【文章內(nèi)容簡介】 運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)由德國率先發(fā)起，并于 1995年獲得通過正式成為 IEC61491國際標(biāo)準(zhǔn)。 SERCOS主南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 要應(yīng)用在分散式多軸運(yùn)動(dòng)控制上，并明確定義了伺服電機(jī)位置、速度及轉(zhuǎn)矩等控制命令的通信協(xié)議，提供使用者一個(gè)實(shí)時(shí)、抗干擾力強(qiáng)、高解析度、可完全以軟件方式規(guī)劃的串行傳輸網(wǎng)路。在使用塑料光纖為傳輸介質(zhì)時(shí)，每節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離為 40m； 若使用玻璃光纖， 傳輸距離可長達(dá) 200m，整個(gè)環(huán)狀網(wǎng)路的長度可達(dá)（ 15） m。每個(gè)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)理論上最多可連接 256個(gè)輔節(jié)點(diǎn)，而實(shí)際可連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于傳輸周期、數(shù)據(jù)長度及傳輸速率。 SERCOS是目前國際上惟一成為 IEC國際標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制專用網(wǎng)絡(luò)，特點(diǎn)如下： ① SERCOS是全數(shù)字化網(wǎng)路； ② SERCOS是開放式架構(gòu)； ③ SERCOS具有良好的擴(kuò)充性；④ SERCOS具有即插即用（ Plugamp。Piay）的特性； ⑤ SERCOS 具有跨廠商相容的特性。 目前市場(chǎng)上使用的產(chǎn)品規(guī)格為 SERCOSⅡ ，最近已推出 SERCOSⅢ 的 demo 版，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)采用雙環(huán)形（ double ring）方式。當(dāng)有 任何斷點(diǎn)發(fā)生時(shí)，通信仍然能正常運(yùn)作。 SERCOSⅢ 同時(shí)整合了 IP通信協(xié)議，可通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地傳送數(shù)據(jù)。通過以太網(wǎng)， SERCOSⅢ 可支持 SlavetoSlave通信，允許 Slave端直接從另一個(gè) Slave端讀取資料，而不必通過 Master端轉(zhuǎn)接。 3） IEEE 1394 IEEE 1394接口標(biāo)準(zhǔn)始于 1986年，是由 IEEE 1394專業(yè)委員會(huì)主持制訂的。從 1988年開始，蘋果（ Apple）公司的 Michael Teener著手研究 IEEE 1394的基本技術(shù)， 1992年該公司的提案被采納為 IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 1994 年 9月正式成立 IEEE 1394 Trade Association，以普及 IEEE 1394為標(biāo)準(zhǔn)的家庭網(wǎng)絡(luò)規(guī)格，并推出用于保證高質(zhì)量和兼容性的規(guī)范。 IEEE 1394具有高速通信及同步傳輸能力，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的新思維 軟件運(yùn)動(dòng)（ Softmotion）。這樣便將原本屬于運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)的工作，如運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃及伺服控制，分散到 PC及各個(gè)軸的智能型驅(qū)動(dòng)器上。當(dāng)然，這有賴于驅(qū)動(dòng)器之間的高速通訊能力。軟件運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)，將使運(yùn)動(dòng)控制卡扮演的角色逐漸減弱。作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)?開放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， IEEE 1394被應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。當(dāng)然，目前該技術(shù)使用最廣的還是數(shù)字成像領(lǐng)域，支持的產(chǎn)品包括數(shù)字相機(jī)或攝像機(jī)等。 IEEE 1394具有以下特點(diǎn)： ①廉價(jià)； ② 占用空間?。?③ 速度快； ④ 開放式標(biāo)準(zhǔn)； ⑤ 支持熱插拔； ⑥ 可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)傳輸速率； ⑦ 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣； ⑧ 完全數(shù)字兼容； ⑨ 可建立對(duì)等網(wǎng)絡(luò)； ⑩支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。 目前，致力于推廣 IEEE 1394網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的主要是歐洲的 1394 Automation和1394 Trade Association兩個(gè)組織，這兩個(gè)組織已經(jīng)合并。此次合并 的目的是“形成一個(gè)世界范圍的組織，從而更好地推廣這個(gè)惟一能將運(yùn)動(dòng)控制、視覺和 I/O系統(tǒng) 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 的信號(hào)通過一條線纜進(jìn)行傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)”。合并后， 1394 Automation將作為 1394 Trade Association內(nèi)部的一個(gè)技術(shù)工作組繼續(xù)開發(fā)和推廣 IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)。 1394 Automation的原有成員將成為 1394 Trade Association的當(dāng)然會(huì)員。 1394 TradeAssociation在下一階段的工作重點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)控制，相信通過雙方資源的整 合和共同努力， IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)將很快在 運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域取得巨大進(jìn)展。 4） Synq Synq是 Motion Engineering Inc.（ MEI）公司設(shè)計(jì)的一個(gè)架構(gòu)在 100BaseT物理層的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)路，它采用一種實(shí)時(shí)、同步數(shù)字網(wǎng)絡(luò)專利技術(shù)，代替（運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)裝置之間的）標(biāo)準(zhǔn)177。 10v模擬量接口，從而可在各種復(fù)雜應(yīng)用中顯示出非凡的運(yùn)動(dòng)性能。該技術(shù)特別適合半導(dǎo)體、電子組合裝置、工業(yè)機(jī)器人、 FPD、包裝以及醫(yī)療等 OEM設(shè)備市場(chǎng)中的高性能運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。 Synq是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， 所使用的 100BasedT物理層與 一般商用以太網(wǎng)相同，是完全根據(jù) IEEE ，它可以同步連接 32個(gè)軸。其傳輸方式也由以太網(wǎng)的半雙工改為全雙工，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟灿蓪?duì)等網(wǎng)絡(luò)改為環(huán)形?，F(xiàn)行以太網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)適用于數(shù)據(jù)量大、傳輸頻率低、甚至是遠(yuǎn)距離的傳輸模式，這一點(diǎn)與實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)量不大、傳輸頻率高、短距離傳輸有所不同。即一個(gè)符合 IEEE Ether數(shù)據(jù)幀， 由 28個(gè)控制位和至少 46個(gè)數(shù)據(jù)位組成。就一般工業(yè)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用而言，這種協(xié)議是特大型協(xié)議。通常，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需要量是很小的（小于 46位）。為了 降低周期時(shí)間和等待時(shí)間， Synq已經(jīng)在第 2層（數(shù)據(jù)鏈路層）對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了優(yōu)化。一個(gè)數(shù)據(jù)幀由至少 24位組成，而不是至少 74位。這是 Synq勝過以太網(wǎng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，可提供更快速、更具預(yù)測(cè)性的性能。 Synq網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)消除了 CSMA/CD機(jī)制固有的不確定性問題。它采用一種同步方法，以一種規(guī)則的預(yù)定時(shí)間方式，將數(shù)據(jù)傳送到每一臺(tái)設(shè)備中。使用獨(dú)立的接收與發(fā)送導(dǎo)線對(duì)（全雙工），可避免數(shù)據(jù)沖突，并可達(dá)到 2 100 Mbit的確定性數(shù)據(jù)傳輸速率。其結(jié)果是周期時(shí)間最短為 25μ s（ 4根軸）。此外， Synq具有一種周期時(shí)間最短可達(dá) 10μ s的可組態(tài)包結(jié)構(gòu)。 Synq采用一種以雙冗余數(shù)據(jù)通道為特色的獨(dú)特容錯(cuò)設(shè)計(jì)，從而可實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行的高可靠性。通過一根次級(jí)數(shù)據(jù)電纜，以新路線發(fā)送數(shù)據(jù)，可自動(dòng)對(duì)一次數(shù)據(jù)電纜中的間歇斷路或短路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、隔離和維修。這一特性對(duì)于提高任何運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的安全性和可靠性來說都是十分關(guān)鍵的，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器可用性的最大化，并降低昂貴的崩潰風(fēng)險(xiǎn)。 Synq運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)還具有以下特點(diǎn)： ① 適合控制復(fù)雜機(jī)器的中央控制體系結(jié)構(gòu)； ② 更新至 amp。J STU 的高轉(zhuǎn)矩帶寬，最多可支持 $K 根協(xié)同軸； ③ 針對(duì)噪 聲抗擾度和電纜短路的電氣隔離； ④ 適合機(jī)器可用南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 性最大化的雙數(shù)據(jù)通道容錯(cuò)操作； ⑤ 真正的即插即用型多賣方互操作性； ⑥ 電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的遠(yuǎn)程故障診斷； ⑦ 遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)組態(tài)及設(shè)置； ⑧ 驅(qū)動(dòng)固件功能的遠(yuǎn)程更新； ⑨自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和完整性檢驗(yàn)； ⑩ 每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間電纜布線長度超過 100m。 5） Profi Profi是 Profibus國際組織推出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)化解決方案。該技術(shù)為當(dāng)前用戶提供了一套完整、高性能、可伸縮的升級(jí)至工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的解決方案。它能為 Profibus及其他現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供以太網(wǎng)移植服務(wù)。在 Profi標(biāo)準(zhǔn)中， 根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合， Profi支持以下三種通信方式： ① 使用 TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)通信 Profi使用以太網(wǎng)和 TCP/IP協(xié)議作為通信基礎(chǔ)。 TCP/IP是 IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。但 TCP/IP只提供了基礎(chǔ)，用于以太網(wǎng)設(shè)備通過傳輸通道在本地和分布式網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在較高層上則需要其他的規(guī)范和協(xié)議（亦稱為應(yīng)用層協(xié)議），而不是 TCP或 UDP。典型的應(yīng)用層協(xié)議有： SNMP，DHCP和 HTTP。 ② 實(shí)時(shí)（ RT）通信絕大多數(shù)的工廠自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求最少在 510 ms。為了滿足自動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)要求，在 Profi中規(guī)定了優(yōu)化的實(shí)時(shí)通信（ RT）通道，它基于以太網(wǎng)的 Layer2（數(shù)據(jù)鏈路層）。這一解決方案極大地減少了通信棧上占用的時(shí)間，從而提高了自動(dòng)化數(shù)據(jù)的刷新率等性能。 ③ 同步實(shí)時(shí)（ RT）通信 Profi被設(shè)計(jì)成可用于高性能的同步運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。然而，對(duì)上述響應(yīng)時(shí)間在 510 ms的實(shí)時(shí)通信不足以滿足伺服運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合的需求。伺服運(yùn)動(dòng)控制是指在 100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，響應(yīng)時(shí)間低于 1 ms，同步傳送和抖動(dòng)小于 1 μ s的情況。 Profi的同步實(shí)時(shí) IRT功能是在 Layer2上由內(nèi)嵌的同步實(shí)時(shí)交換 ASIC芯片提供的。 Prifi在同步實(shí)時(shí)（ IRT）通信方式下應(yīng)用在同步運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。 IRT的通信特點(diǎn)是，在一個(gè)周期內(nèi)通過分隔時(shí)間域來傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。循環(huán)實(shí)時(shí)報(bào)文通過確定性通道（ IRT channel）來傳遞； 而 TCP/IP報(bào)文則通過標(biāo)準(zhǔn)通道（ OPEN channel）來傳遞。就如同在高速公路上，預(yù)留左車道用于實(shí)時(shí)通信傳遞，并且禁止其它使用者（ TCP/IP 通信）切換到這個(gè)車道。這樣一來即使右車道發(fā)生通信堵塞，也不會(huì)影響到左車道的實(shí)時(shí)通信傳遞。 Profi采 用“以太網(wǎng) +TCP/IP”作為低層的通信模型， 采用 !TCP/IP協(xié)議上應(yīng)用層的 ,RPC/DCOM來完成節(jié)點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。現(xiàn)有的 Profibus網(wǎng)段可以通過一個(gè)代理設(shè)備連接到 Profi網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套 Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動(dòng)地在 Profi中使用。 本文的結(jié)構(gòu) 本文以專用高速運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)工程項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對(duì)輪廓插補(bǔ)技術(shù)進(jìn)南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 行了研究。全文共分為七章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章扼要地介紹了運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò) 的概念、特點(diǎn)與相關(guān)研究背景； 第二章研究了運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)； 第三章重點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究； 第四章進(jìn)行了直線插補(bǔ)算法； 第五章進(jìn)行了圓弧插補(bǔ)算法 ； 第六 章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第二章 網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu) 需求分析 1） 多軸運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多 , 一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見的事情。在軸數(shù)變多后 , 如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。 2）體積要小。由于廠房空間的限制 , 機(jī)器的體積要求越小越好 , 機(jī)器內(nèi)控 制器的體積也就被要求愈來愈小 , 相對(duì)的走線空間也愈來愈小。 3）要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到 100nm 一下 , 在制程及檢測(cè)相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確 , 其它如 LCD 設(shè)備 , SMD 制程設(shè)備也有相同要求。 4）要更穩(wěn)定。因?yàn)樗性O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大 , 系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出 , 因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)也必須考慮在組件損壞要維修時(shí) , 必須能快速替換且不出差錯(cuò)。 綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到 , 既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制 , 又 要控制器的體積更小 , 配線和維修要更容易 , 這些條件看來是相沖突的。可以這樣說 , 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機(jī)器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。 基于VHDL 插補(bǔ) 芯片 實(shí)現(xiàn)各象限的 直線和圓弧 插補(bǔ)， 能夠區(qū)分四象限直線的坐標(biāo)并做不同的算法處理，對(duì)外輸出 X 軸和 Y 軸的脈沖，結(jié)合時(shí)序，配合 CLK 進(jìn)行插補(bǔ) 。 插補(bǔ)芯片不僅能區(qū)別四象限的直線還能處理四象限的圓弧插補(bǔ)問題，在處理圓弧問題是要區(qū)分逆圓弧插補(bǔ)和順圓弧插補(bǔ)的問題。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)整體包括：電源模塊， USB 模塊， TFT 液晶模塊，鍵盤模塊， SDRAM 模塊和FLASH 模塊等，如 圖 所示。 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 主控 CPU 是整個(gè)系統(tǒng)的核心，軟件的運(yùn)行平臺(tái)都要靠它搭建，許多復(fù)雜的控制算法都靠它實(shí)現(xiàn)，這次的控制對(duì)象是工業(yè)級(jí)的，所以要選擇一款高性能的微處理器才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 主（ HOST)、從（ SLAVE）節(jié)點(diǎn)模塊是高速網(wǎng)絡(luò)最重要的組成部分，它們起著構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的重要作用，所有的通訊協(xié)議邏輯，以及數(shù)據(jù)的交換都要在這里進(jìn)行，主從節(jié)點(diǎn)的性能直接決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。 人機(jī)交互模塊是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)窗口，它將系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的插補(bǔ)軌跡，當(dāng)前執(zhí)行的程序段顯示在液晶界面內(nèi)，清晰的 反應(yīng)出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作情況，以便監(jiān)督控制。 根據(jù)上述的簡化 Synq 運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目研究中的運(yùn)動(dòng)控制芯片有兩種：主控（ host）芯片與運(yùn)動(dòng)控制（ slave）芯片。主控芯片接收 CPU 送來的并行數(shù)據(jù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的要求將其轉(zhuǎn)換為四位數(shù)據(jù)，同時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)傳送時(shí)鐘 TXC，在 TXC的升沿將數(shù)據(jù)發(fā)送到簡化 Synq 網(wǎng)絡(luò)上，供運(yùn)動(dòng)控制芯片接收。 運(yùn)動(dòng)控制芯片芯片接收來自主控芯片的四位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為 16 位數(shù)據(jù)后進(jìn)行 16為循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)出錯(cuò)，則通過自帶的發(fā)送功能向主控芯片發(fā)出重發(fā)請(qǐng)求。反之，根