基于SERCOS总线的高速数字通信系统研究

摘要

对于具有高实时、高性能要求的开放式控制系统,关键的核心技术之一是数控系统(CNC)和多个伺服驱动器之间的高速通信。本课题的研究目的是将SERCOS-Ⅱ总线技术引入到数控系统,设计开发基于SERCOS-Ⅱ总线的高速主从站网络通信模块,并且使得基于该结构的数控系统能通过主从站网络通信模块与数字伺服、传感器和PLC-IO等进行实时数据交换。
　　 首先,基于传统控制结构所存在的问题及对下一代通信接口要求,提出将现场总线技术引入到数控系统的高速通信接口。针对高速数控系统一般具有严格的同步要求或多电机协调运动的需求,结合对常用工业控制用现场总线调查和研究,选择采用SERCOS-Ⅱ总线技术构建高速数字通信系统。
　　 其次,研究SERCOS-Ⅱ总线协议特征和工作原理,并探讨其同步机制。分析系统整体结构,设计主从站硬件电路框图,详述各个功能模块的关键技术和硬件原理图设计。在研究高速PCB设计的关键问题基础上,考虑工业现场环境对通信系统可靠性的要求,在原理图和PCB板设计中引入EMC(电磁兼容)设计,完成高可靠性的硬件电路设计和开发。
　　 在软件设计方面,为了克服目前嵌入式软件静态开发方式的局限性,引入UML和设计模式的思想,构建基于UML的嵌入式可视化建模方案。并从UML建模的各个阶段出发,提出一种通用的基于嵌入式过程设计模式选择方法。在此基础上,给出使用UML对系统整个软件架构进行建模的全过程,并详述其中的关键技术。此外,介绍了SERCOS主从站驱动程序开发的主要技术细节,探讨SERCON816初始化参数的计算方法及周期性传输关键时间段的确定方案。
　　 最后,设计系统一致性测试方案,基于三轴联动数控系统SDS9-6CNCH,对SERCOS主站网络通信模块进行系统测试。测试结果表明:本课题自主开发的SERCOS网络通信模块,符合SERCOS-Ⅱ协议规程。性能上可支持对6轴伺服系统在系统插补周期为0.5ms时按规定的位置指令同步运行的控制需求。