數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422串行通信協(xié)議的設計方案

1、數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422串行通信協(xié)議的設計- 機電論文數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422 串行通信協(xié)議的設計數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422 串行通信協(xié)議的設計范鵬飛 1 崔錫奎 2 王祥寶 1 劉敬猛 2（ 1.阜陽軸承有限公司，安徽阜陽236000 ；2. 北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，中國北京100191 ）【摘要】一個復雜的數(shù)控系統(tǒng)，模塊眾多，如何使得各模塊間通訊實時且可靠是一個關鍵。 研究了數(shù)控系統(tǒng)各模塊間的通信協(xié)議，設計了串行通信協(xié)議和軟件框圖，并給出了串行通信硬件設計的電路圖。最后通過數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場加工實驗驗證了該通信協(xié)議設計的有效性。關鍵詞 ARM ；數(shù)控系統(tǒng)；通信協(xié)議 ;串行通

2、信； RS-422 總線；數(shù)控系統(tǒng)是制造業(yè)的基石，是制造設備的設備。國家在國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要）1 中明確提出，基本實現(xiàn)高檔數(shù)控機床、工作母機與關鍵零部件的自主設計制造，并確定了高檔數(shù)控的發(fā)展為優(yōu)先主題。RS-422 是一個通用的物理通信接口規(guī)范， 規(guī)定了物理接口的電氣特性，而不涉及協(xié)議。 在此基礎上，用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議2 。該通信協(xié)議既滿足數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求又大大降低開發(fā)成本3 。本文結合阜陽軸承有限公司- 北京航空航天大學聯(lián)合開發(fā)的兩軸數(shù)控車床系統(tǒng)，設計了一種基于RS-422 總線標準的串行通信協(xié)議并討論了基于此的硬件以及軟件的設計，完成了相關的現(xiàn)場試驗。1 數(shù)控

3、系統(tǒng)串行通信模塊介紹隨著現(xiàn)代數(shù)控技術的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的功能越來越多，系統(tǒng)的構成也越來越復雜，除了運算速度不斷提高外，硬件的升級、 擴展和維護都要在系統(tǒng)設計時考慮。圖 1 是數(shù)控系統(tǒng)的結構框圖，主要包括4 部分：主板、系統(tǒng)鍵盤板、用戶鍵盤板和接口板。接口板連接IO 和伺服電機。系統(tǒng)鍵盤用于G 代碼編程，該矩陣式鍵盤通過并行總線與主板FPGA 連接。主板包括 ARM 和 FPGA 兩塊處理器。FPGA 是協(xié)處理器，負責時序、“方向+ 脈沖”信號、接口擴展。ARM是主處理器搭載 UCOS 操作系統(tǒng)實現(xiàn) G 代碼編輯、編譯、界面、插補運算。該主板搭載三個異步串口， UART0 、UART1 和 UAR

4、T2 。UART0 接超級終端，打印系統(tǒng)信息。 UART1 和 UART2 擴展成 RS422 ，分別接操作鍵盤板和接口板通過串口進行通信。串行通信的波特率是115200bps ，8 為數(shù)據(jù)位， 1 位停止位，沒有校驗位。機床的主令開關、指示燈、繼電器、電磁閥、用戶鍵盤板的手動調整開關等通過 RS-422 傳至 ARM 。這種通訊架構主要有以下三個優(yōu)點：第一，用戶鍵盤和接口板從主板上分離出來，用RS422 連接，便于安裝，并且兼容了不同類型的數(shù)控系統(tǒng)。第二，用雙RS422 而不用 RS485 ，最大限度提高帶寬，簡化應用層通信軟件的設計。 第三，設計了一套完整的幀傳送協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)快速有效傳

5、遞。2 串行通信硬件設計圖 2 是 RS-422 接口電路圖 4 ，該系統(tǒng)的接口板和操作鍵盤板的信息采集是通過 RS-422 完成的。選擇 RS-422 的理由如下：（ 1） RS-422 的通信速率和誤碼率完全能夠達到信號傳輸?shù)囊蟆?（ 2）RS-422 是工業(yè)標準的總線， 可靠性高，應用廣泛，價格低廉。（3）ARM 端有 UART，F(xiàn)PGA 端可通過 IO 口擴展串口。（ 4） MAX3491 可將 LVTTL/CMOS 的信號轉換為 RS-422 的差分信號。本系統(tǒng)用到 3 片 MAX3491 ，分別接在主板的 ARM 上，接口板的 FPGA 上，和用戶鍵盤板的 FPGA 上。圖 2

6、中的 MAX3491 右側是 3.3V 的 LVTTL/CMOS 信號，接 ARMS3C2410 的 UART 管腳或者 FPGA 的 IO 口。 FPGA 選用 Cyclone 的EP1C6Q240 ，對于串口 115200bps的波特率，可用 FPGA 的通用 IO 口。由于RS-422 采用輸入、輸出通道獨立，三態(tài)門緩沖器的控制引腳/RE 接高， DE 接低。 MAX3491左邊的信號是差分信號。RS422_T+ 、RS422_T- 是差分信號輸出的正和負， RS422_R+ 、RS422_R- 是差分信號輸入的正和負。差分信號在進入電平轉化芯片MAX3491之前進行濾波和限幅處理，消除

7、信號在傳輸過程中接收到的噪聲。 L1 是濾波器，消除共模干擾。D1D4 、R11 、R12 將信號大致限幅在電源和地之間， 避免尖峰電壓損壞接口芯片。C9 是壓片電容， 25V/104 ，接在接口芯片的電源和地之間。3 串行通信協(xié)議的設計本協(xié)議解決上位機（ ARM ）和下位機（ FPGA）間的數(shù)據(jù)傳輸，約定了數(shù)據(jù)格式、通信的建立、故障的處理。3.1 幀結構串行通信分為異步串行和同步串行，RS-422是基于異步串行通信設計的。異步通信的雙方?jīng)]有時鐘，通信始于發(fā)送方的邏輯1 到邏輯 0的下跳沿，一般是 1 位起始位， 58 位數(shù)據(jù)位， 1 位奇偶校驗位， 1 位停止位。停止位是邏輯 1 ，停止后總

8、線保持邏輯1狀態(tài)，直到下一次的起始位出現(xiàn)。這樣，一次通信的信息量很小， 8 位數(shù)據(jù)最多只能表示256 種狀態(tài)，無法在復雜的通信系統(tǒng)中直接使用。 于是，將要傳送的數(shù)據(jù)按照一定的格式組成幀，由協(xié)議控制幀中的數(shù)據(jù)，一個字節(jié)接一個字節(jié)地發(fā)送和接收。(b) 字節(jié) Data0 解析圖 3(a) 是本文設計的通訊協(xié)議幀結構。對主站和從站，命令和數(shù)據(jù)的定義有所不同。幀長 12 個字節(jié)，編號 0 到 11 ，低編號字節(jié)先發(fā)、先收。幀頭 0X55 ，幀尾 0XAA ，編號是 10 的字節(jié)是累加和 SUM ，SUM 是 CMD 、Data7Data0共 9 個字節(jié)的累加。 幀長為 12 個字節(jié)的設計使得主板到接口板

9、和操作鍵盤板所有的通信信息均可在一幀內完成，節(jié)省了通信時間，ARMS3C2410的 FIFO 模式中斷支持一次12 字節(jié)的發(fā)送和接收。 該協(xié)議不需要 ID ，ARM 有兩個 UART，點對點連接接口板和用戶鍵盤板。圖3(b) 是一個字節(jié)Data0的解析， D7D0每位控制一個輸出端口，每位輸出端口（OUT-7OUT0）對應機床的一個繼電器或者電磁閥或者用戶鍵盤板的一個指示燈。數(shù)控機床的輸入輸出以及用戶鍵盤板上有很多這樣的數(shù)字IO ，它們經(jīng)過編碼后被填入圖3(a) 的 Data7Data0。3.2 通信的建立圖 4 是通訊建立的狀態(tài)機。幀的第1 字節(jié)是 CMD ，共 8 位，支持 256 個命令

10、。本數(shù)控系統(tǒng)用到的的常見命令：復位命令0X01 ，啟動命令0X02 ，停止命令 0X03 ，正常數(shù)據(jù) 0X04 。前三個命令要有應答。通信的建立從硬件復位開始，由主站（ ARM ）發(fā)起，在周期任務里發(fā)送復位命令0X01給從站，從站的狀態(tài)信息依賴這個復位命令進行初始化。從站完成復位以后， 發(fā)一個應答給主站， 表示復位已完成。然后，主站發(fā)送啟動命令0X02 ，該命令發(fā)給從站，啟動從站里的一些定時模塊， 為接下來的數(shù)據(jù)采集做準備。從站啟動完成后， 發(fā)送應答給主站，表示啟動已完成。接下來主站發(fā)一個數(shù)據(jù)幀，表示接數(shù)準備完成，同時打開看門狗計時器（溢出時間是3 秒）。每當收到從站發(fā)來的數(shù)據(jù)時看門狗計時器清

11、零，當看門狗計時器溢出時狀態(tài)機復位，表示通訊系統(tǒng)故障。此時，系統(tǒng)進入自修復自動通信狀態(tài)。通信系統(tǒng)建立以后，主站通過看門狗監(jiān)視從站的通信是否正常工作。主站收到來自從站的數(shù)據(jù)，根據(jù)自動循環(huán)或手動調整的加工要求決定是否返回應答數(shù)據(jù)?？紤]到頻繁的幀應答不僅需要大量的時間，而且還會造成死鎖。 本協(xié)議規(guī)定，當通信建立以后，從站每20ms 定時向主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，不管主站是否應答，當收到停止命令時，從站停止數(shù)據(jù)幀發(fā)送。4 串行通信協(xié)議的軟件設計函數(shù) RenewOSInitUart為 ARM9S3C2410的初始化代碼，解決串口初始化、串口發(fā)送中斷和接收中斷初始化問題。其中 ARM 的串口 1 接接口板，串口

12、 2 接用戶鍵盤板。具體的代碼如下所示：圖 5 是上位機 ARMS3C2410 串口接收中斷流程圖，使能了超時中斷。在正常情況下，當下位機開始向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的時候， ARMS3C2410 連續(xù)收到 12個字節(jié)的數(shù)據(jù)后， 進入接收中斷。若因為通信的原因沒有接收到觸發(fā)深度設定的12 個字節(jié)且三個字長的時間沒有收到任何數(shù)據(jù)，進入超時中斷。超時中斷和接收中斷共用同一個中斷源。 在接收中斷的最開始， 讀取接收數(shù)據(jù)長度， 看是否等于觸發(fā)深度12 ，若不是，說明是超時中斷，清空串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，丟棄數(shù)據(jù)，清零看門狗計時器， 中斷返回。當接收數(shù)據(jù)等于觸發(fā)深度，說明接收的是一幀完整的幀。把串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)逐個讀出

13、，送到接收數(shù)組，同時，計算累加和。接下來判斷幀頭、幀尾和累加和是否正確，若正確，將接收到的數(shù)據(jù)填充到IO 的據(jù)結構里去，稱 IO 處理。若不正確，丟棄數(shù)據(jù)，然后返回。5 系統(tǒng)實測結果圖 6（a）數(shù)控系統(tǒng)控制箱，包括系統(tǒng)鍵盤、用戶鍵盤、手輪、主軸波段開關和用于界面顯示的液晶屏。圖 6（ b）是數(shù)控系統(tǒng)的主板。圖 6（c）是自動加工時的操作和顯示界面。圖 6 （d ）是加工的工件。6 結論本文設計了一種RS-422 的通信協(xié)議，用于解決數(shù)控系統(tǒng)模塊間信號通信。利用 ARMS3C2410異步串行通信接口的資源， 結合模塊間數(shù)據(jù)通信的需求， 將中斷和 FIFO 幀（ 12 字節(jié)）用于數(shù)據(jù)通信。實現(xiàn)了下位機每隔20ms 向上位機傳送一次數(shù)據(jù)的功能。看門狗、超時中斷、出錯重發(fā)機制、幀頭幀尾和累加和校驗保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性和穩(wěn)定性。該協(xié)議應用在兩軸車床上， 完成了軸承外環(huán)溝道的小批量試產。 其加工樣品完全滿足工藝和誤差的要求，達到了預期的設計要求，驗證了本協(xié)議的有效性和實用性。參考文獻 1中華人民共和