SERCON816型SERCOS總線控制器及其應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：SERCON816 SERCOS總線 總線控制器
1 引言
SERCOS總線是一種連接運動控制器與驅(qū)動器的運動控制總線。它出現(xiàn)的較晚，但一面世便受到世界各種設(shè)備供應(yīng)商的廣泛關(guān)注。SERCOS總線特有的開放性、同步性與抗干擾性有力支持了目前各先進工業(yè)國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，因此其協(xié)議很快便被采納為國際標(biāo)準(zhǔn)。2002年中國也正式頒布了SERCOS協(xié)議的國家標(biāo)準(zhǔn)。在此之前，SERCOS總線已被應(yīng)用于實踐，如今全球有70多家公司能提供帶有SERCOS接口的數(shù)字產(chǎn)品，國外生產(chǎn)的各類印刷機、食品包裝機、裝配機器人、半導(dǎo)體加工設(shè)備、紡織機及其它具有特殊用途的機器中也不乏SERCOS總線的應(yīng)用。因內(nèi)也開始嘗試應(yīng)用這一后起之秀，相關(guān)的研究也在日益增多。文中從應(yīng)用角度，結(jié)合筆者實際使用中的經(jīng)驗，著重介紹一款主流的SERCOS總線控制器一SERCON816，希望能借此對國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起到拋磚引玉的作用。
2 SERCON816簡介
SERCON816是由歐洲SERCOS協(xié)會推出的第二代SERCOS總線控制器。該芯片集成了SERCOS總線的數(shù)據(jù)鏈路層，通過設(shè)定片內(nèi)寄存器和讀寫結(jié)構(gòu)化的雙口RAM便可實現(xiàn)總線的通訊。這款芯片報文處理的時鐘頻率最大可達16MHz，即可在最短為62.5μs的固定周期內(nèi)實現(xiàn)一主多從的環(huán)形通訊。SERCON816資源豐富，功能強大，內(nèi)部有43個16位的控制寄存器、2kB的雙口RAM、2個外部中斷引腳、34個內(nèi)部中斷源、1個看門狗定時器及DMA控制器。另外，該電路的接口方式也靈活多樣，與微處理器互聯(lián)的總線寬度即可為8位，也可為16位；讀/寫控制的模式既可遵循Intel標(biāo)準(zhǔn)，也可遵循Motorola標(biāo)準(zhǔn)。而串行接口的通訊也可選用光纖或電纜來實現(xiàn)。SERCON816的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 SERCON816的應(yīng)用
3．1 SERCON816與微處理器的接口
SERCON816以總線的形式與微處理器接口。總線操作有兩種模式，第一種是總線分離模式。在該模式下，數(shù)據(jù)總線上只傳遞數(shù)據(jù)，地址總線上只傳遞地址；第二種是總線復(fù)用模式。此時，對于片外數(shù)據(jù)總線而言，既傳遞數(shù)據(jù)也傳遞地址，不過，在芯片內(nèi)部通過地址鎖存器將二者分開了，具體說明見表1。
表1 SERCON816與微處理器接口
| ADMUX | 0 | 總線分離模式 |
| 1 | 總線復(fù)用模式 | |
| BUSWIDTH | 0 | 數(shù)據(jù)總線寬度為8位 |
| 1 | 數(shù)據(jù)總線寬度為16位 | |
| A0 | A0、BHEN=00，數(shù)據(jù)總線有效位D0-D15；A0、BHDEN=01，為D0-D7；A0、BHEN=DIR=1，D0-D7代表高字節(jié)，D8-D15代表低字節(jié) | |
| BHEN | ||
| BYTEDIR | 16位數(shù)據(jù)總線 | BYTEDIR=0，D0-D7代表低字節(jié)，D8-D15代表高字節(jié)，BYTEDIR=1，D0-D7代表高字節(jié)，D8-D15代表低字節(jié) |
| 8位數(shù)據(jù)總線 | BYTEDIR=0時，A0=0傳遞低字節(jié)，A0=1傳遞高字節(jié)，BYTEDIR=1時，A0=0傳遞高字節(jié)，A0=1傳遞低字節(jié) | |
在總線分離模式下，首先要將BUSWIDTH置1，以選擇16位寬的數(shù)據(jù)總線。然后將A0、BHEN都接地，使數(shù)據(jù)總線16位均有效。還要注意BYTEDIR的選擇，由于內(nèi)部寄存器或RAM單元都是16位的，分離、低二個字節(jié)，當(dāng)BYTEDIR=0時，數(shù)據(jù)總線上傳送的低8位數(shù)據(jù)作為低字節(jié)存入，高8位數(shù)據(jù)作為高字節(jié)存入；而當(dāng)BYTEDIR=1時，低8位數(shù)據(jù)作為高字節(jié)存入，高8位數(shù)據(jù)作為低字節(jié)存入。通常情況下，將BYTEDIR接地。
總線復(fù)用模式主要是為了與8位微處理器進行接口。在這種模式下，片外數(shù)據(jù)總線首先傳送地址信號，穩(wěn)定后，打開內(nèi)部鎖存器將地址輸入到內(nèi)部地址總線，隨后鎖存器關(guān)閉，將地址鎖存，最后再從片外數(shù)據(jù)總線將8位數(shù)據(jù)傳入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。由于內(nèi)部寄存器或RAM單元由高、低二個字節(jié)構(gòu)成，讀/寫時總是一個字節(jié)一個字節(jié)的進行，次序由BYTEDIR的設(shè)寫與A0的變化來確定。值得注意的是，當(dāng)與Motorola微處理器或8051系列微處理器進行接口時，BYTEDIR通常被設(shè)為1；而當(dāng)與非8051系列的其它Intel微處理器接口時，BYTEDIR通常被設(shè)為0。
SERCON816總線的讀寫控制可選用Intel或Motorola二種標(biāo)準(zhǔn)之一，具體說明見表2。
表2 讀寫操作的標(biāo)準(zhǔn)說明
| BUSMODEO | BUSMODE1 | 標(biāo)準(zhǔn) | WRN | RDN |
| 0 | X | Intel | WRN | RDN |
| 1 | 0 | Motorola | R/WN | 低電平WRN有效 |
| 1 | 1 | Motorola | R/WN | 高電平WRN有效 |
當(dāng)BUSMODE0為0時，采用Intel標(biāo)準(zhǔn)。此時，若WRN為低、RDN為高，進行寫操作；若RDN為低、WRN為高，進行讀操作。當(dāng)BUSMODE0=1時，采用Motorola標(biāo)準(zhǔn)，只有在這種標(biāo)準(zhǔn)下，BUSMODE1才有意義。如果此時的BUSMODE1=0，說明當(dāng)控制線RDN上出現(xiàn)低電平時，控制線WRN的控制信號有效；而如果BUSMODE1=1，說明當(dāng)控制線RDN上出現(xiàn)高電平時，控制線WRN的控制信號有效。當(dāng)WRN有效時，高電平表示讀，低電平表示寫。
SERCON816內(nèi)部有2048字的雙口RAM和大量的控制寄存器。由于對它們訪問的地址上有重疊，所以必須事先確認訪問的是雙口RAM還是控制寄存器。當(dāng)MCSN0=0，MCS=1時，對RAM進行讀寫操作；而當(dāng)PCSN0=0，PCS1=1時，則對寄存器進行讀寫操作。
圖2
3．2 時鐘與復(fù)位
SERCON816需要二個時鐘。一個由SCLK引腳輸入，作為基準(zhǔn)源；另一個由MCLK引腳輸入，用于報文處理。作為新一代的SERCOS接口控制器，為了能夠很好地與上一代控制器兼容，SERCON816提供了一個可選的設(shè)置引腳SBAUD16。通常，將SBAUD16接5V電源，可使SERCON816工作在兼容模式下。注意：SCLK最高輸入頻率為64MHz，MCLK輸入頻率在12MHz～64MHz之間。
SERCON816有硬件復(fù)位和軟件復(fù)位二種方式。硬件復(fù)位是通過在RSTN引腳上加一個寬度不小于50ns的負脈沖來完成。不過，在非兼容模式下或掉電復(fù)位時，負脈沖的寬度不應(yīng)小于10ms。此外，還要注意在復(fù)位電路中加上具有低通濾波器特性的電路以防止毛刺噪聲的干擾。軟件復(fù)位則是通過向SERCON816的控制寄存器SWRST位寫1來完成。如果SERCON816未能正常復(fù)位，則可以通過軟件進行復(fù)位。
3．3 通信波特率的設(shè)置
波特率也可通過硬件或軟件來設(shè)置。寄存器ENTSBAUD決定著波特率的設(shè)置方式。當(dāng)ENTSBAUD=0時，通常硬件設(shè)置；而當(dāng)ENTSBAUD=1時，通過軟件設(shè)置，具體見表3，此表是在fmclk=64MHz時的波特率選擇。
表3 通信波特率的設(shè)置
| ENTSBAUD | SBAUD | SBAUD16 | SWSABUD | SWSBUAD16 | 波特率 |
| 0 | 1 | 1 | X | X | 2M（fsclk/32） |
| 0 | 0 | 1 | X | X | 4M(fsclk/16) |
| 1 | X | 1 | 1 | X | 2M(fsclk/32) |
| 1 | X | 1 | 0 | X | 4M(fsclk/16) |
| 0 | 1 | 0 | X | X | 8M(fsclk/8) |
| 0 | 0 | 0 | X | X | 16M(fsclk/4) |
| 1 | X | 0 | 1 | 1 | 2M(fsclk/32) |
| 1 | X | 0 | 0 | 1 | 4M(fsclk/16) |
| 1 | X | 0 | 1 | 0 | 8M(fsclk/8) |
| 1 | X | 0 | 0 | 0 | 16M(fsclk/4) |
當(dāng)芯片工作在與SERCON410B兼容的模式下時，如果選擇硬件設(shè)置波特率則控制寄存器SWSBAUD和SWSBAUD16無效，此時，可以通過引腳SBAUD選擇2MHz或4MHz的波特率；如果選擇軟件設(shè)置波特率，則引腳SBAUD無效，此時，可以通過寄存器SWSBAUD選擇2MHz或4MHz的波特率。同理，可設(shè)置非兼容模式下的波特率。
實際應(yīng)用中，會出現(xiàn)波特率的實際值與設(shè)置值不相等的情況。造成這種情況的實際值與設(shè)置值不相等的情況。造成這種情況的原因可能是由于信號變形過大或通訊回路堵塞。此時，在SERCON816內(nèi)部會產(chǎn)生相同的中斷和錯誤標(biāo)志，用戶由此可以判斷錯誤產(chǎn)生的原因。在通信正常以后，錯誤標(biāo)志會自動復(fù)位，而中斷標(biāo)志則必須通過軟件來清除。
3．4 輸入/輸出引腳的設(shè)置
SERCOS總線一般采用光通訊的方式，以提高抗干擾能力。接口的光電轉(zhuǎn)換通過光電接頭自動完成。為了能調(diào)節(jié)輸出電流的大小，使得輸出信號具有不同的驅(qū)動能力，SERCON816提供了6個輸出引腳。這樣便可以通過使能輸出引腳的多少來調(diào)節(jié)輸出電流的大小。通常將6根輸出引腳并聯(lián)起來，可以得到60mA的最大靜態(tài)輸出電流和120mA的最大動態(tài)輸出電流。另外還需在每一根輸出引腳上外接一個電阻器和并聯(lián)一個RC電路，其目的是來用電阻器傳遞靜態(tài)電流，利用RC電容來穩(wěn)定信號快速變化時產(chǎn)生的動態(tài)電流。
SERCON816與51單片機接口連接如圖2所示。
3．5 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要集中在對SERCON816進行初始化。初始化主要包括：RAM報文數(shù)據(jù)初始化、硬件配置初始化和通訊初始化。其流程圖如圖3所示。
硬件配置初始化和通訊初始化主要通過設(shè)置控制寄存器中的相應(yīng)位來完成，推薦的寄存器配置見表4，而RAM的初始化則是按照電路要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在RAM開辟特定的數(shù)據(jù)空間。
表4 控制寄存器的配置
| 硬件配置寄存器參數(shù) | REGMODE | 1 | 報文處理寄存器參數(shù) | ENTMT | 1 |
| SYNCWR | 1 | COMBLK0 | 0 | ||
| TXDMODE | 0 | COMBLK1 | 0 | ||
| ENTXD1_6 | 111111B | PHASO | 1 | ||
| TMODE0_2 | 111B | PHAS1 | 2 | ||
| REG_06H | 0008H | MSTTCHK | 0 | ||
| REG_07H | 0001H | ||||
| REG_09H | 0223H | ||||
| REG-08H | 4100H | ||||
| 通訊寄存器參數(shù) | REG_09H | 1 | MCLKST | 6 | |
| ENTSBAUD | 0 | TCNTST | 2 | ||
| SWBAUD | 1 | JTSYC1 | -1 | ||
| MSTEN | 0 | JTSCYC2 | 6 | ||
| REPON | 1 | TSCYC0 | 1000 | ||
| MCLKDIV | 15 | PHAS12 | 1 | ||
4 結(jié)束語
SERCON816是實現(xiàn)SERCOS通訊的核心電路，使SERCOS總線在國際數(shù)控領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。筆者近一二年通過對SERCOS總線的研究，在實際的開發(fā)過程中深感此芯片的重要性，希望上述心得能為國內(nèi)相關(guān)人士的深入研究提供一個參考。
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