基于1394总线通信的I/O模块在数控系统中的应用

　　数控系统作为数控机床装备的核心关键部件，是决定机床装备的性能、功能、可靠性和成本的关键因素。我国的数控系统技术基础薄弱，高档数控系统基本依赖进口，而相关高档数控系统的开发技术，国外对我国至今仍封锁限制，成为制约我国高档数控机床发展的瓶颈。自主开发高档数控系统迫在眉睫，而其中的关键技术就是数据通信速率的提高。

　　IEEE 1394最初由Apple公司提出，命名为FireWire(火线)，是一种高速串行总线。IEEE(电气和电子工程师协会)在1995年认可FireWire为IEEE1394—1995规范，继而又对该协议中一些模糊的定义加以修正，推出了IEEE 1394a．2000规范，解决了一些兼容性问题。2001年，更新的1394规范——1394b也被推出，其带宽、传输速度、距离和效率都有了大幅度提高。IEEE 1394支持100 Mb/s、200 Mh/s和400 Mb/s的传输速率；支持点到点的传输，各个节点可以脱离主机自主执行事务；另外，它还支持即插即用、热插拔、同步和异步传输方式，公平仲裁原则。鉴于IEEE 1394的高速传输等优越性，将其应用于高档数控系统成为一种必然的趋势。

　　本研究设计出一块基于1394总线传输的I/O模块，该模块应用在高档数控系统中，负责实时采集机床开关量数据，数据传输及控制机床进给量。

1 1394总线通信I/O模块硬件设计

　　1.1 I/O模块整体结构介绍

　　该模块主要包括1394芯片、DSP芯片和光耦芯片。该模块共引出32个输入口和24个输出口，具有高速传输、抗干扰的特点。该模块I/O端El通过排线与数控机床的开关量相连接，负责数据采集及实时控制。1394端口通过1394总线与上位机进行通信，负责I/O模块与上位机的数据传输。该模块与上位机及机床的整体架构如图1所示。

图1系统整体结构图

　　I/O模块中各芯片间的连接如图2所示：DSP芯片选用TI公司的TMS320F2812，它是一款32位定点DSP芯片，运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计。共有56位复用GPIO，可引出作为I/O端口。1394芯片选用TI公司的TSB43AA82，它是一款集成物理层和数据链路层的两端口1394控制器，兼容1394—1995和IEEEl394a一2000规范，支持异步数据传输。光耦芯片选用TOSHIBA公司的TLP521-4，每个芯片内具有4个独立隔离通道旧J。DSP芯片与1394芯片通过数据线、地址线和控制线连接。DSP芯片引出56位GPIO管脚，通过光耦芯片与外界设备连接。

图2 I／O模块中1394，DSP及光耦芯片的连接

　　1.2 DSP芯片外围电路介绍

　　TMS320F28 12的XZCS6 AND7连接TSB43 AA82的xcs(片使能)，用于片选TSB43AA82，当访问区域6时有效；XWE为写有效，连接TSB43AA82的XWR(写使能)，用于向TSB43AA82写入数据；XRD为读有效，连接TSB43AA82的XRD(读使能)，用于读取TSB43AA82数据；XRS为复位输出，连接ARESETP(物理层模块复位输入)和ARESETL(链路层模块复位输入)，用于控制TSB43AA82复位；TSB43AA82的XINT为中断信号输出，连接TMS320F2812的XINTl一XBIO中断输入)，用于中断程序；XWAIT为等待信号输出，连接TMS320F2812的XREADY(数据准备输入)，用于说明外设已为访问做好准备；XA0～XA7，BD108～BDI015为8位地址总线，XD0～XDl5，DA0～DAl5为16位数据总线，用于TMS320F2812与TSIM3AA82之间数据传输。TLP521-4的P为内部发光二极管正极，N为内部发光二极管负极，Out为内部三极管输出。

　　1.3 光耦芯片电路介绍

　　本设计的I/O模块通过引入光耦芯片，实现DSP芯片与机床的电路隔离、电平匹配等功能。光耦芯片电路如图3所示。输入光耦电路指I/O模块输入端，“输入1”连接机床开关量；“输出1”连接DSP的输入GPIO。输出光耦电路指IZO模块输出端，“输入2”连接DSP的输出GPIO；“输出2”通过继电器连接机床的控制量。

图3光耦电路图

　　根据光耦芯片TLP521-4的使用条件，Ic范围应在0～10 mA；，If范围应在0～25 mA；Ic/If范围应在100％～600％。又根据光耦芯片内部结构可知，输入部分为一个发光二极管，故其工作电流，，不可太小。对于输入光耦电路，选取R1=4.7kΩ，R2=470Ω，则有Ic=7.02 mA，If=5.11 mA，Ic/If=137Ω；对于输出光耦电路，选取R3=1kΩ，R4=4.7kΩ，则有Ic=5.11 mA，If=3.3 mA，Ic/If=155％，均在正常工作范围内。

2 I/O模块通信软件设计

IEEE 1394协议支持异步传输和等时传输两种机制。本设计采用的是异步传输模式，其特点是叮靠，通过发送ACK信号及响应包来实现。1394芯片为收发数据准备了FIFO空间。针对异步传输的是ARF(异步数据包接收FIFO)，ATF(异步数据包传输FIFO)空间，空间大小可以进行配置分配，FIFO空间总和为512个Quadl