基于SERCOS总线的模拟驱动接口模块设计

马春峰

（威海职业学院 机电工程系，威海 264210）

0 引言

随着工业自动化制造装备数字化和网络化的发展，现场总线技术以其高度的开放互联性、简化的分布控制性和可靠的环境兼容性等技术优点，得到了装备制造商的广泛接受。目前很多旧数控机床经常因为数控系统老化故障或者与新的控制系统的总线接口不兼容导致性能下降、生产效率降低。因此必须对机床进行数字化改造。然而机床的模拟伺服驱动装置、伺服电机和主轴电机以及机床的机械结构均性能良好。为了充分利用现有的设备资源，节约改造的成本，就必须设计一个现场总线信号与传统模拟信号的转换接口模块。

本设计结合旧数控铣床的实际改造项目，开发了一种基于SERCOS总线的模拟驱动接口模块，该模块可以接收力士乐数控系统IndraMotion MTX发出的SERCOS总线数字指令信号，并转换成±10V的标准模拟量控制信号, 用来控制西门子611A模拟伺服驱动器，该模块对SERCOS现场总线在工业现场的推广应用具有重要意义。

1 SERCOS总线简介

SERCOS(Serial Real-time Communication Specification)总线常用于工业控制系统中连接上位控制单元和伺服驱动单元进行实时数据通信，该总线协议详细的定义了物理层的拓扑结构、收发线路和NRZI编码格式以及数据链路层的数据帧结构等内容, 使用户能方便的操作控制系统、伺服驱动器和可编程控制器等自动化机械装备。因此在数控机床和各种数控机械设备中获得了广泛的应用。SERCOS总线的传输介质采用双向光纤，通讯速率高，实时性强，因而特别适合于多轴同步运动控制。和其他总线相比，SERCOS总线具有以下优势：

1）数据传输性能高，其有效数据的传输效率可与100M以太网相媲美；

2）采用光纤连接，消除了电磁干扰，传输距离远；

3）具有很高的同步精度；

4）可自行诊断故障信息，方便用户安装和维修。

2 硬件设计

2.1 硬件系统总体设计

本文设计的模拟驱动接口模块采用SERCON816芯片作为SERCOS总线接口控制器，实现SERCOS总线接口的物理层和数据链路层等底层通信协议。采用TLV5614芯片作为数模转换器，实现数控系统控制指令到机床各轴伺服驱动装置模拟量控制信号的转换。采用TMS320F28335芯片作为微处理器，对S E R C O N 8 1 6芯片和TLV5614芯片进行数据读写和控制。硬件系统总体框图如图1所示。

图1 硬件系统总体框图

2.2 SERCOS总线接口电路设计

S E R C O N 8 1 6总线接口控制器是继SERCON410B之后的新一代SERCOS接口控制芯片，由于采用了新的制造工艺，其实时通信速率大幅提高至16Mbps。本文采用16位数据总线接口与TMS320F28335连接，地址总线采用12位，可寻址芯片内部2K×16位的双口RAM。同时将六路TXD信号并联，以提供最大的输出功率适应各种材质、长度的光纤。

TMS320F28335接收来自SERCON816的中断信号，并通过地址总线、译码控制电路和数据总线对其进行控制。由于SERC0N816电源电压为5V而TMS320F28335的总线电压为3.3V供电，所以采用74LVC164245和74LV245芯片实现总线隔离、驱动和电平转换。本文将双口RAM映射到TMS320F28335存储空间的0x82000～0x82fff地址，将128字的控制寄存器映射到TMS320F28335存储空间的0x83000～0x8307F地址。

图2 SERCON816总线接口电路

2.3 D/A电路设计

由于原来的数控铣床需要控制X、Y、Z三个进给轴和一个主轴，因此选用4通道的TLV5614芯片作为数模转换器。该芯片转换时间为3µs～9µs，分辨率可达12位，可通过标准的四线SPI串行接口与TMS320F28335通讯。芯片采用数字电源和模拟电源两组相互独立的电源供电，输出为轨到轨输出的电压信号，其输出电压幅值由公式（1）给出：

其中，VREF是参考基准电压,C O D E是在0～4095范围内的12位DAC输入值。

本文采用参考基准电压2.5V、电源5V，由公式1可得DAC的输出电压为0～5V。由于模拟伺服驱动装置的控制电压为-10V～+10V，因此还要通过调理电路对输出电压进行偏置放大以达到输出双极性信号的要求。最终共输出4路模拟信号用于驱动X、Y、Z三个进给轴和一个主轴。

图3 数模转换电路

3 软件设计

3.1 总体框图

本文设计的模拟驱动接口模块软件部分主要包括：TMS320F28335初始化模块、SERCOS初始化模块、非周期性数据传输模块、周期性数据传输模块、DAC处理模块等。TMS320F28335初始化模块主要完成TMS320F28335芯片的系统配置以及外设、中断向量等的初始化设置；SERCOS初始化模块主要完成SERCON816芯片的内存初始设置和通讯初始化；非周期性数据传输模块主要是响应来自数控系统的数据读/写请求,打开服务通道，完成控制参数和过程命令的非周期性传输；周期性数据传输模块在定时中断中完成，用于读取周期指令值和写入周期反馈值；DAC处理模块主要通过TMS320F28335与TLV5614的SPI通讯，完成周期指令值的输出。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

3.2 SERCOS初始化模块

图5 SERCON816初始化程序流程图

要建立数控系统和模拟驱动接口模块之间的通讯链路，必须正确初始化SERCON816芯片。主要包括控制寄存器初始化、双口RAM初始化和通讯初始化。本接口模块中主要系统参数配置为：使用服务通道1、工作时钟频率（16MHz）, 数据传输率（2Mbps）， 阶段0～阶段2的通讯周期（1000μ s）, 阶段3～阶段4的通讯周期（8000μ s）。在阶段0～阶段2, 输出信号CON_CLK在每个通讯周期开始后(MST 之后)的200μ s～490μ s时间段内变为高电平；在阶段3～阶段4,输出信号CON_CLK在每个通讯周期开始后（MST之后）的1000μ s～2500μ s时间段内变为高电平。SERCON816初始化程序的流程如图5所示。

3.3 DAC处理模块

TLV5614的通过编程16位的寄存器对芯片进行控制，其中第15位和第14位用于选择DAC的4个通道，第13位为转换模式位，第12位为状态位，第11位到第0位为12位的DAC输入值。对于每一次完整的DA数据传输，首先将片选信号CS从高电平变为低电平，然后将帧同步信号FS从高电平变为低电平开始传输数据，接着串行时钟信号SCLK每产生一个下降沿就从数据输入信号DIN传输一位数据直至连续传输完16位数据，最后将帧同步信号FS变为高电平，芯片将16位数据锁存后进行DA转换并输出。其控制时序如图6所示。

图6 TLV5614控制时序图

4 结束语

应用本设计的模拟驱动接口模块和IndraMotion MTX数控系统对旧数控铣床改造后，机床的各项性能指标均有大幅提升，数字化功能更加完善，可以方便地与工厂的网络管理系统进行互联，实现了高质高效的生产加工。同时本文为模拟伺服驱动的老旧设备改造提供了一种新思路。如印刷纺织等行业中的无轴传动和多轴同步控制设备，只需更换新的运动控制系统和模拟接口模块即可直接驱动原来的模拟伺服驱动器和设备机械，因此具有非常高的应用推广价值。

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