摘  要： SERCOS-III是SERCOS總線(xiàn)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(xiàn)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(jì)了SERCOS-III通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了仿真系統(tǒng)主站控制面板和從站運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)SERCOS-III的通信功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

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

0 引言

　　SERCOS是一種用于傳動(dòng)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(shí)數(shù)據(jù)通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。SERCOS-III融合了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊环N新型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)[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(kāi)發(fā)采用SERCOS-III的通信仿真系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)例來(lái)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(shí)擴(kuò)展技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)延伸到運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，并成為可以覆蓋整個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，融合實(shí)時(shí)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(shí)間片通信機(jī)制，所以其實(shí)時(shí)性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域仍處于領(lǐng)先水平[5-6]。融入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)之后，SERCOS技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從伺服專(zhuān)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(lèi)雙絞線(xiàn)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(shí)的環(huán)境，SERCOS-III增加了一個(gè)與非實(shí)時(shí)通道同時(shí)運(yùn)行的實(shí)時(shí)通道，該通道用來(lái)傳輸SERCOS-III報(bào)文，包括傳輸命令值和反饋值等信息，參數(shù)化的非實(shí)時(shí)通道與實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)500個(gè)控制器與驅(qū)動(dòng)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(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)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(lái)的單環(huán)型變成雙環(huán)型，如圖1和圖2所示。每一個(gè)部分都設(shè)有兩個(gè)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(gè)控制單元可能包含多個(gè)獨(dú)立配置的主站，支持幾個(gè)從站控制一個(gè)設(shè)備或者一個(gè)從站控制幾個(gè)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(shí)，主站是雙向閉合的，報(bào)文可以通過(guò)兩個(gè)端口出來(lái)的兩個(gè)環(huán)路分別傳送各從站。如果系統(tǒng)為直線(xiàn)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主站的連接是被切斷的，報(bào)文的傳輸只形成一個(gè)環(huán)路。

　　主站會(huì)通過(guò)第一通道和第二通道發(fā)送同樣的報(bào)文到從站，每個(gè)從站接收到報(bào)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(guò)各自的通道轉(zhuǎn)發(fā)出去，主站可以通過(guò)兩個(gè)端口兩次收到從站返回的數(shù)據(jù)，但是只會(huì)處理其中的一個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

2 SERCOS-III通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　為了驗(yàn)證SERCOS-III的通信功能，本文基于PC機(jī)設(shè)計(jì)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(guò)SERCOS-III數(shù)字接口總線(xiàn)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(jì)的，主要包括SERCOS-III從站卡、主站控制和從站監(jiān)測(cè)三個(gè)部分。

　　2.1 SERCOS-III從站接口卡的設(shè)計(jì)

　　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(jì)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(mǎn)足SERCOS-III高速通信的需求，而且AT91RM9200帶有一個(gè)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(gè)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(jì)SERCOS-III接口卡時(shí)，通過(guò)增加一個(gè)網(wǎng)卡芯片DM9000來(lái)實(shí)現(xiàn)SERCOS-III從站卡的雙端口設(shè)計(jì)。

　　2.2 仿真系統(tǒng)主站控制部分的設(shè)計(jì)

　　主站控制部分主要包括功能界面、參數(shù)界面以及電報(bào)顯示界面幾個(gè)部分。

　　（1）功能界面

　　功能界面主要包括發(fā)送、保存、打開(kāi)、暫停、停止等幾個(gè)功能按鈕，以及用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)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(bào)類(lèi)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(bào)顯示界面

　　主站發(fā)送電報(bào)顯示部分主要用來(lái)監(jiān)測(cè)主站向各從站所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的情況，通過(guò)界面可以看到主站發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間、所處的通信階段、包的數(shù)據(jù)類(lèi)型、長(zhǎng)度、內(nèi)容等信息。通過(guò)點(diǎn)擊某個(gè)數(shù)據(jù)包，還可以查看數(shù)據(jù)包的主站同步報(bào)文，包括熱插拔以及服務(wù)通道的主站傳輸報(bào)文信息以及從站傳輸報(bào)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(cè)部分設(shè)計(jì)

　　從站運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)包的接收時(shí)間，所處的階段，包的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、類(lèi)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(xiàn)和實(shí)際加工曲線(xiàn)，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(jì)的SERCOS-III通信仿真系統(tǒng)包括兩個(gè)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(gè)從站的加工指令。

　　首先，選擇其中一個(gè)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(gè)選項(xiàng)，分別是模擬指令的設(shè)置以及來(lái)自指令值文件。模擬指令是一些簡(jiǎn)單的加工指令；來(lái)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(duì)工件的仿真加工，這個(gè)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(jiǎn)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(gè)從站的加工指令的設(shè)置。同理，可設(shè)置另外一個(gè)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(yǔ)

　　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(shí)數(shù)據(jù)通信的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，1995年被定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61491，我國(guó)于2002年開(kāi)始執(zhí)行由此轉(zhuǎn)化的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]。本文設(shè)計(jì)了SERCOS-III通信系統(tǒng)，并建立仿真系統(tǒng)對(duì)SERCOS-III的通信功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)SERCOS-III協(xié)議的推進(jìn)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 趙延龍，楊建武.基于FPGA的SERCOS-Ⅱ總線(xiàn)從站控制器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（11）：2573-2575.

　　[2] 余義，楊建武，崔凱.開(kāi)放式控制系統(tǒng)中SERCOS總線(xiàn)的接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13（11）：1257-1259.

　　[3] 康存鋒，陳衛(wèi)福，黃旭東，等.基于SERCOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速高精度運(yùn)動(dòng)控制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2002（6）：8-10.

　　[4] 朱義君.AT91系列ARM微控制器體系結(jié)構(gòu)與開(kāi)發(fā)實(shí)例[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

　　[5] 王曉初，吳乃優(yōu)，張勝輝，等.SERCOS通信協(xié)議在同步傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，2000（1）：13-15.

　　[6] 王永迎，楊建武.基于TMS320F2812的SERCOS總線(xiàn)從站接口卡的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2007，29（5）：94-96.

　　[7] 鄭國(guó)雄.SERCOS-III接口卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（15）：120-122.

　　[8] 陳鑒.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控仿真系統(tǒng)研究[D].南京：東南大學(xué)，2004.

　　[9] 畢紅楊.數(shù)控加工幾何仿真及開(kāi)發(fā)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2007.