浅谈高速数控现场总线物理层的研究

1 前言

　　现场总线以其高速、实时、稳定、费用低廉等优点得到越来越广泛的应用，迅速发展成为工业控制网络中使用最广泛的通信网络。现场总线技术的迅速发展，引起了数控系统结构的改变，数控系统已从简单的运动轨迹控制器转变成贯穿数字化制造全过程的系统级平台，基于现场总线技术的数控系统已进入成熟阶段。现场总线以数字通信代替了传统模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接自动化控制设备和现场设备的数字式、多节点、双向、串行的通信系统。由于商业利益的驱使和地域发展状况的不同以及各种经济社会的复杂原因，数控现场总线从产生到蓬勃发展，始终未能建立统一的国际标准，处于多种标准共存，相互竞争、百家争鸣的格局。目前国际上存在多种数控现场总线及标准，如 SERCOS 总线、Profibus 总线、EtherCAT 总线、NCSF 总线、MECHATROLINK 总线等。在国内，中国首部数控总线国家标准--GB/T18759.3-2009《开放式数控系统 第3 部分：总线接口与通信协议》，在2009 年发布。它们的通信协议及数据交换接口完全不同、存在很大的差异性，因而它们的相关产品互不兼容，这使得 CNC 系统的功能扩展、测控产品的更新换代以及用户的选择等都受到了限制，只能使用原有总线的相关产品。开发基于数控现场总线技术的全数字式数控系统是目前国际高档数控系统的发展趋势。全数字式数控系统也是一种开放式数控系统，要求具有可互换性、可伸缩性、可移植性、可扩展性、可互操作性等特点。本文结合广州数控的GSK-LINK 协议，论述高速现场总线的物理层研究。

2 总线协议模型

　　基于总线接口与通信规范的设计要求，参考 ISO/OSI 开放式系统互联模型，GSKLINK 采用层次化体系结构，由主要由物理层、数据链路层、应用层、用户层、 表示层、会话层6 层组成，如表 1 所示。本数控总线结构模型采用协议栈思想在现有底层的基础上，对各总线协议进行了面向应用的扩展，协议栈内存放着各种总线，通过向上层提供统一的服务接口，屏蔽各种总线的差异，系统设计完全在主站上依靠软件来实现，从站不需做任何改变，同时参考现场总线协议模型，以开放系统互连参考模型为基础，并对其加以改造，由物理层、数据链路层、应用层行规组成。

表1 数控总线协议模型

　　(1)用户层行规

　　总线网络的应用进程，以数据结构形式给出用户命令，包括通信管理命令、装置控制命令、运动控制命令以及 I/O 控制命令。

　　(2)应用层

　　包括应用层服务和应用层协议2 方面。应用层服务为用户层行规提供服务；应用层协议规定应用层数据规范和服务状态机以及与协议的映射、封装和差错控制。

　　(3)数据链路层

　　分为抽象数据链路层和实际数据链路层2 个子层。ADLL 为应用层和 RDLL 提供转换。RDLL 是制造商和用户可选的现有标准数据链路层，不作具体规定，只提出可选时的要求。

　　(4)物理层

　　与实际数据链路层一样，只提出了可选时的要求。