数控同步现场总线与CAN总线网关的设计

引言

现场总线控制系统在过去集散控制系统的基础上顺应用户对控制系统提出的开放性的要求而诞生。开放的具有互操作性的现场总线将网络现场的控制器及仪表设备互联，构成现场总线控制系统。由于工业控制领域现场总线技术的竞争，形成了当今众多总线标准并存的局面。这一局面限制了用户对总线产品的选择，同时也约束了总线技术的发展，这也使得各现场总线之间的互联和互操作成为当务之急。

开放式数控系统在结构上具有互换性、伸缩性、可操作性和可移植性，其能够方便灵活的进行裁剪、扩展和升级。数控系统中的现场总线是数控装置、执行装置和传感器件之间通信的系统。数控系统的开放性势必对现场总线开放性提出一定的要求。

数控同步现场总线(Numerical Control Synehronoas Fieldbus，NCSF)是中国科学院沈阳计算技术研究所总线实验室针对数控系统自主研发的现场总线。为真正实现数控系统的可裁剪、可扩展和可升级，数控系统的现场总线需要兼容不同的总线产品。CAN总线作为一种可靠的、功能完善的、成本合理的远程网络通信方式被广泛应用于自动化控制领域，是国际上广泛应用的现场总线之一，其应用范围遍及工业机器人和传感器等领域，有必要设计NCSF与CAN的互操作接口设备。设计NCSF和CAN总线的通信网关，有利于增强NCSF与其它现场总线的兼容能力，扩展其应用范围。同时也为其它现场总线与数控同步现场总线互联的软硬件结构提供方案和技术参考。

1 相关工作

沈阳计算所牵头制定的《机械电器设备开放式数控系统第三部分：总线接口与通信协议》中提出，开放式数控系统总线是用于连接系统装置间的数字式、双向、多点的通信系统，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、应用层与用户层行规组成。开放式数控系统由数控装置、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I／O装置等组成，装置间通过总线进行互操作，总线由站点、通信介质与设备组成，如图1所示。

图1 开放式数控总线结构

数控总线结构的设计标准只是一个规范，并未对具体的实现方法做规定。每个NCSF站点包括两个网络接121，它们通过双绞线依次连成环形或线形，此种拓扑结构可以有效避免总线式结构的介质冲突，另外在总线的某一处出现异常时总线结构可自动转变为两个线性的总线系统结构，这种冗余的拓扑结构，也进一步确保了通信的确定性和可靠性。

2 NCSF和CAN连接的总线拓扑结构

NCSF支持环形和线性的结构，而CAN是一种多主式的串行通信总线。本文中设计一个特殊的NCSF从站，它具有两个网口和一个CAN接口。此从站通过两个网口连接在NCSF总线中，同时通过CAN接口和CAN总线进行相关的交互，其总线结构如图2。

图2 NCSF与CAN互联的总线拓扑结构

图2中NCSF总线的从站3负责NCSF-CAN之间的交互。此从站在普通NCSF从站的基础上，实现CAN总线的软硬件支持。它把需要转发到NCSF主站的CAN总线数据帧封装到NCSF的应用层数据包通过NCSF的链路发送到主站，在NCSF的应用层中把还原CAN的数据帧交给上层协议；另外当主站需要发送CAN数据帧时，主站把这个CAN数据帧封装在NCSF数据帧中转发到此从站，然后还原为CAN数据帧发送到CAN总线上，这样的能够实现NCSFCAN之间数据交互的从站被称为NCSF—CAN网关。

整个NCSF．CAN网关分为三部分：NCSF总线模块、CAN总线模块、NCSF-CAN数据帧封装转换模块。NCSF．CAN数据帧封装转换模块的主要工作是，在NCSF应用层的数据包中封装或还原CAN数据帧；使得CAN数据帧能够通过NCSF链路发往从站，同时也使得主站发往CAN总线的数据包能够正确解析。

3 NCSF接口模块与CAN接口模块的设计

NCSF—CAN网关硬件由NCSF接口和CAN接口构成。协议网关的主控芯片S3C2440是一款高性能低功耗处理器，其采用ARM920T内核，全静态的设计特别适合对成本和功率敏感型的应用。

S3C2440有着丰富的片上资源，CAN总线控制芯片选用MCP2515，其通过串行外设接口(Serial PeripheralInterface，SPI)与S3C2440进行通信，NCSF接口选用DM9000。

3．1 NCSF总线接口模块

NCSF使用标准以太网的物理层，其接口电路使用普通的以太网接口芯片，同时为了保证数据传输速率应该选用100Mbit／s支持全双工模式的芯片。图3是从站的NCSF接口电路简图，图中仅标出芯片关键的引脚的连接。图中DM9000的片选信号AEN连接在nGCS4上，表明此接口DM9000的起始地址为0x20000000，使用7号外部中断脚EINT7，DM9000的内部存储空间的基地址为300H。

图3 NCSF接口电路简图

需要特别指出的是DM9000的SD0一SDl5引脚是数据