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。

　　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。

　　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。

　　(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。然后根据总线类型选择相应的数据链路，实现用户程序与数据链路层之问的数据交互。此外，还要维护站点地址的管理，逻辑地址和物理地址的映射等。

　　服务解释器、服务映射管理及协议映射管理通过站点的逻辑地址判断总线类型，查询对象字典，完成应用接口子层的服务协议到具体总线应用层的服务协议之间的解释和映射。

　　2.2 应用层通信模型

　　应用接口子层主要包括应用接口子层服务、协议数据及对象字典；协议接口子层主要包括服务映射管理、地址管理及协议映射管理，用以实现统一应用协议数据到具体总线应用层协议数据的转换。具体总线应用层调用对应的数据链路层提供的服务，完成数据通信。

　　2.3 应用层状态机

　　应用层在不同时刻可处于不同的运行状态，应用层的操作可触发状态间的转换，在不同的状态下可提供不同的服务及操作。状态机包括初始状态、就绪状态、异步连接状态、同步连接状态、连接释放状态、错误状态和结束状态。

　　状态说明：S0：初始状态，设备装置上电后站点的应用层初始状态；S1：就绪状态，站点初始化成功后等待建立连接的状态；S2：异步连接状态，在该状态下可以提供异步传输服务；s3：同步连接状态，在该状态下既可以提供同步传输服务也可以提供异步传输服务；S4：连接释放状态，数据传输结束后连接断开所进入的状态；S5：错误状态，运行过程中出现错误的状态，在该状态下不能提供传输服务；S6：结束状态，服务关闭等待设备装置下电的状态。

　　操作说明：11D：执行初始化服务(无异常)；T1：执行初始化服务(异常)；他：执行异步连接服务(无异常)；T3：执行同步连接服务(无异常)；T4：执行连接服务(异常)；T5：执行同步／异步转换服务(无异常)；T6：执行释放连接服务(无异常)；”：发生异步传输错误；T8：发生同步错误；四：执行释放连接服务(异常)；T10：执行结束处理；T11：执行恢复操作；T12：执行错误处理。

3 关键性技术及其解决方案

　　协议接口子层及应用接口子层的实现是设计的关键，需要解决以下几个主要问题：总线站点地址的一致性；应用层协议数据格式的一致性；参数单位的一致性；总线配置结构的一致性和服务接口的一致性。下面对这几个问题进行分析，并给出详细的解决方案。

　　3.1 统一的站点地址设计

　　各个总线的站点地址不同，如M3站点的物理地址为16位，EtherCAT站点的物理地址为48位。为使各总线有统一的站点地址，系统对站点设备采用统一编址。所有现场网络中的站点都有统一的逻辑地址。每个总线上的站点都可以使用统一的逻辑地址进行通信。

　　逻辑地址为32位，其首8位用来标识总线类型。如M3、NCSF、EtherCAT总线等；次8位用来标识设备类型，如标准伺服、高分辨率伺服、多轴伺服、主轴、I／O设备、传感器、变频器等；后16位用来标识站点。其中OxOOXXXXXX用来表示主站的逻辑地址。

　　为了兼顾各总线的物理地址的不同。物理地址设为48位，用来存放各总线站点的物理地址。当数据链路层用到物理地址时．对其进行截取变换成相应总线站点的物理地址。系统维护站点逻辑地址和物理地址的一一对应关系。

　　3.2 统一的应用层协议数据格式

　　不同总线的应用层协议数据格式差别较大，在此，定义一种统一的应用层协议数据报文格式。当向底层传输数据发生协议映射时。只需将其映射为具体总线的应用层协议数据格式。当底层有数据上传时，只需将具体总线的应用层协议数据报文封装成统一的应用层协议数据报文。如图7所示。目的标识代表了接收站点的逻辑地址，源标识代表了发送站点的逻辑地址。长度代表了有效数据的长度，单位为字节。A／S用于标识同步(A／S=1)或异步(A／S=0)。C／R用于标识命令(C／R=1)或应答(C／R=0)。

　　3.3 统一的单位系

　　由于不同总线所使用的参数单位不同，且差别很大，为使参数有统一的单位标准。系统设计了统一的单位系。如表1所示。

　　其中指令单位是指移动负载的位置数据的最小单位。指令单位应在考虑机械规格、定位精度等因素之后再行决定。例如可为mill、inch、度(o)等。每种参数都提供了多种单位供用户选择。并提供了基本单位供用户设置。例如位置参数单位选择mm。其基本单位设置为10一mm=0．001mm；速度参数单位选择mm／s，其基本单位设置为10-3mm／s=0.001mm／s等。用户可以根据具体的应用情况。选择不同的参数单位及基本单位进行设置。使得在模块之间传递的数据值含义保持一致。

　　3.4 统一的总线配置结构

　　统一的总线配置结构在总线初始化阶段用来配置总线信息，各总线根据自己的情况，对每一项进行初始化。

　　其中SLV_ST_MAX为系统所允许的最大从站数；wrong_addr表示主从站地址错误标识，0表示地址正确，l表示逻辑地址错误，2表示物理地址错误，3表示逻辑地址和物理地址都错；st_laddr、st_paddr分别表示主从站的逻辑地址和物理地址，0号站为主站的地址。

　　3.5 统一的服务接口

　　各总线针对不同的从站设备所提供的应用层服务差别比较大，为向上层数控应用提供统一的访问接口，系统设计了统一的应用层服务接口，包括传输服务、设备服务、总线管理服务等，并对各类服务进行了细分，给出了详细的服务接口列表。

　　考虑到数控系统在实时性方面的要求，本文利用RTLinux实时内核模块对Linux操作系统进行了实时化改造。使其成为一个实时操作系统。以其作为软件开发平台，以C语言作为开发工具。系统采用Linux操作系统设备驱动方式来实现用户访问统一的服务接口，向上层应用程序屏蔽下层具体总线应用层服务接口函数实现细节的差异。每一种总线作为一个新设备加入设备链表，并为其注册驱动程序，各总线驱动需要按照统一的服务接口实现自己的服务。

　　说明：其中TS_xxx表示传输服务，为从站设备提供连接、同步传输、异步传输、传输管理等服务。SV_xx表示伺服驱动服务，用来操作控制伺服轴；SPIN—xxxxx表示主轴服务，用来操作控制主轴；IO_xxx表示I／O服务，用来操作控制I／O设备；SENS_xxx表示传感器服务，用来操作控制传感器设备；NCB__表示总线管理服务，管理配置查询各总线信息，包括总线配置服务、总线查询服务等。各总线的服务接口按照BusType—DeviceType—XXX形式来实现，如M3一SV—velCtrl。

　　这样设计的优点表现在：

　　(1)将应用层划分为应用接口子层和协议接口子层，各层的功能互不相同，使得系统层次结构更加明确。统一的应用层架构为各总线应用层的实现提供了参考。

　　(2)通过设计统一的站点逻辑地址、统一的应用层协议数据格式、统一的单位系、统一的总线配置结构以及统一的服务接口，屏蔽了各总线的差异，使得一个系统中兼容多种总线成为可能，具有很好的兼容性。

　　(3)统一的应用层服务接口屏蔽了各总线应用层服务的差异，对上层应用透明。对于新加入的总线，只需按照统一的服务接口实现自己的服务，具有很好的扩展性。

4 结束语

　　多现场总线兼容技术是当前现场总线技术的一个重要发展方向，实现一个数控系统中兼容多种总线，屏蔽各总线的差异具有重要的意义。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，分析了多总线兼容的技术需求，并对关键性技术提出了解决方案。该设计屏蔽了各总线差异，向用户程序提供了统一的服务接口，具有很好的兼容性和扩展性。下一步的工作将根据具体总线的协议规范，按照本文设计的统一的应用层架构及统一的服务接口，实现具体总线的应用层服务，并将其应用于数控系统中。