基于NCUC-Bus现场总线的驱动信号转发装置的设计与实现

0 引言

　　随着数控机床高速高精加工的迅速发展，现场总线技术在数控系统中的运用越来越广泛。目前大部分国外数控机床都应用现场总线技术，国内也在积极开展这方面的研究与应用，其中基于数控联盟总线(NC Union of China Field Bus，NCUC．Bus)的数控系统产品已经崭露头角。NCUC-Bus协议是应用于数控系统的强实时现场总线协议，采用PHY+FPGA结构模式，整个协议的处理都在FPGA中实现，能够很好地满足包含运动控制的工业自动化控制的强实时、高可靠性要求，是发展高速、高精的数控系统必不可少的通信方式。

　目前大部分国产数控装置与驱动器之间采用的是脉冲量或模拟量的通信方式，这种通信方式速率低、控制复杂，且不适合长距离传输，不能满足数控系统高速高精的通信要求，成为数控系统发展的瓶颈。

　　本文针对脉冲量或模拟量通信存在的问题，结合NCUC-Bus现场总线强实时、高可靠性的特点，设计了一种基于NCUC—Bus现场总线的驱动信号转发装置，将信号和协议的处理在FPGA中实现，并结合FPGA外围电路的设计，将脉冲量或模拟量通信方式转换成现场总线通信方式，解决了“脉冲量或模拟量接口”的驱动器通信方式速率低、控制复杂，且不适合长距离传输的问题。

1 基于NCUC-Bus现场总线的驱动信号转发装置的硬件平台

　　NCUC-Bus网络是一种主-从式的现场总线网络，环路中拥有一个主站设备(主站)和多个从站设备(从站)。主站与从站依次连接，形成环形或线形网络拓扑结构，主站可以发送和接收数据，从站是数控系统中的驱动器、PLC、I／O板等设备。

　　NCUC-Bus现场总线通信网络可以将现场总线接口的驱动器直接作为从站，进而控制电机，这类的驱动器都是基于NCUC-Bus现场总线开发的数控系统产品，而市面上大部分的“脉冲量或模拟量接口”的驱动器不能直接串入NCUC-Bus现场总线的网络中，基于NCUC-Bus现场总线开发的驱动信号转发装置，将“脉冲量或模拟量接口”的伺服／主轴驱动器串入基于NCUC-Bus现场总线的网络，如图1所示。

图1基于NCUC-Bus现场总线的驱动信号转发装置的硬件平台

　　该驱动信号转发装置将基于NCUC—Bus总线驱动的输入／输出信号转换成“脉冲量或模拟量接口”驱动器可以接收的输入／输出信号，将数控装置与驱动器之间的通信方式转换成现场总线通信方式，提高数控系统的强实时和高可靠性，满足数控系统高速高精的通信要求。

2 基于NCUC-Bus现场总线的驱动信号转发装置的总体结构

　　基于NCUC—Bus现场总线的驱动信号转发装置利用FPGA设计周期短，开发费用低、风险小等优点，将信号转发器的信号处理在FPGA中实现，并结合FPGA的外围电路和接口实现驱动信号转发功能。该驱动信号转发装置设置了两个高密36接口，可以与两台驱动器连接，同时控制两台电机运行。根据驱动信号转发装置功能的实现，将其划分为以下六个功能模块，如图2所示。

图2基于现场总线的驱动信号转发装置的总体结构 

　　该驱动信号转发装置的六个功能模块包括：2路电机编码反馈信号输入。码盘反馈信号可以是绝对式或增量式，电机的码盘反馈信号经过保护滤波、差分转单、电平转换处理后输入到FPGA；12路数字量输入和12路数字量输出，都需要经光电隔离和电平转换后与FPGA连接；2路脉冲指令输出，经现场总线网络传输的脉冲指令，由FPGA进行转换、位置环控制及选择处理，通过单转差分转换为脉冲串和脉冲方向，对电机进行位置控制；2路模拟量输出，经现场总线网络传输的位置指令，由FPGA采集进行转换及选择处理，通过D／A转换芯片和电平转换为模拟量输出，对电机进行速度控制；光纤通信接口，NCUC-Bus现场总线的通信接口采用PHY芯片和光纤收发器来实现；FPGA芯片，FPGA是该驱动信号转发装置的核心部分，FPGA提供现场总线协议的实现、信号的转换及位置环的实现。该装置使用的FPGA芯片为Ahera公司的cyclone IIEP2C80208芯片，通过Quartus 118.0进行综合、时序分析及布局布线。

　　基于NCUC-Bus现场总线的驱动信号转发装置通过这六个功能模块的相互连接和配合，将基于NCUC-Bus总线驱动的输入／输出信号(包括位移／速度指令、编码反馈信号以及相关输入／输出)转换成“脉冲量或模拟量接口”驱动器可以接收的输入／输出信号，实现数控装置与驱动器之间的现场总线通信。