别是控制环实现严格同步。主站向所有驱动器广播一个同步信号时开始一个通信周期，所有驱动器同时接受这个同步信号，根据这个信号，各个驱动器从站把自己的时钟跟主站进行对时，保证它们的内部处理，特别是控制环实现严格同步。 • 主站跟从站之间的数据交换可以根据上层系统的命令进入周期性的数据传输和非周期性的数据传输。

（4）在点对点的基础上实现环路的控制

四、预期成果与开发目标 • 实现光纤通讯的环路控制。 • 开发出能应用于实验室研发的伺服驱动器与CNC间光纤通讯的通讯协议。

五、进度计划 • 1.前期调研学习，学习通讯相关知识，学习SERCOS通讯协议，同时搭建好研究平台即4块通讯板 • 2.弄懂师兄所做HSSB通讯协议（点对点），查看光纤通讯方面的论文。 • 3.在HSSB通讯协议的基础上实现4块通讯板间的环路通讯。 • 4 .进一步开发通讯协议，使协议满足实验室开发的伺服驱动器与上位机之间通讯的需要。

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