基于GSK-Link的远程IO单元设计
2015-02-19广州数控设备有限公司广东510530于亚芹
■广州数控设备有限公司 （广东 510530） 于亚芹
基于GSK-Link的远程IO单元设计
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摘要：现场总线控制系统FCS是目前控制领域最新、最先进的控制系统。现场总线国际标准2000年颁布后，有力的促进了现场总线这种新的控制系统在国际上的研究和应用。本文介绍了基于广州数控自主研发的GSK-Link工业总线的远程IO单元的设计，对其硬件设计和通讯应用做了详细说明，并对基于FCS的工业控制网的通信及体系的未来发展情况给出了展望。
1. 工业以太网总线技术
20世纪80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址远程传感器(HART)通信协议。采用在4 ～20m模拟量上叠加一种频率信号的调制/解调方式传输信号，属于模拟系统向字系统转变过程中的过渡产品，并且采用双绞线实现信号传输。HART协议是真正工业现总线的雏形。随后出现了Modbus、AnyBus、CAN、Profibus、Fieldbus、WorldFIP、P-NET、Works、INTERBUS、DNET、CNET、LIGHTBUS、MODBU及CC-Link等等工业现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的信网络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式全数字通讯。现场总线是将自动化最底层现场控制器和现场智能仪表设备互连实现实时控制通讯的络，遵循ISO/OSI国际标准化组织/开放系统互连参考模型(International Stananization/Open System Interconnect Reference Model)的全部或部分通讯协议。
广州数控自主研发的GSK-Link工业以太网协议主要分为物理层，数据链路层和应用层3个层次，物理层与传统以太网通用，速度为100Mbps，数据链路层根据机床行业的需要，主要负责完成向伺服从站和IO单元发送运行指令，接收各个从站的运行参数，并完成校验和出错重发。GSK-Link工业以太网可支持最多64个站点。GSK-Link所有从站之间的同步精度可达到20ns。
2. GSK-Link IO单元的原理设计
（1）数字量输入输出设计。IO单元是具有串行接口的IO模块，通过GSK-Link接口与上位机通讯，可以为用户提供多达200个通用的输入和输出接口。IO单元包括主板和IO板两个部分，主板负责处理通讯，而输入输出信号的串行移位电路则放在IO板上，图1是IO单元的整机原理框图。主板采用1 片FPGA和1片M3内核的ARM，FPGA负责运行GSK -Link的数据链路层协议和输入输出数据的处理，ARM则负责应用层协议。
串行输入移位芯片SN65HVS881的功能框图如图2所示。当LD为低时，8个输入数据和3位校验数据进入到移位寄存器，当L D为高时，数据按照节拍，每个CLK向右移动1位，直到全部数据都从SN65HVS881的SOP口移出到FPGA端口。SN65HVS881的优点是同时提供了输入电流和电压的检测，当输入电流大于4mA，电压大于10V，才认为输入有效，有效防止了干扰。
图1 IO单元的整机原理框图
下面的这段语句是与SN65HVS881接口的VERILOG实现，IN-WIDTH是输入点的个数。当LD为1时，输入数据按照时钟节拍移位给FPGA并保存到din_shift_reg，当计数器计满时，输入移位寄存器dout_shift_reg已经全部为新的输入数据，新的数据会保存到din _reg供上位机查询。
always @(posedge clk or posedge reset)begin
if(reset)begin
din_shift_reg <= 0;
end else if(LD) begin
din_shift_reg <= {din_shift_reg[IN_WIDTH-2 : 0], SIP};
end else if(shift_cnt ==IN_WIDTH)begin
din _reg <= din_shift_reg;
end
end
输出模块的基本原理和输入模块相似，但过程正好相反。输出移位芯片TPIC6A595的时序图如图3所示。当RCK为低时，待输出的数据从SERIN依次移入TPIC6A595，每个SRCK上升沿数据移动1位，直到全部数据都从FPGA移入TPIC6A595，这时将RCK拉高，8个输出数据被同时被送到TPIC6A595的8个输出口，完成一轮输出。串行输出芯片TPIC6A595的优点是带有短路保护，当输出电流大于300mA时，输出会立即断开，极大的保证了电路的可靠性。根据客户不同的需求，IO单元可以通过扩展IO板的方式增加输入输出点数。
图2 SN65HVS881的功能框图
图3 TPIC6A595时序图
下面的这段语句是与TPIC6A595接口的verilog实现，OUT_WIDTH是输出点的个数。当计数器shift_cnt计数值为0时，输出移位寄存器dout_shift_reg装载新的输出数据，之后开始移位，当计数器计满时，输出RCK为高，完成一轮输出操作。
always @(posedge srck or posedge reset)begin
if(reset)begin
dout_shift_reg <= 0;
end else if( RCK && shift_cnt == 0) begin
dout_shift_reg<= dout_reg;
end else if(～RCK)begin
dout_shift_reg <= {dout_shift_reg[OUT_ WIDTH-2 : 0], 1’b0};
end
end
（2）模拟量输出电路设计。本IO单元配有4路0～10V的模拟量输出接口。采用2片AD公司的AD5722，使用菊花链方式连接。AD5722是双通道12位的DAC，可以软件编程输出5V，10V，10.8V等多种电压，内置1%精度的基准源，采用SPI接口。
3. IO单元的抗干扰设计
IO单元由于监控着机床上的很多动作部件，抗干扰设计尤为重要。基于GSK-Link的远程IO单元在百兆以太网的接口设计上加入了充分的抗干扰措施。除了使用TI公司的高速TVS器件，在布板布线上也完全考虑了长距离线缆可能带来的高共模干扰，比如在变压器下面预留足够的空间隔离干扰。经测试可达到静电和脉冲群抗扰度国家4级标准。
4. IO单元组网的通讯实现
GSK-Link的传输媒介采用超5类双绞线，物理层使用通用的百兆以太网的物理层芯片，比如KSZ8721等，MAC层则通过FPGA实现，负责将不同类型的数据包按照既定格式进行发送，并将接收
的数据包按照协议定义解析和保存。
GSK-Link的数据包大致分为周期数据和非周期数据两大类。周期数据由主站的A口发出，B口返回，主要包含有每个周期电机的运行距离，输入输出数字量和模拟量；而非周期数据由主站的B口发出，A口返回，主要包含伺服的运行参数等。
IO单元的数据为周期数据，CNC主站每个通讯周期都会对输出进行刷新，并询问新的输入数据。本文介绍的IO单元作为从站可以串接在GSK-Link环路中任意位置，节点间的网线长度最大100m。
对于主频80MHz的ARM来说，GSKLink通讯周期可以达到1ms甚至更小，GSK -Link采用双环的拓扑结构，总线拓扑如图4所示。
图中的CNC系统主站是指机床的数控系统，伺服单元用来驱动电机，IO模块就是本文介绍的IO单元。GSK-Link工业以太网可支持最多64个站点。GSK-Link所有从站之间的同步精度可达到20ns。完全可以满足机床行业的应用。
图4 GSK-Link总线拓扑
5. 结语
基于GSK-Link的远程IO单元使用起来方便灵活，扩展性强，目前已经量产，广泛应用于机床，自动化生产线等领域。
随着工业以太网的迅速发展，将来还会将网线升级为无线，比如通过工业wifi和蓝牙的方式组网通讯，以实现更快的通讯速度和更灵活的组网方式。
收稿日期：（20150212）
