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(jì)性,。采用PC機(jī)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(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng),，并對SERCOS-III的通信功能進(jìn)行仿真驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實(shí)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(shí)例來驗(yàn)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(diǎn)

　　最近，由于實(shí)時擴(kuò)展技術(shù)的發(fā)展,，實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)延伸到運(yùn)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(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)后,，SERCOS發(fā)展到了SERCOS-III階段,。因?yàn)镾ERCOS-III采用了Time Divison Multiplex Access（TDMA）時間片通信機(jī)制，所以其實(shí)時性在運(yùn)動控制領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先水平[5-6],。融入實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)之后,，SERCOS技術(shù)已經(jīng)實(shí)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(shí)時的環(huán)境,，SERCOS-III增加了一個與非實(shí)時通道同時運(yùn)行的實(shí)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(shí)時通道與實(shí)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(shí)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(dú)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(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),，兩種結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn),，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(jìn),，把拓?fù)浣Y(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(dú)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(yàn)證SERCOS-III的通信功能,，本文基于PC機(jī)設(shè)計了SERCOS-III通信仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)以PC機(jī)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(jìn)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(shí)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,。

　?。?）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(yùn)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(diǎn)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(yùn)行監(jiān)測部分設(shè)計

　　從站運(yùn)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(xì)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(shí)際情況,，包括預(yù)設(shè)加工曲線和實(shí)際加工曲線，以及從站實(shí)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(shí)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(yàn)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(diǎn)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(xiàng),，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(xiàng)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(xiàng)是為了驗(yàn)證數(shù)控加工程序的正確性而設(shè)置的,。此處只是為了驗(yàn)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(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備控制單元與數(shù)字伺服裝置之間實(shí)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(jìn)行仿真驗(yàn)證,，對SERCOS-III協(xié)議的推進(jìn)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義,。

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