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

1、數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)- 機(jī)電論文數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422 串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)模塊間RS-422 串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)范鵬飛 1 崔錫奎 2 王祥寶 1 劉敬猛 2（ 1.阜陽(yáng)軸承有限公司，安徽阜陽(yáng)236000 ；2. 北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，中國(guó)北京100191 ）【摘要】一個(gè)復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)，模塊眾多，如何使得各模塊間通訊實(shí)時(shí)且可靠是一個(gè)關(guān)鍵。 研究了數(shù)控系統(tǒng)各模塊間的通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了串行通信協(xié)議和軟件框圖，并給出了串行通信硬件設(shè)計(jì)的電路圖。最后通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該通信協(xié)議設(shè)計(jì)的有效性。關(guān)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(shè)備的設(shè)備。國(guó)家在國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要）1 中明確提出，基本實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床、工作母機(jī)與關(guān)鍵零部件的自主設(shè)計(jì)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(gè)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(chǔ)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(shí)時(shí)性要求又大大降低開發(fā)成本3 。本文結(jié)合阜陽(yáng)軸承有限公司- 北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的兩軸數(shù)控車床系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于RS-422 總線標(biāo)準(zhǔn)的串行通信協(xié)議并討論了基于此的硬件以及軟件的設(shè)計(jì)，完成了相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。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(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的功能越來(lái)越多，系統(tǒng)的構(gòu)成也越來(lái)越復(fù)雜，除了運(yùn)算速度不斷提高外，硬件的升級(jí)、 擴(kuò)展和維護(hù)都要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮。圖 1 是數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)。系統(tǒng)鍵盤用于G 代碼編程，該矩陣式鍵盤通過(guò)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(fù)責(zé)時(shí)序、“方向+ 脈沖”信號(hào)、接口擴(kuò)展。ARM是主處理器搭載 UCOS 操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) G 代碼編輯、編譯、界面、插補(bǔ)運(yùn)算。該主板搭載三個(gè)異步串口， UART0 、UART1 和 UAR

4、T2 。UART0 接超級(jí)終端，打印系統(tǒng)信息。 UART1 和 UART2 擴(kuò)展成 RS422 ，分別接操作鍵盤板和接口板通過(guò)串口進(jìn)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(méi)有校驗(yàn)位。機(jī)床的主令開關(guān)、指示燈、繼電器、電磁閥、用戶鍵盤板的手動(dòng)調(diào)整開關(guān)等通過(guò) RS-422 傳至 ARM 。這種通訊架構(gòu)主要有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，用戶鍵盤和接口板從主板上分離出來(lái)，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(jiǎn)化應(yīng)用層通信軟件的設(shè)計(jì)。 第三，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(guò) 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(dá)到信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?（ 2）RS-422 是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總線， 可靠性高，應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉。（3）ARM 端有 UART，F(xiàn)PGA 端可通過(guò) IO 口擴(kuò)展串口。（ 4） MAX3491 可將 LVTTL/CMOS 的信號(hào)轉(zhuǎn)換為 RS-422 的差分信號(hào)。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(cè)是 3.3V 的 LVTTL/CMOS 信號(hào)，接 ARMS3C2410 的 UART 管腳或者 FPGA 的 IO 口。 FPGA 選用 Cyclone 的EP1C6Q240 ，對(duì)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(dú)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(hào)是差分信號(hào)。RS422_T+ 、RS422_T- 是差分信號(hào)輸出的正和負(fù)， RS422_R+ 、RS422_R- 是差分信號(hào)輸入的正和負(fù)。差分信號(hào)在進(jìn)入電平轉(zhuǎn)化芯片MAX3491之前進(jìn)行濾波和限幅處理，消除

7、信號(hào)在傳輸過(guò)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(hào)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(shè)計(jì)本協(xié)議解決上位機(jī)（ ARM ）和下位機(jī)（ 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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的。異步通信的雙方?jīng)]有時(shí)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(yàn)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(wú)法在復(fù)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(gè)字節(jié)接一個(gè)字節(jié)地發(fā)送和接收。(b) 字節(jié) Data0 解析圖 3(a) 是本文設(shè)計(jì)的通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)。對(duì)主站和從站，命令和數(shù)據(jù)的定義有所不同。幀長(zhǎng) 12 個(gè)字節(jié)，編號(hào) 0 到 11 ，低編號(hào)字節(jié)先發(fā)、先收。幀頭 0X55 ，幀尾 0XAA ，編號(hào)是 10 的字節(jié)是累加和 SUM ，SUM 是 CMD 、Data7Data0共 9 個(gè)字節(jié)的累加。 幀長(zhǎng)為 12 個(gè)字節(jié)的設(shè)計(jì)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(nèi)完成，節(jié)省了通信時(shí)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(gè) UART，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接接口板和用戶鍵盤板。圖3(b) 是一個(gè)字節(jié)Data0的解析， D7D0每位控制一個(gè)輸出端口，每位輸出端口（OUT-7OUT0）對(duì)應(yīng)機(jī)床的一個(gè)繼電器或者電磁閥或者用戶鍵盤板的一個(gè)指示燈。數(shù)控機(jī)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(guò)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(jī)。幀的第1 字節(jié)是 CMD ，共 8 位，支持 256 個(gè)命令

10、。本數(shù)控系統(tǒng)用到的的常見命令：復(fù)位命令0X01 ，啟動(dòng)命令0X02 ，停止命令 0X03 ，正常數(shù)據(jù) 0X04 。前三個(gè)命令要有應(yīng)答。通信的建立從硬件復(fù)位開始，由主站（ ARM ）發(fā)起，在周期任務(wù)里發(fā)送復(fù)位命令0X01給從站，從站的狀態(tài)信息依賴這個(gè)復(fù)位命令進(jìn)行初始化。從站完成復(fù)位以后， 發(fā)一個(gè)應(yīng)答給主站， 表示復(fù)位已完成。然后，主站發(fā)送啟動(dòng)命令0X02 ，該命令發(fā)給從站，啟動(dòng)從站里的一些定時(shí)模塊， 為接下來(lái)的數(shù)據(jù)采集做準(zhǔn)備。從站啟動(dòng)完成后， 發(fā)送應(yīng)答給主站，表示啟動(dòng)已完成。接下來(lái)主站發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)幀，表示接數(shù)準(zhǔn)備完成，同時(shí)打開看門狗計(jì)時(shí)器（溢出時(shí)間是3 秒）。每當(dāng)收到從站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)看門狗計(jì)時(shí)器清

11、零，當(dāng)看門狗計(jì)時(shí)器溢出時(shí)狀態(tài)機(jī)復(fù)位，表示通訊系統(tǒng)故障。此時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自修復(fù)自動(dòng)通信狀態(tài)。通信系統(tǒng)建立以后，主站通過(guò)看門狗監(jiān)視從站的通信是否正常工作。主站收到來(lái)自從站的數(shù)據(jù)，根據(jù)自動(dòng)循環(huán)或手動(dòng)調(diào)整的加工要求決定是否返回應(yīng)答數(shù)據(jù)?？紤]到頻繁的幀應(yīng)答不僅需要大量的時(shí)間，而且還會(huì)造成死鎖。 本協(xié)議規(guī)定，當(dāng)通信建立以后，從站每20ms 定時(shí)向主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，不管主站是否應(yīng)答，當(dāng)收到停止命令時(shí)，從站停止數(shù)據(jù)幀發(fā)送。4 串行通信協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)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(wèn)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(jī) ARMS3C2410 串口接收中斷流程圖，使能了超時(shí)中斷。在正常情況下，當(dāng)下位機(jī)開始向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候， ARMS3C2410 連續(xù)收到 12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后， 進(jìn)入接收中斷。若因?yàn)橥ㄐ诺脑驔](méi)有接收到觸發(fā)深度設(shè)定的12 個(gè)字節(jié)且三個(gè)字長(zhǎng)的時(shí)間沒(méi)有收到任何數(shù)據(jù)，進(jìn)入超時(shí)中斷。超時(shí)中斷和接收中斷共用同一個(gè)中斷源。 在接收中斷的最開始， 讀取接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度， 看是否等于觸發(fā)深度12 ，若不是，說(shuō)明是超時(shí)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(jì)時(shí)器， 中斷返回。當(dāng)接收數(shù)據(jù)等于觸發(fā)深度，說(shuō)明接收的是一幀完整的幀。把串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)逐個(gè)讀出

13、，送到接收數(shù)組，同時(shí)，計(jì)算累加和。接下來(lái)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(jié)構(gòu)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(shí)測(cè)結(jié)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(guān)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(dòng)加工時(shí)的操作和顯示界面。圖 6 （d ）是加工的工件。6 結(jié)論本文設(shè)計(jì)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(hào)通信。利用 ARMS3C2410異步串行通信接口的資源， 結(jié)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(shí)現(xiàn)了下位機(jī)每隔20ms 向上位機(jī)傳送一次數(shù)據(jù)的功能。看門狗、超時(shí)中斷、出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制、幀頭幀尾和累加和校驗(yàn)保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性和穩(wěn)定性。該協(xié)議應(yīng)用在兩軸車床上， 完成了軸承外環(huán)溝道的小批量試產(chǎn)。 其加工樣品完全滿足工藝和誤差的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了本協(xié)議的有效性和實(shí)用性。參考文獻(xiàn) 1中華人民共和