本文摘要：摘要：结合数控机床行业对数据传输的需求，较全面地介绍一种基于以太网的高速现场总线通讯协议GSK-Link。GSK-Link总线物理层采用标准以太网(IEC802.3)的物理层，通信速率100Mbits/s，时钟同步性小于100ns，支持环形和线形拓扑结构，具有免数据冲突检测和全双
摘要：结合数控机床行业对数据传输的需求，较全面地介绍一种基于以太网的高速现场总线通讯协议GSK-Link。GSK-Link总线物理层采用标准以太网(IEC802.3)的物理层，通信速率100Mbits/s，时钟同步性小于100ns，支持环形和线形拓扑结构，具有免数据冲突检测和全双工通信数据链路层;支持主站在线待机冗余功能。是具有完全自主知识产权的工业以太网通讯协议。
关键词：现场总线,工业以太网,伺服驱动
0引言
在基于以太网的高速现场总线的数控系统体系结构中，高速现场总线成为控制单元和伺服系统之间的通讯接口，能够实现控制单元和数字伺服驱动器及相关设备之间的实时数据通讯，能够满足高档数控系统多通道、多轴联动、高速纳米级插补的需要[1-2]。但是，现有的多种通讯标准都过于复杂，开发难度大，授权费用高、核心技术均被一些国外厂商所控制，无法对总线协议进行改进和二次开发。为了适应我国数控技术的发展，国内厂家开发各自的总线接口技术，满足开放式数控系统的需求。
本文针对以太网应用于数控系统的数字接口技术进行了深入研究，制定了基于以太网的高速现场总线通讯协议GSK-Link。GSK-Link总线协议作为一种应用于高速高精运动控制的总线协议，除了需要满足普通网络控制协议所要求的技术特性外，还具有工业以太网的特殊性能要求：实时性、可靠性和时钟同步性。
1GSK-Link协议介绍
设计了用于数控行业的GSK-Link高速现场总线协议规范。GSK-Link协议采用“三层”现场总线参考模型：物理层、链路层、应用层。采用主从式的双通道网络结构，支持环形和线形拓扑结构。应用层协议主要借鉴了SERCOS-IEC61491[3]通讯协议，最终形成现有的GSK-Link的总线协议标准。
GSK-Link共定义了5种电报类型：主站同步电报MST、主站数据电报MDT、伺服电报AT、以及非周期数据电报GDT1和GDT2。主站通过数据通道向从站发送MST和MDT，从站在收到MDT后通过状态通道向主站反馈AT，实现了带有广播同步电报的周期性通讯[4]。另外，根据实际需要在主站的控制下，完成主站到从站、从站到从站的非周期数据的交互。GSK-Link定义了完善的错误检测、多次重发机制、总线诊断和安全报警机制。
结合CNC与伺服单元、I/O单元等通讯的具体需求，实施可行性高、风险低、节省CPU、RAM等硬件资源的目的，与国内外先进以太网总线技术相比，其硬件成本低廉，拥有自主产权，且非常适合数控机床加工特点。
GSK-Link的主要技术指标如下：(1)传输介质：超五类双绞线，通信速率：100Mb/s;(2)最大从站数量：253个，节点间距：100m;(3)总线周期：100μs/64个伺服从站、8IN+8OUT，同步时间：100ns。
2GSK-Link硬件设计
GSK-Link现场总线协议规范标准定义了“三层”现场总线参考模型：物理层、链路层、应用层[5~6]。物理层采用标准以太网接口芯片(KS8721BL)，链路层协议采用FPGA实现(LatticeXP2-8E)，应用层协议在OMPL138/DSP28377S上实现。电路设计方案中采用了两个相同的接口(SCR6)，以方便以太网总线级连，通讯接口使用脉冲变压器(HX1188)，以提高以太网信号抗干扰能力。GSK-Link通过该硬件接口实现主从站数据交互，完成对伺服从站的参数上传下载、实时位置、速度、转矩控制等。
3GSK-Link软件设计
GSK-Link总线物理层采用标准以太网接口芯片，链路层协议在FPGA上实现，应用层协议在OMPL138/DSP28377S上实现。GSK-Link总线协议的应用层充分的参考和吸收了国内外多种现场总线协议的技术优势、结合控制单元、伺服单元与I/O单元等通讯的具体需求，把通讯阶段划分为两部分：非周期通讯阶段和周期通讯阶段。非周期通讯阶段是指主站和环路上所有从站在接通电源后，数据链路的建立过程。
主站通过GSK-Link总线掌控整个环路，这通信阶段任务是：完成环路硬件检测和拓扑结构判定、建立地址映射、测量环路延时、配置周期通信阶段的通信参数、预设从站关键控制时间点、配置从站重要控制参数等。以流程图的方式介绍了通讯建立的过程。周期通讯阶段是指当环路中各个通讯站点完成CP5阶段处理后，主站会发出一个含阶段切换信息的MST时钟同步报文，实现GSK-Link总线由非周期通讯阶段向周期通讯阶段的过渡。
进入周期通讯阶段后，主站通过GSK-Link总线周期性的向从站发送相关控制信息，而从站也通过GSK-Link总线向主站反馈从站实时运行情况和状态信息。来实现主站对从站的实时精确控制。如图4所示为主/从站数据交换处理流程。
4GSK-Link站点同步性验证
在通讯建立阶段，GSK-Link总线自动完成总线的传输延时和时钟初始偏移量的补偿。在进入周期性通讯阶段后，采用动态时钟漂移实时补偿机制，主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟的延迟偏移，保证网络范围内使用非常精确的、确定性的同步误差时间基。是用示波器测量两个从站的指令有效时刻中断信号脚的同步误差不超过100ns。
5GSK-Link数据报文可靠性
具有GSK-Link总线接口的控制单元、伺服驱动装置和IO单元，在广州数控实验室进行机床连续加工运行超过5000h无通信出错。下面列出了研发阶段完成的对数据报文的实时性和可靠性的测试数据。使用仪器为德国倍福的ET2000以太网数据监控工具[7]。为主站处理周期/非周期数据时，主站在不同通讯周期下记录的周期数据报文出错数据(节点总数为5，从站周期数据域为8Byte)。
6GSK-Link应用
用于数控机床控制时，控制单元通常为一个专用数控系统，通讯主站集成在控制单元中，通讯从站既可以是伺服装置，也可以是IO从站等具有GSK-Link接口的其他设备。
7结束语
本文基于以太网总线技术设计具有自主知识产权现场总线协议规范GSK-Link总线协议，满足高档数控系统多通道、多轴联动、高速纳米级插补的需要。并在广州数控产品上进行了应用和可靠性验证，通过了电磁兼容性验证，符合国际标准IEC61000-4。整个测试过程由广州数控下属专业测试实验室完成。由测试结果证明，GSK-Link协议性能优异，能够适满足自动化行业和金属加工行业的高速现场总线需求和可靠性需求。
参考文献：
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[2]刘艳强.基于双CAN总线的数字伺服通讯协议研究[D].北京：北京航空航天大学，2006.
[3]IEC61491.Electricalequipmentofindμstrialmachines-Serialdatalinkforreal-timecommunicationsbetweencontrolsanddrives[S].
[4]郇极.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天出版社，2010.
[5]SERCOSInternationale.V.IntroductiontoSERCOS[R].Germany：PeterLutz，2009.
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