周芳芳，唐小琦，宋 寶，謝星葵

(1.華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074;2.深圳華中數(shù)控股份有限公司，廣東 深圳 518001)

基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計與實現(xiàn)*

周芳芳1，唐小琦1，宋 寶1，謝星葵2

(1.華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074;2.深圳華中數(shù)控股份有限公司，廣東 深圳 518001)

結(jié)合自主研發(fā)的HCUC-Bus現(xiàn)場總線協(xié)議，設(shè)計了一種可靠性高、通信速率高、控制簡單的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，采用PHY芯片和FPGA共同作用的硬件平臺，結(jié)合模塊間的信號轉(zhuǎn)換要求和現(xiàn)場總線的特點，將“脈沖量或模擬量接口”的伺服/主軸驅(qū)動器應(yīng)用于現(xiàn)場總線的通信方式，解決了“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動器通信速率低、控制復雜，且不適合長距離傳輸?shù)葐栴}。

驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置;NCUC-Bus現(xiàn)場總線;數(shù)控系統(tǒng);現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言

隨著數(shù)控機床高速高精加工的迅速發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的運用越來越廣泛。目前大部分國外數(shù)控機床都應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，國內(nèi)也在積極開展這方面的研究與應(yīng)用，其中基于數(shù)控聯(lián)盟總線(NC Union of China Field Bus，NCUC-Bus)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)嶄露頭角。NCUC-Bus協(xié)議是應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)的強實時現(xiàn)場總線協(xié)議，采用PHY+FPGA結(jié)構(gòu)模式，整個協(xié)議的處理都在FPGA中實現(xiàn)，能夠很好地滿足包含運動控制的工業(yè)自動化控制的強實時、高可靠性要求，是發(fā)展高速、高精的數(shù)控系統(tǒng)必不可少的通信方式。

目前大部分國產(chǎn)數(shù)控裝置與驅(qū)動器之間采用的是脈沖量或模擬量的通信方式，這種通信方式速率低、控制復雜，且不適合長距離傳輸，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)高速高精的通信要求，成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

本文針對脈沖量或模擬量通信存在的問題，結(jié)合NCUC-Bus現(xiàn)場總線強實時、高可靠性的特點，設(shè)計了一種基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將信號和協(xié)議的處理在FPGA中實現(xiàn)，并結(jié)合FPGA外圍電路的設(shè)計，將脈沖量或模擬量通信方式轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線通信方式，解決了“脈沖量或模擬量接口”的驅(qū)動器通信方式速率低、控制復雜，且不適合長距離傳輸?shù)膯栴}［1-3］。

1 基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的硬件平臺

NCUC-Bus網(wǎng)絡(luò)是一種主-從式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，環(huán)路中擁有一個主站設(shè)備(主站)和多個從站設(shè)備(從站)。主站與從站依次連接，形成環(huán)形或線形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，主站可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從站是數(shù)控系統(tǒng)中的驅(qū)動器、PLC、I/O板等設(shè)備［3-4］。

NCUC-Bus現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)可以將現(xiàn)場總線接口的驅(qū)動器直接作為從站，進而控制電機，這類的驅(qū)動器都是基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，而市面上大部分的“脈沖量或模擬量接口”的驅(qū)動器不能直接串入NCUC-Bus現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)中，基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線開發(fā)的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將“脈沖量或模擬量接口”的伺服/主軸驅(qū)動器串入基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的硬件平臺

該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置將基于NCUC-Bus總線驅(qū)動的輸入/輸出信號轉(zhuǎn)換成“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動器可以接收的輸入/輸出信號，將數(shù)控裝置與驅(qū)動器之間的通信方式轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線通信方式，提高數(shù)控系統(tǒng)的強實時和高可靠性，滿足數(shù)控系統(tǒng)高速高精的通信要求。

2 基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)

基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置利用FPGA設(shè)計周期短，開發(fā)費用低、風險小等優(yōu)點，將信號轉(zhuǎn)發(fā)器的信號處理在FPGA中實現(xiàn)，并結(jié)合FPGA的外圍電路和接口實現(xiàn)驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)功能。該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置設(shè)置了兩個高密36接口，可以與兩臺驅(qū)動器連接，同時控制兩臺電機運行。根據(jù)驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置功能的實現(xiàn)，將其劃分為以下六個功能模塊，如圖2所示。

圖2 基于現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)

該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的六個功能模塊包括:2路電機編碼反饋信號輸入，碼盤反饋信號可以是絕對式或增量式，電機的碼盤反饋信號經(jīng)過保護濾波、差分轉(zhuǎn)單、電平轉(zhuǎn)換處理后輸入到FPGA;12路數(shù)字量輸入和12路數(shù)字量輸出，都需要經(jīng)光電隔離和電平轉(zhuǎn)換后與FPGA連接;2路脈沖指令輸出，經(jīng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿}沖指令，由 FPGA進行轉(zhuǎn)換、位置環(huán)控制及選擇處理，通過單轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換為脈沖串和脈沖方向，對電機進行位置控制;2路模擬量輸出，經(jīng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈恢弥噶?，由FPGA采集進行轉(zhuǎn)換及選擇處理，通過D/A轉(zhuǎn)換芯片和電平轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，對電機進行速度控制;光纖通信接口，NCUC-Bus現(xiàn)場總線的通信接口采用PHY芯片和光纖收發(fā)器來實現(xiàn);FPGA芯片，F(xiàn)PGA是該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的核心部分，F(xiàn)PGA提供現(xiàn)場總線協(xié)議的實現(xiàn)、信號的轉(zhuǎn)換及位置環(huán)的實現(xiàn)。該裝置使用的FPGA芯片為Altera公司的cyclone II EP2C80208芯片，通過Quartus II8.0進行綜合、時序分析及布局布線。

基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置通過這六個功能模塊的相互連接和配合，將基于NCUC-Bus總線驅(qū)動的輸入/輸出信號(包括位移/速度指令、編碼反饋信號以及相關(guān)輸入/輸出)轉(zhuǎn)換成“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動器可以接收的輸入/輸出信號，實現(xiàn)數(shù)控裝置與驅(qū)動器之間的現(xiàn)場總線通信。

3 基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的功能實現(xiàn)

驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置功能主要在FPGA中實現(xiàn)。FPGA的硬件程序包括總線上傳/下載單元、碼盤信號轉(zhuǎn)換單元、位置環(huán)控制單元、選擇單元、D/A控制單元、脈沖轉(zhuǎn)換單元、I/O轉(zhuǎn)換單元。如圖3所示。

輸入到FPGA中的碼盤反饋信號和I/O輸入信號經(jīng)過碼盤信號轉(zhuǎn)換單元和I/O轉(zhuǎn)換單元處理后，由總線上傳/下載單元上傳到現(xiàn)場總線中。

總線上傳/下載單元經(jīng)光纖接口下載脈沖指令、速度指令、I/O輸出指令。下載的脈沖指令可以通過脈沖轉(zhuǎn)換單元輸出，也可以通過位置環(huán)控制單元處理后轉(zhuǎn)換為速度指令;直接下載的速度指令和經(jīng)位置環(huán)控制單元處理后的速度指令通過選擇單元，選擇其中一種類型，經(jīng)D/A控制單元輸出;下載的I/O輸出指令經(jīng)I/O轉(zhuǎn)換單元輸出。

選擇單元可選擇模擬量的兩種類型，也就是速度控制的兩種應(yīng)用模式:第一種應(yīng)用模式，是實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)發(fā)的功能，把網(wǎng)絡(luò)的速度指令直接通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出;第二種應(yīng)用模式，是在FPGA中實現(xiàn)位置環(huán)的控制，將網(wǎng)絡(luò)中的脈沖指令和碼盤的反饋信號通過位置環(huán)及D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，位置環(huán)的控制流程如圖4所示。

圖4 位置環(huán)控制流程圖

位置環(huán)的實現(xiàn)是將主站提供的脈沖指令和碼盤的反饋信號在FPGA進行實時的控制處理，最終轉(zhuǎn)換成模擬量形式對電機進行速度控制。前饋因子和位置環(huán)比例系數(shù)都可以根據(jù)具體的電機控制過程來確定，具體實現(xiàn)過程如圖5所示。

4 實驗與仿真

基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置可以用于電機的位置控制和速度控制，速度控制具有兩種應(yīng)用模式。每種控制方式和應(yīng)用模式都進行了實驗和仿真測試，均符合設(shè)計要求。

圖5 位置環(huán)實現(xiàn)過程的邏輯框圖

4.1 基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的位置控制

將基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置用于位置控制時，主站可以設(shè)置位置指令的值，經(jīng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線傳輸后，由光纖接口下載到FPGA中轉(zhuǎn)換成脈沖串和脈沖方向，通過電平轉(zhuǎn)換和單轉(zhuǎn)差分電路，從高密36接口輸出。輸出的脈沖信號作為驅(qū)動器的控制信號，以脈沖的形式控制伺服驅(qū)動器的位置。

實驗仿真時，主站設(shè)置第一路位置指令的值為200，第二路位置指令的值為-200，意義是1ms發(fā)送200個脈沖，第一路位置指令的方向為正，第二路位置指令的方向為負。通過該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置信號處理后，脈沖串是頻率為200kHz的方波，第一路脈沖方向為正，輸出4V左右的電壓，第二路脈沖方向為負，輸出0V左右的電壓。實驗過程中用Quartus軟件的SignalTap觀察兩路位置指令經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后的脈沖輸出的仿真圖形，如圖6所示。并用示波器觀測第一路脈沖指令在單轉(zhuǎn)差分電路處理后脈沖串的差分信號和脈沖方向的差分信號，即CP±和DIR±，如圖7所示。

圖6 兩路位置指令脈沖輸出的仿真圖形

圖7 脈沖串及脈沖方向的差分信號

4.2 基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置的速度控制

將基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置用于速度控制時，主站可以設(shè)置速度指令的值，經(jīng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線傳輸后，由驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，對電機進行速度控制。速度控制具有兩種應(yīng)用模式:第一種應(yīng)用模式，該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，把主站設(shè)置的速度指令直接通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出;第二種應(yīng)用模式，是在FPGA中實現(xiàn)位置環(huán)的控制，將主站設(shè)置的位置指令和碼盤反饋信號通過位置環(huán)控制，轉(zhuǎn)換成速度指令，再通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。

(1)第一種速度控制模式

該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置應(yīng)用第一種速度控制模式控制電機，通過FPGA的JTAG接口，用Quartus軟件的SignalTap觀察的FPGA運行的仿真圖，da_spd1及da_spd2是主站設(shè)置的兩路速度指令十六進制顯示的數(shù)值，經(jīng)FPGA處理，轉(zhuǎn)換成D/A轉(zhuǎn)換芯片的控制信號，包括sclk、sync_n、clr_n、din、ldac_n，這5 個控制信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，輸入到D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5623，轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。具體仿真圖如圖8所示。

圖8 基于第一種速度控制模式下的仿真圖

(2)第二種速度控制模式

該驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置應(yīng)用第二種速度控制模式控制電機，通過FPGA的JTAG接口，用Quartus軟件的SignalTap觀察的FPGA運行的仿真圖，pulse_num_net1是主站設(shè)置的位置指令，設(shè)置為100，data_out_num1是碼盤反饋信號，這兩個信號經(jīng)FPGA的位置環(huán)處理后，轉(zhuǎn)換為速度指令da_pos1，同樣經(jīng)FPGA處理，轉(zhuǎn)換成D/A轉(zhuǎn)換芯片的控制信號，包括sclk、sync_n、clr_n、din、ldac_n，這 5 個控制信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路，輸入到D/A轉(zhuǎn)換芯片 AD5623，轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。具體仿真圖如圖9所示。

圖9 基于第二種速度控制模式下的仿真圖

5 結(jié)束語

本文所提出的基于NCUC-Bus現(xiàn)場總線的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，采用PHY芯片和FPGA共同作用的硬件平臺，并在FPGA外圍電路的配合下，將基于NCUC-Bus總線驅(qū)動的輸入/輸出信號(包括位移/速度指令、編碼反饋信號以及相關(guān)輸入)轉(zhuǎn)成傳統(tǒng)伺服可以接收的輸入輸出信號，并在驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置中實現(xiàn)電機位置環(huán)的控制，增加了驅(qū)動器的控制效率，實現(xiàn)了將“脈沖量或模擬量接口”的伺服/主軸驅(qū)動器應(yīng)用于現(xiàn)場總線的通信方式，解決了“脈沖量或模擬量接口”驅(qū)動器通信速率低，控制復雜，且不適合長距離傳輸?shù)葐栴}。

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Implementation of Driving Signal Transmiter Based on Fieldbus NCUC-Bus

ZHOU Fang-fang1，TANG Xiao-qi1，SONG Bao1，XIE Xing-kui2
(1.School of Mechanical Science and Engineering，HuaZhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;2.Shenzhen Huazhong Numerical Control co.，ltd，Shenzhen Guangdong China)

Combined with the self-developed fieldbus NCUC-Bus protocol，a driving signal transmiter which is reliabile，high speed and easy control was designed.FPGA and the FHY chip were chosen to realize the hardware platform.And according to the requirement of the signal transition among modules and the features of the fieldbus，the servo/spindle driver which have the interface of pulse or analog was used in the communication of the fieldbus，and solved the problems of low speed，complicate control，and bad performance.

driving signal repeaters;fieldbus NCUC-Bus;numerical control system;field programmable gata array

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)02-0088-04

2011-07-25

國家自然科學基金(20100192);國家自然科學基金(50875099);“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(2010ZX04010-041)

周芳芳(1988—)，女，湖南邵東人，華中科技大學碩士生，主要研究方向為數(shù)控技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)，(E-mail)zhouff5@126.com。

(編輯 趙蓉)