数控系统中的光纤串行通信

　　(5)主站和各个从站收到同步信号时，一个数据传输周期开始，主站和各个从站的时间计数器模块开始计数，在通信周期内，各个站根据自己的地址和当前计数值，确定哪个时间槽属于该站点，当属于自己的时间槽到来时，该站点便拥有总线的数据发送权，向总线发送数据；数据传输周期开始后，主站在属于自己的时间槽内往从站发送数据。与此同时，主站接收ISA总线数据并对数据进行标志、缓存，完成数据的编码，实现握手机制，超时重发、出错重发，对发送数据进行并串转换及对接收的数据进行串并转换。

　　(6)主站发送一帧数据后，等待相应从站的应答信号，若收到从站的负应答信号，表示数据没有被从站正确接收，主站将重发上一帧数据并再次等待从站的应答信号，若连续两次收到从站的负应答信号，则产生错误中断并返回步骤(2)；若收到从站的正应答信号，表示数据被从站正确接收，主站在自己的时间槽内继续发送下一帧数据，若没有新的数据发送则等待该时间槽的结束。

　　(7)主站时间槽结束后，从站在属于自己的时间槽内往主站发送数据，从站发送一帧数据后，等待主站的应答信号，若收到主站的负应答信号，表示数据没有被主站正确接收，从站将重发上一帧数据并再次等待主站的应答信号，若连续两次收到主站的负应答信号，从站产生错误中断并返回等待新一次的同步信号；若收到主站的正应答信号，表示数据被主站正确接收，从站在自己的时间槽内继续发送下一帧数据，若没有新的数据可以发送则等待该时间槽的结束。

　　(8)主站和各个从站的时间计数器模块计数到设定值时，当前数据传送周期结束，主站返回步骤(2)，等待处理器指令或开始下一次数据传送周期，从站等待主站的同步信号。

　　以上阶段依次进行，不断循环，直到控制器终止传输或者环路传输错误被迫中断。

　　主站协议及从站协议的控制主体流程图如图4、图5所示。

图4主站控制流程图 

图5从站控制流程图 

　　3.3 数据编码特点

　　在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每位中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据速率的2倍。对于lOOMbps的高速网络，若采用该类编码方式，就需要200M的波特率，硬件成本是lOOM波特率硬件成本的5-10倍。

　　本系统的通信协议直接对基带进行编码，以适合光纤作为通信介质的传输方式。为提高编码效率，尽量减小硬件开销，同时方便同步信号的提取，这里采用4B／5B码对源码进行编码。例如，用于同步的报文起始符为连续的15个0，通过4B／5B编码可以有效地消除源码中可能存在的这种码组。4B／5B编码的规则如表1所示。

　　5位二进制代码的状态共有25=32种，从中取1的个数不少于2个的状态来表示0～F，这样就可以保证在介质上传输的代码能提供足够多的同步信息。

4 联合通信仿真及结果分析

　　在QuartusU6．0软件环境下设计好主从站各模块VHDL代码。为模拟主从站通信，设计一个新的顶层文件调用主从站模块，用该模块调用1个主站、3个从站。通过该顶层文件，仿真主站与3从站之间的数据通信。主站从站联合仿真通信的结果如图6所示。

图6主站从站联合通信仿真结果 

　　仿真时，由主站给各从站发送数据，各从站接收到相应的数据后，立即将接收到的数据重新发送给主站。根据各从站接收到的数据和主站接收到的数据，可以判断环路通信是否正常。

　　图6中，系统时钟board—clk设为100MHZ。viceaddressl、viceaddress2、viceaddress3分别为3个从站的ID号。StationTurn—M、StationTurn—vl、Station-Turn—v2、StationTurn—v3分别标志了主站及3个从站的数据发送权，高电平表示当前时间属于该站，该站具有数据发送权。reev—data—vl、reev—data—v2、recv—data—v3分别表示各从站接收到的数据，feedback—vl、feedback—v2、feedback—v3则分别表示各从站发送给主站的数据，这主要是模拟伺服电机编码数据的反馈o data—ok—M、data—ok—vl、data—ok—v2、data—ok—v3分别标志主站及各从站数据接收是否正确，若接收正确则电平翻转。recv—type和send—type则分别指示各从站在数据接收、发送过程中的状态，当环路通信出错时，可根据这些状态的显示去定位问题所在。主站发往从站1、从站2、从站3的数据分别初始化为X”fffl”、x”fff2”、X”fff3”，随后发送的数据则循环左移一位，发送时间间隔略大于通信周期，为100us(设置的协议通信周期为90us)。由结果可知，该通信协议能准确无误地实现主从站点间的数据传输。根据设计，该通信协议能够达到的最高有效数据传输速率为5.33Mb／s。如果对系统时钟进行倍频处理，该速率还可以进一步提高，如：系统时钟频率提高至150MHZ，最高有效数据传输速率为8Mb／s。

5 结束语

　　本文通过设计串行通信协议，并借助FPGA构建主从站，仿真实现了数控系统中基于光纤的环路高速串行通信。该设计目前已经在实际数控系统中得到成功运用，其简便灵活、高实时高稳定的性能很好地解决了传统数控系统存在的不易扩展、通信可靠性不高等问题。该设计为数控系统的开放性研究提供了一个很好的发展方向，后期可进一步通过优化VHDI．代码，改善通信部分细节，缩短通信周期等方式提高其通信性能。