基于SERCOS總線的模擬驅(qū)動(dòng)接口模塊設(shè)計(jì)

馬春峰

（威海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，威海 264210）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化制造裝備數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)以其高度的開放互聯(lián)性、簡化的分布控制性和可靠的環(huán)境兼容性等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，得到了裝備制造商的廣泛接受。目前很多舊數(shù)控機(jī)床經(jīng)常因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)老化故障或者與新的控制系統(tǒng)的總線接口不兼容導(dǎo)致性能下降、生產(chǎn)效率降低。因此必須對機(jī)床進(jìn)行數(shù)字化改造。然而機(jī)床的模擬伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)和主軸電機(jī)以及機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)均性能良好。為了充分利用現(xiàn)有的設(shè)備資源，節(jié)約改造的成本，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場總線信號與傳統(tǒng)模擬信號的轉(zhuǎn)換接口模塊。

本設(shè)計(jì)結(jié)合舊數(shù)控銑床的實(shí)際改造項(xiàng)目，開發(fā)了一種基于SERCOS總線的模擬驅(qū)動(dòng)接口模塊，該模塊可以接收力士樂數(shù)控系統(tǒng)IndraMotion MTX發(fā)出的SERCOS總線數(shù)字指令信號，并轉(zhuǎn)換成±10V的標(biāo)準(zhǔn)模擬量控制信號, 用來控制西門子611A模擬伺服驅(qū)動(dòng)器，該模塊對SERCOS現(xiàn)場總線在工業(yè)現(xiàn)場的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 SERCOS總線簡介

SERCOS(Serial Real-time Communication Specification)總線常用于工業(yè)控制系統(tǒng)中連接上位控制單元和伺服驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，該總線協(xié)議詳細(xì)的定義了物理層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、收發(fā)線路和NRZI編碼格式以及數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)等內(nèi)容, 使用戶能方便的操作控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器和可編程控制器等自動(dòng)化機(jī)械裝備。因此在數(shù)控機(jī)床和各種數(shù)控機(jī)械設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。SERCOS總線的傳輸介質(zhì)采用雙向光纖，通訊速率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因而特別適合于多軸同步運(yùn)動(dòng)控制。和其他總線相比，SERCOS總線具有以下優(yōu)勢：

1）數(shù)據(jù)傳輸性能高，其有效數(shù)據(jù)的傳輸效率可與100M以太網(wǎng)相媲美；

2）采用光纖連接，消除了電磁干擾，傳輸距離遠(yuǎn)；

3）具有很高的同步精度；

4）可自行診斷故障信息，方便用戶安裝和維修。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的模擬驅(qū)動(dòng)接口模塊采用SERCON816芯片作為SERCOS總線接口控制器，實(shí)現(xiàn)SERCOS總線接口的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層等底層通信協(xié)議。采用TLV5614芯片作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制指令到機(jī)床各軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置模擬量控制信號的轉(zhuǎn)換。采用TMS320F28335芯片作為微處理器，對S E R C O N 8 1 6芯片和TLV5614芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和控制。硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖

2.2 SERCOS總線接口電路設(shè)計(jì)

S E R C O N 8 1 6總線接口控制器是繼SERCON410B之后的新一代SERCOS接口控制芯片，由于采用了新的制造工藝，其實(shí)時(shí)通信速率大幅提高至16Mbps。本文采用16位數(shù)據(jù)總線接口與TMS320F28335連接，地址總線采用12位，可尋址芯片內(nèi)部2K×16位的雙口RAM。同時(shí)將六路TXD信號并聯(lián)，以提供最大的輸出功率適應(yīng)各種材質(zhì)、長度的光纖。

TMS320F28335接收來自SERCON816的中斷信號，并通過地址總線、譯碼控制電路和數(shù)據(jù)總線對其進(jìn)行控制。由于SERC0N816電源電壓為5V而TMS320F28335的總線電壓為3.3V供電，所以采用74LVC164245和74LV245芯片實(shí)現(xiàn)總線隔離、驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換。本文將雙口RAM映射到TMS320F28335存儲(chǔ)空間的0x82000～0x82fff地址，將128字的控制寄存器映射到TMS320F28335存儲(chǔ)空間的0x83000～0x8307F地址。

圖2 SERCON816總線接口電路

2.3 D/A電路設(shè)計(jì)

由于原來的數(shù)控銑床需要控制X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)主軸，因此選用4通道的TLV5614芯片作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。該芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs～9μs，分辨率可達(dá)12位，可通過標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI串行接口與TMS320F28335通訊。芯片采用數(shù)字電源和模擬電源兩組相互獨(dú)立的電源供電，輸出為軌到軌輸出的電壓信號，其輸出電壓幅值由公式（1）給出：

其中，VREF是參考基準(zhǔn)電壓,C O D E是在0～4095范圍內(nèi)的12位DAC輸入值。

本文采用參考基準(zhǔn)電壓2.5V、電源5V，由公式1可得DAC的輸出電壓為0～5V。由于模擬伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制電壓為-10V～+10V，因此還要通過調(diào)理電路對輸出電壓進(jìn)行偏置放大以達(dá)到輸出雙極性信號的要求。最終共輸出4路模擬信號用于驅(qū)動(dòng)X、Y、Z三個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)主軸。

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體框圖

本文設(shè)計(jì)的模擬驅(qū)動(dòng)接口模塊軟件部分主要包括：TMS320F28335初始化模塊、SERCOS初始化模塊、非周期性數(shù)據(jù)傳輸模塊、周期性數(shù)據(jù)傳輸模塊、DAC處理模塊等。TMS320F28335初始化模塊主要完成TMS320F28335芯片的系統(tǒng)配置以及外設(shè)、中斷向量等的初始化設(shè)置；SERCOS初始化模塊主要完成SERCON816芯片的內(nèi)存初始設(shè)置和通訊初始化；非周期性數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是響應(yīng)來自數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀/寫請求,打開服務(wù)通道，完成控制參數(shù)和過程命令的非周期性傳輸；周期性數(shù)據(jù)傳輸模塊在定時(shí)中斷中完成，用于讀取周期指令值和寫入周期反饋值；DAC處理模塊主要通過TMS320F28335與TLV5614的SPI通訊，完成周期指令值的輸出。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 SERCOS初始化模塊

圖5 SERCON816初始化程序流程圖

要建立數(shù)控系統(tǒng)和模擬驅(qū)動(dòng)接口模塊之間的通訊鏈路，必須正確初始化SERCON816芯片。主要包括控制寄存器初始化、雙口RAM初始化和通訊初始化。本接口模塊中主要系統(tǒng)參數(shù)配置為：使用服務(wù)通道1、工作時(shí)鐘頻率（16MHz）, 數(shù)據(jù)傳輸率（2Mbps）， 階段0～階段2的通訊周期（1000μ s）, 階段3～階段4的通訊周期（8000μ s）。在階段0～階段2, 輸出信號CON_CLK在每個(gè)通訊周期開始后(MST 之后)的200μ s～490μ s時(shí)間段內(nèi)變?yōu)楦唠娖?；在階段3～階段4,輸出信號CON_CLK在每個(gè)通訊周期開始后（MST之后）的1000μ s～2500μ s時(shí)間段內(nèi)變?yōu)楦唠娖健ERCON816初始化程序的流程如圖5所示。

3.3 DAC處理模塊

TLV5614的通過編程16位的寄存器對芯片進(jìn)行控制，其中第15位和第14位用于選擇DAC的4個(gè)通道，第13位為轉(zhuǎn)換模式位，第12位為狀態(tài)位，第11位到第0位為12位的DAC輸入值。對于每一次完整的DA數(shù)據(jù)傳輸，首先將片選信號CS從高電平變?yōu)榈碗娖?，然后將幀同步信號FS從高電平變?yōu)榈碗娖介_始傳輸數(shù)據(jù)，接著串行時(shí)鐘信號SCLK每產(chǎn)生一個(gè)下降沿就從數(shù)據(jù)輸入信號DIN傳輸一位數(shù)據(jù)直至連續(xù)傳輸完16位數(shù)據(jù)，最后將幀同步信號FS變?yōu)楦唠娖?，芯片?6位數(shù)據(jù)鎖存后進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換并輸出。其控制時(shí)序如圖6所示。

圖6 TLV5614控制時(shí)序圖

4 結(jié)束語

應(yīng)用本設(shè)計(jì)的模擬驅(qū)動(dòng)接口模塊和IndraMotion MTX數(shù)控系統(tǒng)對舊數(shù)控銑床改造后，機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有大幅提升，數(shù)字化功能更加完善，可以方便地與工廠的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)高效的生產(chǎn)加工。同時(shí)本文為模擬伺服驅(qū)動(dòng)的老舊設(shè)備改造提供了一種新思路。如印刷紡織等行業(yè)中的無軸傳動(dòng)和多軸同步控制設(shè)備，只需更換新的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和模擬接口模塊即可直接驅(qū)動(dòng)原來的模擬伺服驅(qū)動(dòng)器和設(shè)備機(jī)械，因此具有非常高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1] 李敏,沈晶巍,劉通.ADI4在舊數(shù)控機(jī)床改造中的匹配功能應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2009(12):125-127.

[2] 劉清.基于CAN總線的模擬量輸出從站的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2004,25(7):19-21.

[3] 馮曉東,湯同奎,邵惠鶴.隔離多通道LONWORKS模擬量輸出節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2000,27(5):30-32.

[4] 郇極,尹旭峰.數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5] 彭學(xué)文,朱志紅,賈正春.伺服驅(qū)動(dòng)單元SERCOS總線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表,2001,16(5):64-66.

[6] 王水迎,王建武.基于TMS320F2812的SERCOS總線從站接口卡的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2007,29(5):94-96.

[7] 張德紅,門延會(huì),毛羽.SIEMENS840D系統(tǒng)在GS30型數(shù)控機(jī)床改造中的應(yīng)用[J].2011(2):56-58.

[8] 權(quán)寧輝,高軍禮,宋海濤.基于SERCOS總線的高速數(shù)字通信接口軟件設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2011,39(11):78-80.

[9] 徐躍,王太勇,趙艷菊,董靖川.基于總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放式可監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(10):178-182.

[10] 康存鋒,陳衛(wèi)福,黃旭東.基于SERCOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速高精度運(yùn)動(dòng)控制[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2002(6):8-9.