數控同步現場總線與CAN總線網關的設計

引言

現場總線控制系統(tǒng)在過去集散控制系統(tǒng)的基礎上順應用戶對控制系統(tǒng)提出的開放性的要求而誕生。開放的具有互操作性的現場總線將網絡現場的控制器及儀表設備互聯(lián)，構成現場總線控制系統(tǒng)。由于工業(yè)控制領域現場總線技術的競爭，形成了當今眾多總線標準并存的局面。這一局面限制了用戶對總線產品的選擇，同時也約束了總線技術的發(fā)展，這也使得各現場總線之間的互聯(lián)和互操作成為當務之急。

開放式數控系統(tǒng)在結構上具有互換性、伸縮性、可操作性和可移植性，其能夠方便靈活的進行裁剪、擴展和升級。數控系統(tǒng)中的現場總線是數控裝置、執(zhí)行裝置和傳感器件之間通信的系統(tǒng)。數控系統(tǒng)的開放性勢必對現場總線開放性提出一定的要求。

數控同步現場總線(Numerical Control Synehronoas Fieldbus，NCSF)是中國科學院沈陽計算技術研究所總線實驗室針對數控系統(tǒng)自主研發(fā)的現場總線。為真正實現數控系統(tǒng)的可裁剪、可擴展和可升級，數控系統(tǒng)的現場總線需要兼容不同的總線產品。CAN總線作為一種可靠的、功能完善的、成本合理的遠程網絡通信方式被廣泛應用于自動化控制領域，是國際上廣泛應用的現場總線之一，其應用范圍遍及工業(yè)機器人和傳感器等領域，有必要設計NCSF與CAN的互操作接口設備。設計NCSF和CAN總線的通信網關，有利于增強NCSF與其它現場總線的兼容能力，擴展其應用范圍。同時也為其它現場總線與數控同步現場總線互聯(lián)的軟硬件結構提供方案和技術參考。

1 相關工作

沈陽計算所牽頭制定的《機械電器設備開放式數控系統(tǒng)第三部分：總線接口與通信協(xié)議》中提出，開放式數控系統(tǒng)總線是用于連接系統(tǒng)裝置間的數字式、雙向、多點的通信系統(tǒng)，以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎，并對其加以改造，由物理層、數據鏈路層、應用層與用戶層行規(guī)組成。開放式數控系統(tǒng)由數控裝置、伺服驅動裝置、主軸驅動裝置、傳感器裝置、I／O裝置等組成，裝置間通過總線進行互操作，總線由站點、通信介質與設備組成，如圖1所示。

圖1 開放式數控總線結構

數控總線結構的設計標準只是一個規(guī)范，并未對具體的實現方法做規(guī)定。每個NCSF站點包括兩個網絡接121，它們通過雙絞線依次連成環(huán)形或線形，此種拓撲結構可以有效避免總線式結構的介質沖突，另外在總線的某一處出現異常時總線結構可自動轉變?yōu)閮蓚€線性的總線系統(tǒng)結構，這種冗余的拓撲結構，也進一步確保了通信的確定性和可靠性。

2 NCSF和CAN連接的總線拓撲結構

NCSF支持環(huán)形和線性的結構，而CAN是一種多主式的串行通信總線。本文中設計一個特殊的NCSF從站，它具有兩個網口和一個CAN接口。此從站通過兩個網口連接在NCSF總線中，同時通過CAN接口和CAN總線進行相關的交互，其總線結構如圖2。

圖2 NCSF與CAN互聯(lián)的總線拓撲結構

圖2中NCSF總線的從站3負責NCSF-CAN之間的交互。此從站在普通NCSF從站的基礎上，實現CAN總線的軟硬件支持。它把需要轉發(fā)到NCSF主站的CAN總線數據幀封裝到NCSF的應用層數據包通過NCSF的鏈路發(fā)送到主站，在NCSF的應用層中把還原CAN的數據幀交給上層協(xié)議；另外當主站需要發(fā)送CAN數據幀時，主站把這個CAN數據幀封裝在NCSF數據幀中轉發(fā)到此從站，然后還原為CAN數據幀發(fā)送到CAN總線上，這樣的能夠實現NCSFCAN之間數據交互的從站被稱為NCSF—CAN網關。

整個NCSF．CAN網關分為三部分：NCSF總線模塊、CAN總線模塊、NCSF-CAN數據幀封裝轉換模塊。NCSF．CAN數據幀封裝轉換模塊的主要工作是，在NCSF應用層的數據包中封裝或還原CAN數據幀；使得CAN數據幀能夠通過NCSF鏈路發(fā)往從站，同時也使得主站發(fā)往CAN總線的數據包能夠正確解析。

3 NCSF接口模塊與CAN接口模塊的設計

NCSF—CAN網關硬件由NCSF接口和CAN接口構成。協(xié)議網關的主控芯片S3C2440是一款高性能低功耗處理器，其采用ARM920T內核，全靜態(tài)的設計特別適合對成本和功率敏感型的應用。

S3C2440有著豐富的片上資源，CAN總線控制芯片選用MCP2515，其通過串行外設接口(Serial PeripheralInterface，SPI)與S3C2440進行通信，NCSF接口選用DM9000。

3．1 NCSF總線接口模塊

NCSF使用標準以太網的物理層，其接口電路使用普通的以太網接口芯片，同時為了保證數據傳輸速率應該選用100Mbit／s支持全雙工模式的芯片。圖3是從站的NCSF接口電路簡圖，圖中僅標出芯片關鍵的引腳的連接。圖中DM9000的片選信號AEN連接在nGCS4上，表明此接口DM9000的起始地址為0x20000000，使用7號外部中斷腳EINT7，DM9000的內部存儲空間的基地址為300H。

圖3 NCSF接口電路簡圖

需要特別指出的是DM9000的SD0一SDl5引腳是數據和地址的復用引腳。當CMD為低電平時，數據線為地址端口，否則為數據端口。DM9000的地址寄存器端121地址為Ox20000000，數據寄存器的端口地址為0x20000004。由此訪問片上特定的寄存器時要先寫地址再讀寫數據，下面是DM9000驅動程序讀其內部寄存器的函數實現。