秦家正，黃炎，田斌，胡亦恒

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

工業(yè)自動(dòng)化控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是目前工業(yè)智能化發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。本系統(tǒng)基于RS485 串口通訊協(xié)議開發(fā)，相較于傳統(tǒng)的RS232 標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速率高，抗噪聲干擾性好，以及傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，通訊數(shù)據(jù)幀基于ModBus 通訊數(shù)據(jù)幀進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，幀功能性強(qiáng)，且配備數(shù)據(jù)校驗(yàn)與出錯(cuò)重發(fā)處理機(jī)制。因此本文在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的專用系統(tǒng)上，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了深入研究和開發(fā)，以能夠提供成熟的應(yīng)用解決方案。

本文基于TMS230F2812 型DSP 芯片開發(fā)，針對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的上下位通信實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了一些探索和研究。

1 設(shè)計(jì)原理與需求分析

HMI 通過(guò)RS485 串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)從機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)獲取機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，監(jiān)控機(jī)械結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中軸位置以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)標(biāo)志位，控制各模擬量、數(shù)字量模塊的輸入輸出信號(hào)，以此來(lái)完成人機(jī)交互，響應(yīng)遠(yuǎn)端和近端的操作。

RS485 是一個(gè)定義平衡數(shù)字多點(diǎn)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性的標(biāo)準(zhǔn)，使得連接本地網(wǎng)絡(luò)以及多支路通信鏈路的配置成為可能。本系統(tǒng)是以DSP 為核心的通用RS485 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)在保證了通訊穩(wěn)定性的前提下，具有實(shí)用面廣、通用性強(qiáng)以及可自由擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。整體RS485 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 RS485 通信結(jié)構(gòu)圖

Serial Communication Interface 簡(jiǎn)稱“SCI”，即串行通信接口。SCI 是一個(gè)雙線的異步串口，具有接收和發(fā)送兩根信號(hào)線，一般可以看作是UART（通用異步接收/發(fā)送裝置）。TMS230F2812 的內(nèi)部具有兩個(gè)相同的SCI 模塊，SCIA 和SCIB。每一個(gè)模塊都各有一個(gè)接收器和發(fā)送器，SCI 模塊可以產(chǎn)生兩個(gè)中斷：SCIRXINT 和SCITIINT，即接收中斷和發(fā)送中斷。本系統(tǒng)使用SCIA 模塊以中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，具有系統(tǒng)占用內(nèi)存低、實(shí)現(xiàn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

在機(jī)床實(shí)際應(yīng)用中，DSP 將傳感器/編碼器反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)SCI 模塊將實(shí)時(shí)狀態(tài)信息發(fā)送給HMI，同樣以此來(lái)接收HMI 發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制與狀態(tài)信息處理指令，并傳達(dá)給最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 需求分析

工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床通常需要通過(guò)對(duì)加工過(guò)程運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃進(jìn)行采樣，來(lái)監(jiān)控實(shí)際加工過(guò)程中機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀況，以及HMI 需實(shí)時(shí)正確顯示機(jī)床必要加工狀態(tài)信息。因此此通信系統(tǒng)應(yīng)能夠解決以下幾點(diǎn)主要需求：①數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能：數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)檢驗(yàn)與出錯(cuò)處理重發(fā)機(jī)制；②數(shù)據(jù)接收/發(fā)送數(shù)據(jù)處理功能：對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，精簡(jiǎn)傳輸信息，提高傳輸效率；③采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性存儲(chǔ)，用于繪制運(yùn)動(dòng)規(guī)劃曲線。

2.2 方案設(shè)計(jì)思路

整體軟件控制方案包含三部分：①SCIA 數(shù)據(jù)接收/發(fā)送中斷模塊；②接收/發(fā)送數(shù)據(jù)處理模塊；③采樣數(shù)據(jù)處理模塊。

軟件架構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 軟件架構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)接收：接收中斷收取到數(shù)據(jù)后，DSP 將接收到的數(shù)據(jù)從接收緩沖寄存器SCIRXBUF 中移出，經(jīng)由數(shù)據(jù)接收處理模塊處理后存放至專用數(shù)據(jù)輸入接口。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送：DSP 將HMI 所需數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)輸出接口內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)發(fā)送中斷將數(shù)據(jù)發(fā)送。

大蔥采收晾干，葉子萎蔫，然后將蔥捆成捆，放在敞棚空屋或室外陰處干燥，選溫度變化小的地方用黃墑土埋住蔥白貯放。這種方法既防凍保暖，又通風(fēng)良好，不易腐爛變質(zhì)，但貯量小，脫水嚴(yán)重，蔥白外層的蔥肉易干枯，皮層加厚，自然損耗量較大。

（3）采樣數(shù)據(jù)處理：為保證運(yùn)動(dòng)控制完整性，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)傳輸。因此需開辟專用內(nèi)存區(qū)塊，周期性將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，運(yùn)動(dòng)控制結(jié)束后將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送給HMI 用于曲線繪制。

2.3 實(shí)現(xiàn)方案

2.3.1 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

采用類似ModBus 通訊的ASCII 消息幀格式，單幀數(shù)據(jù)組成如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)幀

（1）序號(hào)：本次數(shù)據(jù)幀序號(hào)，若發(fā)送一幀通訊未得到應(yīng)答后，則會(huì)對(duì)相同數(shù)據(jù)幀進(jìn)行再次發(fā)送，對(duì)應(yīng)序號(hào)加1。

（2）功能代碼：表示數(shù)據(jù)用途，或代表具體指令，詳細(xì)設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 功能代碼

（3）數(shù)據(jù)大?。赫加? 個(gè)字節(jié)，值表示數(shù)據(jù)段字節(jié)數(shù)，因此單幀能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最多為65535 個(gè)字節(jié)。

（4）校驗(yàn)位：占用2 個(gè)字節(jié)，采用BCC 校驗(yàn)（即數(shù)據(jù)位按位異或），存放校驗(yàn)結(jié)果。

（5）結(jié)束位：占用兩個(gè)字節(jié)，使用回車+換行（ASCII 碼0x0D，0x0A）表示數(shù)據(jù)幀傳輸結(jié)束；

DSP 從SCIARXBUF 寄存器中讀取數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀頭檢測(cè)，檢測(cè)到幀頭后對(duì)數(shù)據(jù)幀序號(hào)、功能代碼、數(shù)據(jù)大小和數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。數(shù)據(jù)獲取完成會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，校驗(yàn)未通過(guò)，則丟棄該次讀取的數(shù)據(jù)，并且重新獲取，連續(xù)數(shù)據(jù)出錯(cuò)3 次后報(bào)警并向HMI 進(jìn)行反饋。程序流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收流程圖

2.3.2 采樣數(shù)據(jù)處理

在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，為防止發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)入中斷打斷主運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)程，開辟專用內(nèi)存區(qū)塊用于存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)束后將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給HMI。為保證采樣精度，在接收到HMI 的采樣請(qǐng)求報(bào)文“0x00A1”后，DSP 會(huì)啟動(dòng)采樣數(shù)據(jù)記錄函數(shù)每5ms往采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)記一次數(shù)據(jù)，采樣存儲(chǔ)區(qū)域設(shè)計(jì)為48KB。

采樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)為8 個(gè)Uint16 變量，即每記一次數(shù)據(jù)便會(huì)占用16 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間。每5ms 采樣一次，15s 后即會(huì)占滿48KB 的存儲(chǔ)空間，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大采樣時(shí)長(zhǎng)即為15s。

機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)束或到達(dá)采樣最大時(shí)長(zhǎng)15s 后，DSP會(huì)返回采樣結(jié)束標(biāo)志位，此時(shí)上位會(huì)下發(fā)請(qǐng)求采樣數(shù)據(jù)報(bào)文“0x00AB”。DSP 收到后使用采樣數(shù)據(jù)處理函數(shù)將存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)按位讀出并發(fā)送給上位。采樣流程如圖4 所示。

圖4 采樣流程圖

3 測(cè)試和驗(yàn)證

測(cè)試程序設(shè)置每1000ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，并將各參數(shù)打印出來(lái)。測(cè)試結(jié)果如圖5、6 所示。

圖5 第一次采樣數(shù)據(jù)

圖6 第二次采樣數(shù)據(jù)

對(duì)比可知，打印數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，且第二次成功接收到DSP 發(fā)送數(shù)據(jù)并打印距離第一次時(shí)差為1001ms，減去設(shè)置的1000ms 間隔，可知單次數(shù)據(jù)幀發(fā)送耗時(shí)為1ms。

連續(xù)運(yùn)行一天再次采樣，數(shù)據(jù)如圖7、8 所示。

圖7 第三次采樣數(shù)據(jù)

圖8 第四次采樣數(shù)據(jù)

對(duì)比可知，連續(xù)運(yùn)行一天后，數(shù)據(jù)打印仍準(zhǔn)確無(wú)誤，且數(shù)據(jù)幀發(fā)送耗時(shí)為1ms，系統(tǒng)穩(wěn)定性無(wú)問(wèn)題。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)有效地將DSP 的高速處理能力和RS485通訊協(xié)議的高性能、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，使DSP 能高效、準(zhǔn)確地將機(jī)床獲取到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)HMI，以便用戶進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控與指令下達(dá)。

經(jīng)驗(yàn)證，本方案對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域各應(yīng)用場(chǎng)合具有參考意義，并且通過(guò)移植和改進(jìn)調(diào)整，具有一定的實(shí)用價(jià)值。