全数字式数控总线应用层通用化设计

0 引言

　　现场总线以其高速、实时、稳定、费用低廉等优点得到越来越广泛的应用，迅速发展成为工业控制网络中使用最广泛的通信网络。现场总线技术的迅速发展，引起了数控系统结构的改变，数控系统已从简单的运动轨迹控制器转变成贯穿数字化制造全过程的系统级平台，基于现场总线技术的数控系统已进入成熟阶段。同时，随着全数字伺服技术的发展，数字接口替代了传统模拟接口。开发基于现场总线技术及全数字伺服技术的全数字式数控系统是目前国际高档数控系统的发展趋势。然而。国际上存在多种现场总线协议标准。国际电工委员会(IEC)于2007年公布的IEC61158第4版包含了20种现场总线协议标准，其中lO种是工业以太网协议标准。未列入国际标准的现场总线协议更多。这些现场总线协议以及采用这些协议生产的产品互不兼容，因而用户的选择及产品的更新都受到了限制。

　　为实现全数字式数控系统能够兼容多种现场总线，达到屏蔽现场总线差异的目的，本文在参考现场总线协议模型的基础上，建立了数控总线结构模型，设计了一个统一的应用层架构，分析了多种现场总线集成环境下能够兼容各种总线的技术需求，并对关键性技术提出了解决方案。文中详细介绍了数控总线结构模型、统一的应用层架构和关键性技术及其解决方案。

1 数控总线结构模型

　　现场总线的协议模型如图1所示。一般包括物理层、数据链路层、应用层。它是在ISO／OSI开放系统互连7层参考模型的基础上进行了简化，省去了第3~6层，使得数据的传输效率更高。

图1现场总线协议模型

　　本数控总线结构模型采用协议栈思想，在现有底层的基础上，对各总线协议进行了面向应用的扩展。协议栈内存放着各种总线，通过向上层提供统一的服务接口，屏蔽各种总线的差异。系统设计完全在主站上依靠软件来实现，从站不需做任何改变。同时参考现场总线协议模型。以ISO／OSI开放系统互连参考模型为基础，并对其加以改造，由物理层、数据链路层、应用层组成。如图2所示。

图2数控总线结构模型

　　物理层：定义接口和通信媒体的机械和电气规范。本模型中保持各总线的物理层不变。数据链路层：为应用层提供周期、实时、无差错的数据链路。本模型中保持各总线的链路层不变。数据链路层中并列存放着各种总线的链路层，如MECHATROLINK III(M3)链路层、EtherCAT链路层、NCSF链路层等。

　　应用层：为屏蔽各总线的差异。向用户提供统一的服务接口。模型中将应用层划分为应用接口子层和协议接口子层。应用接口子层维护站点之间的安全。可靠的传输通路，并向用户程序提供统一的传

　　输服务、设备服务、总线管理服务。协议接口子层屏蔽各总线差异，通过服务协议映射机制将应用接口子层的服务及协议映射成具体总线的服务及协议，并根据不同的总线类型选择对应的链路，实现用户程序与数据链路层之间的数据交互。

2 应用层通用化设计

　　2.1 统一应用层架构的设计

　　在数控总线结构模型的基础上设计了一个统一的应用层架构，如图3所示。

图3统一应用层架构

　　(1)应用接口子层：为数控系统应用程序提供统一的服务，包括传输服务、设备服务、总线管理服务等。传输服务包括连接服务、同步传输服务、异步传输服务和传输管理服务。传输管理服务对应用层的传输状态进行管理，包括初始化、同步异步转换、状态查询及安全等服务。根据设备装置的不同，设备服务包括伺服驱动服务、主轴服务、I／O服务、传感器服务等。总线管理服务包括总线配置服务、总线查询服务等。这些服务通过服务解释器及服务映射管理机制映射到具体总线的应用层服务。该层还为各总线提供了统一的单位系、统一的应用层协议数据格式、统一的总线配置结构、统一的状态机、统一的基本数据类型及对象字典。

　　基本数据类型包括位元型、字符型、整型、浮点型、串型、布尔型、枚举型、结构体等。其中整型分为有符号整型和无符号整型，都可以使用8位、16位、32位、64位等多种方式进行存储，如INT8(8位整数)、UINT8(8位无符号整数)、INTl6(16位整数)、UINTl6(16位无符号整数)、INT32(32位整数)、UINT32(32位无符号整数)、INT64(64位整数)、UINT64(64位无符号整数)等。

　　对象字典包括服务对象字典和协议对象字典。对象字典为应用接口子层服务及协议数据提供对应的具体总线应用层服务及协议数据结构的解释和定义。

(2)协议接口子层：通过服务映射管理机制将应用接口子层提供的服务映射到具体总线的应用层服务，如M3应用层服务、EtherCAT应用层服务、NCSF应用层服务等。并将统一的应用层协议数据映射成具体总线的应用层协议数据。然后根据总