基于Gsk-Link 的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)方案研究

何英武， 戴朝永， 陳妙玲

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司， 廣東 廣州 510530）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接各數(shù)控設(shè)備的橋梁， 它在工業(yè)智能制造中發(fā)揮著重要的作用。 在這個(gè)日新月異的科技發(fā)展時(shí)代，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線也提出了更高的要求，在通訊周期數(shù)據(jù)以及非周期數(shù)據(jù)通訊量需求更大， 同時(shí)連接從站站點(diǎn)需要支持更多、 每從站的周期通訊的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度要求可單獨(dú)設(shè)置，站點(diǎn)的故障診斷更精準(zhǔn)化。 GSK-Link 現(xiàn)場(chǎng)總線[1-3]是廣州數(shù)控設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱廣數(shù)）擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)總線，GSK-Link 新技術(shù)方案正是為滿足這些新的需求而設(shè)計(jì)的。

1 物理層設(shè)計(jì)

基于GSK-Link 現(xiàn)場(chǎng)總線的新技術(shù)方案是采用通用以太網(wǎng)[4]的物理層芯片PHY，MAC 采用FPGA 實(shí)現(xiàn)，

傳輸媒介采用超5 類非屏蔽雙絞線， 周期數(shù)據(jù)能在主站和從站之間傳輸， 非周期數(shù)據(jù)可以在任意站點(diǎn)之間傳輸。 新技術(shù)方案采用環(huán)型、單線型、雙線型兼容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線拓?fù)淙鐖D1 所示，總線作為單線形拓?fù)鋾r(shí)，另一個(gè)端口可以由處理器選擇與局域網(wǎng)互聯(lián)。 主站與從站內(nèi)的通信模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 通信模塊結(jié)構(gòu)

2 總線報(bào)文設(shè)計(jì)

2.1 電報(bào)類型

總線包含同步電報(bào)（Master Sync Telegram，簡(jiǎn)稱MST）、編址電報(bào)（Address Assign Telegram，簡(jiǎn)稱AAT）、延時(shí)測(cè)試電報(bào)（Time-lapse Test Telegram，簡(jiǎn)稱TTT）、主站數(shù)據(jù)電報(bào) （Master Data Telegram， 簡(jiǎn)稱MDT） 和普通數(shù)據(jù)電報(bào)（General Data Telegram，簡(jiǎn)稱GDT）五種電報(bào)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[6]。

2.2 報(bào)文基本結(jié)構(gòu)定義

新技術(shù)方案的Gsk-Link 現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文結(jié)構(gòu)包括目的地址、源地址、控制字、幀長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域及CRC 等六部分組成，如圖3 所示。

圖3 報(bào)文基本結(jié)構(gòu)

地址域包括目的地址和源地址，其中主站地址為0，廣播地址為255（只有主站有權(quán)發(fā)廣播），從站地址為1-254?？刂谱值淖止?jié)長(zhǎng)度是2 字符，每個(gè)位代表不同的意義。

2.3 報(bào)文類型結(jié)構(gòu)定義

2.3.1 MST 報(bào)文結(jié)構(gòu)

MST 的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3 所示， 目的地址是255 （廣播），源地址是0（只有主站有權(quán)發(fā)送同步報(bào)文），幀長(zhǎng)度是10，控制字是0x9X00（如：0x9800 或0x9900），數(shù)據(jù)域是4 字節(jié)的時(shí)間參數(shù)。

該報(bào)文在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)發(fā)送一次0x9800， 每個(gè)從站收到該報(bào)文后根據(jù)從站本身的傳輸延時(shí)來(lái)更新時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，保證主從站時(shí)鐘計(jì)數(shù)器同步。 如是線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后一個(gè)從站把控制字改為0x9900 往回發(fā)送，將不更新同步時(shí)鐘計(jì)數(shù)器， 主站接收到此數(shù)據(jù)幀得知該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為線形連接。

2.3.2 AAT 報(bào)文結(jié)構(gòu)

AAT 的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3 所示， 目的地址是255 （廣播），源地址是0（只有主站有權(quán)發(fā)送同步報(bào)文），幀長(zhǎng)度是10，控制字是0xAXXX，數(shù)據(jù)域是4 字節(jié)的無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)。

該報(bào)文在總線初始化時(shí)由處理器控制主站發(fā)送，每個(gè)從站收到該報(bào)文后根據(jù)控制字的12～8 位來(lái)改變7～0位的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并以7～0 位的數(shù)據(jù)作為從站的地址。可以配置成環(huán)形、正向單線形、反向單線形、雙線形。如圖4 所示。

圖4 編址類型

2.3.3 TTT 報(bào)文結(jié)構(gòu)

TTT 的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3 所示，目的地址是255（廣播），源地址是0（只有主站有權(quán)發(fā)送同步報(bào)文），幀長(zhǎng)度是10字節(jié)，控制字是0xBX00，數(shù)據(jù)域是4 字節(jié)的主站計(jì)數(shù)器發(fā)送時(shí)間。

該報(bào)文在總線初始化時(shí)由處理器控制其發(fā)送， 每個(gè)從站收到該報(bào)文后根據(jù)控制字的12～8 位來(lái)記錄從站的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，延時(shí)時(shí)間=（（M_OT-M_ST）-（N_ST-N_BT））/2；或延時(shí)時(shí)間= （N_ST-N_BT）/2。 環(huán)形、正/反向單線形計(jì)算延時(shí)時(shí)間如圖5 所示。

圖5 從站計(jì)算延時(shí)時(shí)序

2.3.4 MDT 報(bào)文結(jié)構(gòu)

MDT 的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖6 所示，目的地址是255（廣播），源地址是0 （只有主站有權(quán)發(fā)送同步報(bào)文）， 幀長(zhǎng)度小于2000，控制字是0xC800 或0xC900，數(shù)據(jù)域是MDT 數(shù)據(jù)。

圖6 MDT 報(bào)文結(jié)構(gòu)

2.3.5 GDT 報(bào)文結(jié)構(gòu)

GDT 的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖7 所示， 目的地址是主站或從站，源地址是發(fā)送GDT 的主站或從站地址，幀長(zhǎng)度為12～1000 字節(jié)，GDT 應(yīng)答幀時(shí)為10 字節(jié)， 控制字的內(nèi)容是0xD8XX 或0xD9XX 或0xDAXX， 數(shù)據(jù)域是GDT 數(shù)據(jù)幀時(shí)，6 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)控制字加非周期數(shù)據(jù)；GDT 應(yīng)答幀時(shí)為4 字節(jié)的站點(diǎn)時(shí)間值。

圖7 GDT 報(bào)文結(jié)構(gòu)

3 工作時(shí)序設(shè)計(jì)

新技術(shù)方案的Gsk-Link 現(xiàn)場(chǎng)總線工作時(shí)序見(jiàn)圖8。

圖8 總線工作時(shí)序

（1）Tscyc：通訊周期時(shí)間，保留2 次重傳時(shí)間最小值為100μS。 ①M(fèi)ST 時(shí)間=（2+14）×8clk=112clk=1.28μS；②MST 與MDT 的間隔時(shí)間=64clk=0.64μS； ③MDT 時(shí)間=（2+10+6×n）×8clk，n 為從站數(shù)，10 為從站MDT 的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 （最 短 為4）； ④MDT 與GDT 的 間 隔 時(shí) 間=64clk=0.64μS；⑤GDT 時(shí)間=（2+10+2+n）×8clk，n 為GDT 電報(bào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；⑥GDT 應(yīng)答時(shí)間=（2+14）×8clk=1.28μS；⑦從站延時(shí)時(shí)間=n×32clk，n 為從站個(gè)數(shù)； ⑧每個(gè)周期的非傳輸時(shí)間間隔5μS。

（2）t1：t1 的時(shí)間設(shè)置是為了MST 開(kāi)始傳輸時(shí)， 通信環(huán)路處于空閑狀態(tài)，該時(shí)間必須大于5μS。 當(dāng)時(shí)間處于通訊周期的結(jié)束區(qū)域，且時(shí)間小于5μS 時(shí)，所有站點(diǎn)丟棄正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，等待MST 指令的到來(lái)。

（3）t2：MDT 幀完成傳輸時(shí)間，小于最大傳輸時(shí)間。

（4）t3：最大開(kāi)始傳輸時(shí)間。

4 總線偶發(fā)故障診斷設(shè)計(jì)

總線診斷除基本的初始化錯(cuò)誤狀態(tài)外， 進(jìn)入正常通信后，各個(gè)從站在判斷接收到狀態(tài)字時(shí)，首先判斷狀態(tài)字值，當(dāng)是有效MDT 狀態(tài)時(shí)，有效MDT 寄存器計(jì)數(shù)加1；當(dāng)是無(wú)效MDT 狀態(tài)時(shí)，無(wú)效MDT 寄存器加1；當(dāng)是無(wú)MDT狀態(tài)時(shí)，無(wú)MDT 寄存器計(jì)數(shù)加1；當(dāng)總線異常斷開(kāi)時(shí)，保存有效MDT 寄存器、無(wú)效MDT 寄存器及無(wú)MDT 寄存器的數(shù)據(jù)?？偩€再次初始化成功后，把這三個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)上傳到主站，主站通過(guò)收到各個(gè)從站的MDT 寄存器計(jì)數(shù)最終診斷出是哪一個(gè)從站出現(xiàn)故障， 這種診斷方法能夠快速準(zhǔn)確的查找總線偶發(fā)性斷開(kāi)的故障點(diǎn)[5]。 如圖9（a）表示主站與從站之間有故障， 主站連接從站的端口及主站連接從站的線有問(wèn)題；圖9（b）表示從站1 與從站2 之間有故障，從站1 與從站2 的端口或連接線有問(wèn)題。

圖9 總線工作階段故障時(shí)計(jì)數(shù)

5 總線場(chǎng)景應(yīng)用

基于Gsk-Link 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)方案已應(yīng)用在GSK GR-C 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、GSK980TC3/TB3i 及GSK218MC系統(tǒng)中， 可以連接多軸伺服從站、I/O 從站和焊機(jī)卡從站等，可以根據(jù)不同的從站需求設(shè)置不同的周期數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，如多軸服伺可以設(shè)置為96 字節(jié)滿足同時(shí)6 軸伺服數(shù)據(jù)通訊、I/O 可以設(shè)置為32 字節(jié)， 可提供256 輸入輸出點(diǎn)及焊機(jī)卡從站可以設(shè)置為256 字節(jié)同一周期傳輸多組焊機(jī)的數(shù)據(jù)，同時(shí)滿足偶發(fā)性故障診斷需求，見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 GSK RB-C 機(jī)器人系統(tǒng)Gsk-Link 應(yīng)用

圖11 數(shù)控系統(tǒng)Gsk-Link 診斷

6 結(jié)束語(yǔ)

基于Gsk-Link現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)方案的設(shè)計(jì)， 解決了連接32 個(gè)以上從站的局限問(wèn)題、 快速診斷Gsk-Link 偶發(fā)性斷網(wǎng)故障點(diǎn)問(wèn)題、 焊機(jī)從站獲取256 字節(jié)的問(wèn)題及單個(gè)從站多軸伺服數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。通過(guò)在廣數(shù)的GSK GR-C 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、GSK980TC3/TB3i 及GSK218MC系統(tǒng)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了基于Gsk-Link 現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊技術(shù)方案的可行性。 本方案的實(shí)施可以有效地提升廣數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)的產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力， 同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了參考。