GSK Link总线式数控系统设计

0 引言

　　随着工业的高速发展，数控系统在使用过程中表现出数据传输低、抗干扰能力差，可扩展性差等不足，为此对数控系统提出更高的要求。总线式数字数控系统具有可靠的高速通信和数据同步功能，可提高系统的响速度．促进先进功能的开发与实现是近期内数控系统发展的一个方向。GSK Link是一种工业现场网络总线，可以实现一台控制器同时与多种从属设备进行数据交互。具有总线基本特点，它采用超5类双绞线连接主站设备与从站设备，能够简化系统及便于系统扩展。

1 GSK Link工作原理

　　GSK Link现场总线是一种数字化．串行网络的数据总线，用于机床数控系统各组成部分互连通信。GSKLink协议规范参照ISO／OSI基本参考模型有三层：物理层、数据链路层、层应用。物理层是采用通用以太网的物理层芯片PHY(LAN8700i)．MAC采用FPGA实现，传输媒介采用超5类双绞线，周期数据只能在主站和从站之间传输，非周期数据可以在任意站点之间传输；数据链路层位于物理层与应用层中间，物理层提供的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路，并对应用层的原始数据进行数据封装：应用层是物理层和数据链路层之上，用户任务之传输介质下的所有任务。是通数据链路层和其他相邻的更低层提供的服务来提供应用服务。由以上三层构成了GSK Link总线。总线网络中由主站和从站构成，它们之间的通信是通过电报来完成，以下介绍电报类型及总线的初始化。

　　1.1 电报类型

　　(1)主站同步电报(Master Sync Telegram，简称MST)：初始化阶段．每个通讯阶段的开始，主站以广播形式发送MST电报，用于通知各个从站进入新的通讯阶段：正常工作阶段，每个周期的开始，主站以广播形式发送MST电报，主要用于同步主站和各个从站，同步各从站要考虑环路的传输延时。MST的报文结构源地址为O．目的地址为255；控制字的内容：D12-1)0均为0。

　　(2)令牌电报(Master Command Telegram，简称MCT)：正常工作阶段，GDT的传输受令牌电报的控制，MsT、MDT、AT的传输由主站控制进行周期传输。不受令牌电报的控制。

　　MCT的报文结构中源地址为0．目的地址为255；控制字的内容：D8-D0均为0，D15-D9按表1设置有效；MsT电报与MCT的电报主要区别在于控制字的内容。

　　(3)主站数据电报(Master Data Telegram，简称MDT)：每个通讯周期中，主站以广播形式发送一次这种电报。MDT的报文结构中源地址为0，目的地址为255；控制字的内容：D7-DO均为0，D15-D8按表1设置有效。主站数据电报MDT用于正常运行时(CP6阶段)从控制单元向从站装置发送指令数据。在每个周期中，主站发送一次MDT，从站装置从MDT提取属于自己的数据，并填充自己的AT指令数据。若接收到的MDT有错。后面添加错误的CRC，否则添加正确的CRC转发到下一从站。主站收到MDT电报后。检验CRC是否正确，接收AT数据。如果不正确，则重发MDT电报，露发次数由通讯参数确定。一个MDT的报文结构如图2所示。从站装置的可配置周期数据(指令数据段)，具有可变的长度。

　　(4)伺服电报(Drive Telegram，简称AT)：每个通讯周期中，主站以广播形式发送一次这种电报，各伺服装置将要反馈给主站的数据添加到伺服电报中如际位置值、实际速度值等。

　　从站电报AT用于正常运行时(CP6阶段)，从站装置向控制单元反馈tl已的运行状态。在每个周期中，主站发送一次MDT数据帧日寸填充每个从站装置AT指令数据。伺服装置将自己的运行状态添加到报文的数据域发给控制单元。从站电报AT的报文结构，从站记录里的状态字由伺服和控制系统共同决定。

　　(5)普通数据电报(General Data Telegram，简称GDT)：用于在主站与从站．从站与从站之间传送非周期数据。GDT报文结构中控制字的内容：D5-D0均为0，D15—D6按表1设置有效。用于在主站与从站，从站与从站之间传送非周期数据。

　　1.2 GSK Link总线初始化

　　GSK“nk的主站和从站通过以上五种电报形式进行数据传输，GSK Link总线初始化完要经过六个阶段(CPO--CP5)。通讯阶段6(CP6)是正常工作阶段。主站在进人每个通讯阶段前，先发一个MST电报通知各个从站，下面将要进入的通讯阶段，从站把通讯阶段用寄存器保存，直到新的通讯阶段更新，因篇幅所限对CP1-CP7的介绍(略)。

　　初始化全过程是开机等待网络连接正常进入CPo阶段，在CPO阶段接收到CPO阶段的MST数次，说明连接正常。可进入CPI阶段，在CPI阶段CPU接收到最大伺服从站地址参数和最大普通从站地址参数后，依次发送GDT到各个从站，从站反馈数据包含该站的类型．主站接收并保存所有从站的类型参数，完成后进人CP2阶段。在CP2接收到MST后，发送GDT分别与各个从站握手，完成后进入CP3。在CP3阶段，测量并接收各个伺服从站的延迟补偿。完成进入CP4，在CP4阶段接收到M汀后，发送GDT与各个从站通信，传输参数(控制字为8800H)。完成后进人CP5，在CP5阶段接收到MST后，发送GDT与各个从站通信，传输伺服参数完成并确认通信参数后此时初始化完成，进入CP6阶段。在CP6阶段表示已进入正常工作阶段，按时序严格诊断网络状态。MDT数据收发、GDT数据收发。

2 GSK Link总线数控系统架构

　　GSK Link总线是在ARM+DSP的硬件结构中实现。ARM中主要实现GSK Link的功能应用，通过数据包形式发送到DSP，DSP实现GSK Link主站控制。数据通过主站发送到数据链路层、物理层然后通过超5类双绞线连接从站设备，实现与从站设备互连通讯。从站设备包括进给伺服从站、主轴伺服从站、控制键盘从站、I/0卡从站、光栅卡从站等。GSK Link应用协议是在ARM中实现收发MDT数据包及GDT数据包。并对收到的数据包根据应用协议进行分析每个从站的控制字、数据区。通过分析获取伺服从站及主轴伺服从站的参数、报警、诊断信息、电机实际位置、指令位置，设置使能、清除报警、插补点数据的发送；实现键盘从站各个键信号传递；实现总线I／O卡从站控制输入、输出数据；实现光栅卡从站反馈光栅的R信号及光栅当前位置。DSP中实现GSK Link主站功能相对简单．主要实现总线初始化、总线的诊断信息及与ARM的上传、下传MDT、GDT数据包，并接收、转发、发送从站的MDT、GDT数据包。这种架构方式主重模块化，非常方便系统的可扩展性，增加一个进给伺服轴或主轴伺服或IO点只要多连接一个从站就能实现，这样模式能够适应不同操作系统平台上应用．GSK Link只要在所用的操作系统平台上重新编译文件就能够应用相应的接口．达到使用最简便及快速开发。

3 GSK Link在数控系统中的应用

　　GSK Link应用的硬件结构是ARM+DSP，在ARM上电后启动系统后，由系统自动加载DSP总线文件*.BIN。加载成功DSP文件后，系统调用初始化总线指令，使DSP在接收到初始化GSK Link指令后进行总线初始化．初始化完成后把各从站属性及总线的诊断信息发送到ARM中，然后DSP启动中断，在中断中实时检测总线的当前状态，如果检测到总线状态正常进行收发MDT数据包及GDT数据包，否则不发送及接收MDT数据包，并反馈ARM总线异常报警信息。而ARM在接收到初始化成功标志后。获取各从站属性并通过中断实时收发MDT数据包、总线诊断信息，当接收到总线连接异常时报警，并在系统复位时发送总线复位指令给DSP，而DSP在接收到复位指后并且判断当前总线连接异常时则重新初始化总线。通过总线初始化、总线连接状态检测、MDT／G町数据包的收发以及总线异常复位构成了主轴运行机制。

4 结束语

　　GSK Link总线式数控系统是基于ARM+DSP硬件结构构上开发数控系统及总线的应用。通过超5类双绞线连接DSP总线主站与从站互连通讯。这种应用模式充分体现了系统的模块化，系统中的总线具有传输数据量大，抗干扰能力强，能够适应不同的操作系统平台上应用，能够促进数控系统先进功能开发与实现。简化了系统的连线、方便系统扩展．为总线式数字数控系统的开发提供了一种模式。这种模式已在广州数控设备有限公司的GSK 218MS/MC/MD总线数控系统中得到了很好应用。