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 崔錫奎 王祥寶 劉敬猛

（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）

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(kāi)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(kāi)發(fā)的兩軸數(shù)控車(chē)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)控系統(tǒng)串行通信模塊介紹

圖1 數(shù)控系統(tǒng)框圖

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(pán)板、用戶鍵盤(pán)板和接口板。接口板連接IO和伺服電機(jī)。系統(tǒng)鍵盤(pán)用于G代碼編程，該矩陣式鍵盤(pán)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UART2。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(pán)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(kāi)關(guān)、指示燈、繼電器、電磁閥、用戶鍵盤(pán)板的手動(dòng)調(diào)整開(kāi)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(pán)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(lèi)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(pán)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?。?）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(pán)板的FPGA上。圖2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(mén)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。D1～D4、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)

圖2 RS-422接口電路圖

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，5～8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。

圖3

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、Data7～Data0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)使得主板到接口板和操作鍵盤(pán)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(pán)板。圖3(b)是一個(gè)字節(jié)Data0的解析，D7～D0每位控制一個(gè)輸出端口，每位輸出端口（OUT－7～OUT0）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(pán)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(pán)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 Data7～Data0。

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。本數(shù)控系統(tǒng)用到的的常見(jiàn)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(kāi)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(kāi)看門(mén)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(mén)狗計(jì)時(shí)器清零，當(dāng)看門(mén)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)。

圖4 通信建立狀態(tài)機(jī)

通信系統(tǒng)建立以后，主站通過(guò)看門(mén)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2接用戶鍵盤(pán)板。具體的代碼如下所示：

圖5 ARM串口接收中斷流程圖

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(kāi)始向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，ARM S3C2410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(kāi)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(mén)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，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(pán)、用戶鍵盤(pán)、手輪、主軸波段開(kāi)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。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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?？撮T(mén)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(chē)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。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）[Z].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院,2006.

［2］陽(yáng)憲惠,工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

［3］謝劍,金永喬,等.高檔數(shù)控系統(tǒng)中的RS485串行總線接口研究與開(kāi)發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010(5):22—25.

［4］李騰飛.嵌入式車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].安徽工程大學(xué),2014.