摘  要： SERCOS-III是SERCOS總線技術(shù)發(fā)展的最新階段。它采用工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方式，結(jié)合了SERCOS總線技術(shù)的優(yōu)越性和工業(yè)以太網(wǎng)的經(jīng)濟性。采用PC機作為仿真系統(tǒng)的主站控制器，以基于AT91RM9200的SERCOS-III接口卡為從站，設(shè)計了SERCOS-III通信系統(tǒng)，設(shè)計了仿真系統(tǒng)主站控制面板和從站運行監(jiān)測系統(tǒng)，并對SERCOS-III的通信功能進行仿真驗證。

　　關(guān)鍵詞： SERCOS-III總線；通信系統(tǒng)；仿真

0 引言

　　SERCOS是一種用于傳動系統(tǒng)與數(shù)字伺服之間通信的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，是能夠?qū)崿F(xiàn)控制器與傳感器、伺服系統(tǒng)以及可編程控制器之間的實時數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。SERCOS-III融合了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，是開放式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊环N新型現(xiàn)場總線[4]，是SERCOS發(fā)展到目前的最新階段。本文基于通用微處理器ARM9及標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)軟硬件技術(shù)，開發(fā)采用SERCOS-III的通信仿真系統(tǒng)，并通過實例來驗證SERCOS-III的通信功能。

1 SERCOS-III通信系統(tǒng)的原理

　　1.1 SERCOS-III的特點

　　最近，由于實時擴展技術(shù)的發(fā)展，實時以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)延伸到運動控制領(lǐng)域，并成為可以覆蓋整個工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，融合實時以太網(wǎng)技術(shù)后，SERCOS發(fā)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(lǐng)域仍處于領(lǐng)先水平[5-6]。融入實時以太網(wǎng)技術(shù)之后，SERCOS技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)從伺服專用接口向工業(yè)以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)變。SERCOS-III既可以采用超五類雙絞線也可以使用光纜作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。為了應(yīng)用以太網(wǎng)的硬實時的環(huán)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(shù)化的非實時通道與實時通道一起傳輸以太網(wǎng)信息和IP協(xié)議的信息，包括TCP/IP和UDP/IP。

　　1.2 SERCOS-III物理層的結(jié)構(gòu)

　　SERCOS-III是基于實時以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)，它定義了標(biāo)準(zhǔn)的物理層，提供超過500個控制器與驅(qū)動器之間信息交互的參數(shù)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)上兼容SERCOS舊版本。SERCOS-III包括直線型和環(huán)型兩種拓撲結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)各具特點，直線型結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量電纜，環(huán)型結(jié)構(gòu)則提供了去冗余功能。其中環(huán)型結(jié)構(gòu)是在SERCOS-I/II的基礎(chǔ)上做出改進，把拓撲結(jié)構(gòu)由原來的單環(huán)型變成雙環(huán)型，如圖1和圖2所示。每一個部分都設(shè)有兩個通信通道，并且兩者之間是可轉(zhuǎn)換的。在SERCOS-III的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)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(shè)備或者一個從站控制幾個設(shè)備，并支持從站之間或者主站和從站之間的通信[7-8]。

　　當(dāng)SERCOS-III通信系統(tǒng)為雙環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)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(huán)路分別傳送各從站。如果系統(tǒng)為直線形拓撲結(jié)構(gòu)，主站的連接是被切斷的，報文的傳輸只形成一個環(huán)路。

　　主站會通過第一通道和第二通道發(fā)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(shù)據(jù)后，就將數(shù)據(jù)通過各自的通道轉(zhuǎn)發(fā)出去，主站可以通過兩個端口兩次收到從站返回的數(shù)據(jù)，但是只會處理其中的一個通道的數(shù)據(jù)。

2 SERCOS-III通信系統(tǒng)的設(shè)計

　　為了驗證SERCOS-III的通信功能，本文基于PC機設(shè)計了SERCOS-III通信仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)以PC機作為主站控制器，以SERCOS-III接口卡為從站，通過SERCOS-III數(shù)字接口總線進行連接。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　SERCOS-III通信系統(tǒng)是基于通用控制器以及在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件上加載軟件核心的模式設(shè)計的，主要包括SERCOS-III從站卡、主站控制和從站監(jiān)測三個部分。

　　2.1 SERCOS-III從站接口卡的設(shè)計

　　本文基于通用控制器ARM9，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件上加載SERCOS-III軟件核心設(shè)計了SERCOS-III從站接口卡，采用了基于ARM9內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的接口，所以，只需要在AT91RM9200芯片的基礎(chǔ)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(shè)計SERCOS-III接口卡時，通過增加一個網(wǎng)卡芯片DM9000來實現(xiàn)SERCOS-III從站卡的雙端口設(shè)計。

　　2.2 仿真系統(tǒng)主站控制部分的設(shè)計

　　主站控制部分主要包括功能界面、參數(shù)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(fā)送、保存、打開、暫停、停止等幾個功能按鈕，以及用于監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)測界面和網(wǎng)卡選擇窗口。

　　（2）參數(shù)界面

　　參數(shù)界面主要包括第二階段各從站的電報類型的設(shè)置，加工指令設(shè)置和第三階段的參數(shù)設(shè)置等功能。

　　（3）電報顯示界面

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

　　2.3 仿真系統(tǒng)從站運行監(jiān)測部分設(shè)計

　　從站運行監(jiān)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(jiān)測從站收到的主站所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的詳細情況，在該界面同樣可以看到從站收到的每個數(shù)據(jù)包的接收時間，所處的階段，包的數(shù)據(jù)長度、類型、內(nèi)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(yù)設(shè)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(shù)指令。

3 SERCOS-III通信系統(tǒng)仿真實現(xiàn)及結(jié)果

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

　　首先，選擇其中一個從站，點擊“設(shè)置指令”按鍵，彈出設(shè)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(shè)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(yù)先編好的數(shù)控加工指令載入仿真系統(tǒng)中，從而完成對工件的仿真加工，這個選項是為了驗證數(shù)控加工程序的正確性而設(shè)置的。此處只是為了驗證SERCOS-III仿真系統(tǒng)的基本功能，因此只需要設(shè)置簡單的模擬指令即可。從站的模擬指令參數(shù)設(shè)置如下：選擇正弦比例-積分-微分加工指令，設(shè)置A=10，W=5，P=1，I=0.6，D=0。參數(shù)設(shè)置好之后按“OK”按鈕，從而完成整個從站的加工指令的設(shè)置。同理，可設(shè)置另外一個從站的參數(shù)，正弦比例-積分-微分加工參數(shù)，設(shè)置A=10，W=8，P=1，I=0.5，D=0。

　　根據(jù)前面所設(shè)置的參數(shù)，最后仿真加工的圖形如圖6所示。

4 結(jié)束語

　　SERCOS協(xié)議是用于實現(xiàn)工業(yè)機械電氣設(shè)備控制單元與數(shù)字伺服裝置之間實時數(shù)據(jù)通信的一種現(xiàn)場總線協(xié)議，1995年被定為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61491，我國于2002年開始執(zhí)行由此轉(zhuǎn)化的國家標(biāo)準(zhǔn)[9]。本文設(shè)計了SERCOS-III通信系統(tǒng)，并建立仿真系統(tǒng)對SERCOS-III的通信功能進行仿真驗證，對SERCOS-III協(xié)議的推進具有很大的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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