摘  要： SERCOS-III是SERCOS總線技術發展的最新階段。它采用工業以太網的傳輸方式，結合了SERCOS總線技術的優越性和工業以太網的經濟性。采用PC機作為仿真系統的主站控制器，以基于AT91RM9200的SERCOS-III接口卡為從站，設計了SERCOS-III通信系統，設計了仿真系統主站控制面板和從站運行監測系統，并對SERCOS-III的通信功能進行仿真驗證。

　　關鍵詞： SERCOS-III總線；通信系統；仿真

0 引言

　　SERCOS是一種用于傳動系統與數字伺服之間通信的數據交換協議，是能夠實現控制器與傳感器、伺服系統以及可編程控制器之間的實時數據通信的國際標準[1-3]。SERCOS-III融合了工業以太網技術，是開放式數控系統實現高速數據實時傳輸的一種新型現場總線[4]，是SERCOS發展到目前的最新階段。本文基于通用微處理器ARM9及標準以太網軟硬件技術，開發采用SERCOS-III的通信仿真系統，并通過實例來驗證SERCOS-III的通信功能。

1 SERCOS-III通信系統的原理

　　1.1 SERCOS-III的特點

　　最近，由于實時擴展技術的發展，實時以太網技術已經延伸到運動控制領域，并成為可以覆蓋整個工業控制領域的網絡技術，融合實時以太網技術后，SERCOS發展到了SERCOS-III階段。因為SERCOS-III采用了Time Divison Multiplex Access（TDMA）時間片通信機制，所以其實時性在運動控制領域仍處于領先水平[5-6]。融入實時以太網技術之后，SERCOS技術已經實現從伺服專用接口向工業以太網的轉變。SERCOS-III既可以采用超五類雙絞線也可以使用光纜作為數據傳輸介質。為了應用以太網的硬實時的環境，SERCOS-III增加了一個與非實時通道同時運行的實時通道，該通道用來傳輸SERCOS-III報文，包括傳輸命令值和反饋值等信息，參數化的非實時通道與實時通道一起傳輸以太網信息和IP協議的信息，包括TCP/IP和UDP/IP。

　　1.2 SERCOS-III物理層的結構

　　SERCOS-III是基于實時以太網的通信系統，它定義了標準的物理層，提供超過500個控制器與驅動器之間信息交互的參數，并且獨立于任何制造廠商之外，包含了I/O控制的功能，使產品制造商不再需要使用單獨的I/O總線。SERCOS-III在界面、同步化和消息結構上兼容SERCOS舊版本。SERCOS-III包括直線型和環型兩種拓撲結構，兩種結構各具特點，直線型結構可以節省大量電纜，環型結構則提供了去冗余功能。其中環型結構是在SERCOS-I/II的基礎上做出改進，把拓撲結構由原來的單環型變成雙環型，如圖1和圖2所示。每一個部分都設有兩個通信通道，并且兩者之間是可轉換的。在SERCOS-III的網絡通信系統中，一個控制單元可能包含多個獨立配置的主站，支持幾個從站控制一個設備或者一個從站控制幾個設備，并支持從站之間或者主站和從站之間的通信[7-8]。

　　當SERCOS-III通信系統為雙環型拓撲結構時，主站是雙向閉合的，報文可以通過兩個端口出來的兩個環路分別傳送各從站。如果系統為直線形拓撲結構，主站的連接是被切斷的，報文的傳輸只形成一個環路。

　　主站會通過第一通道和第二通道發送同樣的報文到從站，每個從站接收到報文，處理好第一通道和第二通道的數據后，就將數據通過各自的通道轉發出去，主站可以通過兩個端口兩次收到從站返回的數據，但是只會處理其中的一個通道的數據。

2 SERCOS-III通信系統的設計

　　為了驗證SERCOS-III的通信功能，本文基于PC機設計了SERCOS-III通信仿真系統，系統以PC機作為主站控制器，以SERCOS-III接口卡為從站，通過SERCOS-III數字接口總線進行連接。系統的總體結構如圖3所示。

　　SERCOS-III通信系統是基于通用控制器以及在標準以太網硬件上加載軟件核心的模式設計的，主要包括SERCOS-III從站卡、主站控制和從站監測三個部分。

　　2.1 SERCOS-III從站接口卡的設計

　　本文基于通用控制器ARM9，在標準以太網硬件上加載SERCOS-III軟件核心設計了SERCOS-III從站接口卡，采用了基于ARM9內核的AT91RM9200作為SERCOS－III從站卡的主控制器，其硬件圖如圖4所示。

　　主控制器ARM9可以滿足SERCOS-III高速通信的需求，而且AT91RM9200帶有一個100 M的標準以太網的接口，所以，只需要在AT91RM9200芯片的基礎上增加一個100 M的物理層芯片。本文物理層芯片采用了DM9161。另外在設計SERCOS-III接口卡時，通過增加一個網卡芯片DM9000來實現SERCOS-III從站卡的雙端口設計。

　　2.2 仿真系統主站控制部分的設計

　　主站控制部分主要包括功能界面、參數界面以及電報顯示界面幾個部分。

　　（1）功能界面

　　功能界面主要包括發送、保存、打開、暫停、停止等幾個功能按鈕，以及用于監測系統運行狀況的監測界面和網卡選擇窗口。

　　（2）參數界面

　　參數界面主要包括第二階段各從站的電報類型的設置，加工指令設置和第三階段的參數設置等功能。

　　（3）電報顯示界面

　　主站發送電報顯示部分主要用來監測主站向各從站所發送的數據包的情況，通過界面可以看到主站發送數據包的時間、所處的通信階段、包的數據類型、長度、內容等信息。通過點擊某個數據包，還可以查看數據包的主站同步報文，包括熱插拔以及服務通道的主站傳輸報文信息以及從站傳輸報文的數據域信息等。

　　2.3 仿真系統從站運行監測部分設計

　　從站運行監測部分包括從站收到的信息顯示和加工圖形。

　　從站收到信息顯示用來監測從站收到的主站所發送的數據包的詳細情況，在該界面同樣可以看到從站收到的每個數據包的接收時間，所處的階段，包的數據長度、類型、內容等信息。加工圖形界面可以仿真出從站加工的實際情況，包括預設加工曲線和實際加工曲線，以及從站實際收到的第二、第三和第四階段的參數指令。

3 SERCOS-III通信系統仿真實現及結果

　　本文所設計的SERCOS-III通信仿真系統包括兩個從站，為了驗證SERCOS-III通信系統的各部分功能，分別設置這兩個從站的加工指令。

　　首先，選擇其中一個從站，點擊“設置指令”按鍵，彈出設置指令值窗口，如圖5所示，有兩個選項，分別是模擬指令的設置以及來自指令值文件。模擬指令是一些簡單的加工指令；來自指令值文件選項是把預先編好的數控加工指令載入仿真系統中，從而完成對工件的仿真加工，這個選項是為了驗證數控加工程序的正確性而設置的。此處只是為了驗證SERCOS-III仿真系統的基本功能，因此只需要設置簡單的模擬指令即可。從站的模擬指令參數設置如下：選擇正弦比例-積分-微分加工指令，設置A=10，W=5，P=1，I=0.6，D=0。參數設置好之后按“OK”按鈕，從而完成整個從站的加工指令的設置。同理，可設置另外一個從站的參數，正弦比例-積分-微分加工參數，設置A=10，W=8，P=1，I=0.5，D=0。

　　根據前面所設置的參數，最后仿真加工的圖形如圖6所示。

4 結束語

　　SERCOS協議是用于實現工業機械電氣設備控制單元與數字伺服裝置之間實時數據通信的一種現場總線協議，1995年被定為國際標準IEC61491，我國于2002年開始執行由此轉化的國家標準[9]。本文設計了SERCOS-III通信系統，并建立仿真系統對SERCOS-III的通信功能進行仿真驗證，對SERCOS-III協議的推進具有很大的現實意義。

參考文獻

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　　[4] 朱義君.AT91系列ARM微控制器體系結構與開發實例[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

　　[5] 王曉初，吳乃優，張勝輝，等.SERCOS通信協議在同步傳動系統中的應用[J].電工技術雜志，2000（1）：13-15.

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　　[7] 鄭國雄.SERCOS-III接口卡的設計與實現[J].微計算機信息，2009，25（15）：120-122.

　　[8] 陳鑒.基于網絡的數控仿真系統研究[D].南京：東南大學，2004.

　　[9] 畢紅楊.數控加工幾何仿真及開發[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2007.