数控系统模块间RS-422串行通信协议的设计方案

1、数控系统模块间RS-422串行通信协议的设计- 机电论文数控系统模块间RS-422 串行通信协议的设计数控系统模块间RS-422 串行通信协议的设计范鹏飞 1 崔锡奎 2 王祥宝 1 刘敬猛 2（ 1.阜阳轴承有限公司，安徽阜阳236000 ；2. 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，中国北京100191 ）【摘要】一个复杂的数控系统，模块众多，如何使得各模块间通讯实时且可靠是一个关键。 研究了数控系统各模块间的通信协议，设计了串行通信协议和软件框图，并给出了串行通信硬件设计的电路图。最后通过数控系统现场加工实验验证了该通信协议设计的有效性。关键词 ARM ；数控系统；通信协议 ;串行通

2、信； RS-422 总线；数控系统是制造业的基石，是制造设备的设备。国家在国家中长期科学和技术发展规划纲要）1 中明确提出，基本实现高档数控机床、工作母机与关键零部件的自主设计制造，并确定了高档数控的发展为优先主题。RS-422 是一个通用的物理通信接口规范， 规定了物理接口的电气特性，而不涉及协议。 在此基础上，用户可以建立自己的高层通信协议2 。该通信协议既满足数控系统的实时性要求又大大降低开发成本3 。本文结合阜阳轴承有限公司- 北京航空航天大学联合开发的两轴数控车床系统，设计了一种基于RS-422 总线标准的串行通信协议并讨论了基于此的硬件以及软件的设计，完成了相关的现场试验。1 数控

3、系统串行通信模块介绍随着现代数控技术的发展，数控系统的功能越来越多，系统的构成也越来越复杂，除了运算速度不断提高外，硬件的升级、 扩展和维护都要在系统设计时考虑。图 1 是数控系统的结构框图，主要包括4 部分：主板、系统键盘板、用户键盘板和接口板。接口板连接IO 和伺服电机。系统键盘用于G 代码编程，该矩阵式键盘通过并行总线与主板FPGA 连接。主板包括 ARM 和 FPGA 两块处理器。FPGA 是协处理器，负责时序、“方向+ 脉冲”信号、接口扩展。ARM是主处理器搭载 UCOS 操作系统实现 G 代码编辑、编译、界面、插补运算。该主板搭载三个异步串口， UART0 、UART1 和 UAR

4、T2 。UART0 接超级终端，打印系统信息。 UART1 和 UART2 扩展成 RS422 ，分别接操作键盘板和接口板通过串口进行通信。串行通信的波特率是115200bps ，8 为数据位， 1 位停止位，没有校验位。机床的主令开关、指示灯、继电器、电磁阀、用户键盘板的手动调整开关等通过 RS-422 传至 ARM 。这种通讯架构主要有以下三个优点：第一，用户键盘和接口板从主板上分离出来，用RS422 连接，便于安装，并且兼容了不同类型的数控系统。第二，用双RS422 而不用 RS485 ，最大限度提高带宽，简化应用层通信软件的设计。 第三，设计了一套完整的帧传送协议，保证了数据快速有效传

5、递。2 串行通信硬件设计图 2 是 RS-422 接口电路图 4 ，该系统的接口板和操作键盘板的信息采集是通过 RS-422 完成的。选择 RS-422 的理由如下：（ 1） RS-422 的通信速率和误码率完全能够达到信号传输的要求。 （ 2）RS-422 是工业标准的总线， 可靠性高，应用广泛，价格低廉。（3）ARM 端有 UART，FPGA 端可通过 IO 口扩展串口。（ 4） MAX3491 可将 LVTTL/CMOS 的信号转换为 RS-422 的差分信号。本系统用到 3 片 MAX3491 ，分别接在主板的 ARM 上，接口板的 FPGA 上，和用户键盘板的 FPGA 上。图 2

6、中的 MAX3491 右侧是 3.3V 的 LVTTL/CMOS 信号，接 ARMS3C2410 的 UART 管脚或者 FPGA 的 IO 口。 FPGA 选用 Cyclone 的EP1C6Q240 ，对于串口 115200bps的波特率，可用 FPGA 的通用 IO 口。由于RS-422 采用输入、输出通道独立，三态门缓冲器的控制引脚/RE 接高， DE 接低。 MAX3491左边的信号是差分信号。RS422_T+ 、RS422_T- 是差分信号输出的正和负， RS422_R+ 、RS422_R- 是差分信号输入的正和负。差分信号在进入电平转化芯片MAX3491之前进行滤波和限幅处理，消除

7、信号在传输过程中接收到的噪声。 L1 是滤波器，消除共模干扰。D1D4 、R11 、R12 将信号大致限幅在电源和地之间， 避免尖峰电压损坏接口芯片。C9 是压片电容， 25V/104 ，接在接口芯片的电源和地之间。3 串行通信协议的设计本协议解决上位机（ ARM ）和下位机（ FPGA）间的数据传输，约定了数据格式、通信的建立、故障的处理。3.1 帧结构串行通信分为异步串行和同步串行，RS-422是基于异步串行通信设计的。异步通信的双方没有时钟，通信始于发送方的逻辑1 到逻辑 0的下跳沿，一般是 1 位起始位， 58 位数据位， 1 位奇偶校验位， 1 位停止位。停止位是逻辑 1 ，停止后总

8、线保持逻辑1状态，直到下一次的起始位出现。这样，一次通信的信息量很小， 8 位数据最多只能表示256 种状态，无法在复杂的通信系统中直接使用。 于是，将要传送的数据按照一定的格式组成帧，由协议控制帧中的数据，一个字节接一个字节地发送和接收。(b) 字节 Data0 解析图 3(a) 是本文设计的通讯协议帧结构。对主站和从站，命令和数据的定义有所不同。帧长 12 个字节，编号 0 到 11 ，低编号字节先发、先收。帧头 0X55 ，帧尾 0XAA ，编号是 10 的字节是累加和 SUM ，SUM 是 CMD 、Data7Data0共 9 个字节的累加。 帧长为 12 个字节的设计使得主板到接口板

9、和操作键盘板所有的通信信息均可在一帧内完成，节省了通信时间，ARMS3C2410的 FIFO 模式中断支持一次12 字节的发送和接收。 该协议不需要 ID ，ARM 有两个 UART，点对点连接接口板和用户键盘板。图3(b) 是一个字节Data0的解析， D7D0每位控制一个输出端口，每位输出端口（OUT-7OUT0）对应机床的一个继电器或者电磁阀或者用户键盘板的一个指示灯。数控机床的输入输出以及用户键盘板上有很多这样的数字IO ，它们经过编码后被填入图3(a) 的 Data7Data0。3.2 通信的建立图 4 是通讯建立的状态机。帧的第1 字节是 CMD ，共 8 位，支持 256 个命令

10、。本数控系统用到的的常见命令：复位命令0X01 ，启动命令0X02 ，停止命令 0X03 ，正常数据 0X04 。前三个命令要有应答。通信的建立从硬件复位开始，由主站（ ARM ）发起，在周期任务里发送复位命令0X01给从站，从站的状态信息依赖这个复位命令进行初始化。从站完成复位以后， 发一个应答给主站， 表示复位已完成。然后，主站发送启动命令0X02 ，该命令发给从站，启动从站里的一些定时模块， 为接下来的数据采集做准备。从站启动完成后， 发送应答给主站，表示启动已完成。接下来主站发一个数据帧，表示接数准备完成，同时打开看门狗计时器（溢出时间是3 秒）。每当收到从站发来的数据时看门狗计时器清

11、零，当看门狗计时器溢出时状态机复位，表示通讯系统故障。此时，系统进入自修复自动通信状态。通信系统建立以后，主站通过看门狗监视从站的通信是否正常工作。主站收到来自从站的数据，根据自动循环或手动调整的加工要求决定是否返回应答数据。考虑到频繁的帧应答不仅需要大量的时间，而且还会造成死锁。 本协议规定，当通信建立以后，从站每20ms 定时向主站发送一帧数据，不管主站是否应答，当收到停止命令时，从站停止数据帧发送。4 串行通信协议的软件设计函数 RenewOSInitUart为 ARM9S3C2410的初始化代码，解决串口初始化、串口发送中断和接收中断初始化问题。其中 ARM 的串口 1 接接口板，串口

12、 2 接用户键盘板。具体的代码如下所示：图 5 是上位机 ARMS3C2410 串口接收中断流程图，使能了超时中断。在正常情况下，当下位机开始向上位机发送数据的时候， ARMS3C2410 连续收到 12个字节的数据后， 进入接收中断。若因为通信的原因没有接收到触发深度设定的12 个字节且三个字长的时间没有收到任何数据，进入超时中断。超时中断和接收中断共用同一个中断源。 在接收中断的最开始， 读取接收数据长度， 看是否等于触发深度12 ，若不是，说明是超时中断，清空串口缓冲区数据，丢弃数据，清零看门狗计时器， 中断返回。当接收数据等于触发深度，说明接收的是一帧完整的帧。把串口缓冲区数据逐个读出

13、，送到接收数组，同时，计算累加和。接下来判断帧头、帧尾和累加和是否正确，若正确，将接收到的数据填充到IO 的据结构里去，称 IO 处理。若不正确，丢弃数据，然后返回。5 系统实测结果图 6（a）数控系统控制箱，包括系统键盘、用户键盘、手轮、主轴波段开关和用于界面显示的液晶屏。图 6（ b）是数控系统的主板。图 6（c）是自动加工时的操作和显示界面。图 6 （d ）是加工的工件。6 结论本文设计了一种RS-422 的通信协议，用于解决数控系统模块间信号通信。利用 ARMS3C2410异步串行通信接口的资源， 结合模块间数据通信的需求， 将中断和 FIFO 帧（ 12 字节）用于数据通信。实现了下位机每隔20ms 向上位机传送一次数据的功能。看门狗、超时中断、出错重发机制、帧头帧尾和累加和校验保证了数据通信的可靠性和稳定性。该协议应用在两轴车床上， 完成了轴承外环沟道的小批量试产。 其加工样品完全满足工艺和误差的要求，达到了预期的设计要求，验证了本协议的有效性和实用性。参考文献 1中华人民共和