0 引言

　　現(xiàn)場總線以其高速、實時、穩(wěn)定、費用低廉等優(yōu)點得到越來越廣泛的應用，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡中使用最廣泛的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線技術(shù)的迅速發(fā)展，引起了數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，數(shù)控系統(tǒng)已從簡單的運動軌跡控制器轉(zhuǎn)變成貫穿數(shù)字化制造全過程的系統(tǒng)級平臺，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)已進入成熟階段。同時，隨著全數(shù)字伺服技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字接口替代了傳統(tǒng)模擬接口。開發(fā)基于現(xiàn)場總線技術(shù)及全數(shù)字伺服技術(shù)的全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)是目前國際高檔數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而。國際上存在多種現(xiàn)場總線協(xié)議標準。國際電工委員會(IEC)于2007年公布的IEC61158第4版包含了20種現(xiàn)場總線協(xié)議標準，其中l(wèi)O種是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標準。未列入國際標準的現(xiàn)場總線協(xié)議更多。這些現(xiàn)場總線協(xié)議以及采用這些協(xié)議生產(chǎn)的產(chǎn)品互不兼容，因而用戶的選擇及產(chǎn)品的更新都受到了限制。

　　為實現(xiàn)全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)能夠兼容多種現(xiàn)場總線，達到屏蔽現(xiàn)場總線差異的目的，本文在參考現(xiàn)場總線協(xié)議模型的基礎上，建立了數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型，設計了一個統(tǒng)一的應用層架構(gòu)，分析了多種現(xiàn)場總線集成環(huán)境下能夠兼容各種總線的技術(shù)需求，并對關鍵性技術(shù)提出了解決方案。文中詳細介紹了數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型、統(tǒng)一的應用層架構(gòu)和關鍵性技術(shù)及其解決方案。

1 數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型

　　現(xiàn)場總線的協(xié)議模型如圖1所示。一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層。它是在ISO／OSI開放系統(tǒng)互連7層參考模型的基礎上進行了簡化，省去了第3~6層，使得數(shù)據(jù)的傳輸效率更高。

圖1現(xiàn)場總線協(xié)議模型

　　本數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型采用協(xié)議棧思想，在現(xiàn)有底層的基礎上，對各總線協(xié)議進行了面向應用的擴展。協(xié)議棧內(nèi)存放著各種總線，通過向上層提供統(tǒng)一的服務接口，屏蔽各種總線的差異。系統(tǒng)設計完全在主站上依靠軟件來實現(xiàn)，從站不需做任何改變。同時參考現(xiàn)場總線協(xié)議模型。以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎，并對其加以改造，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層組成。如圖2所示。

圖2數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型

　　物理層：定義接口和通信媒體的機械和電氣規(guī)范。本模型中保持各總線的物理層不變。數(shù)據(jù)鏈路層：為應用層提供周期、實時、無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。本模型中保持各總線的鏈路層不變。數(shù)據(jù)鏈路層中并列存放著各種總線的鏈路層，如MECHATROLINK III(M3)鏈路層、EtherCAT鏈路層、NCSF鏈路層等。

　　應用層：為屏蔽各總線的差異。向用戶提供統(tǒng)一的服務接口。模型中將應用層劃分為應用接口子層和協(xié)議接口子層。應用接口子層維護站點之間的安全?？煽康膫鬏斖?，并向用戶程序提供統(tǒng)一的傳

　　輸服務、設備服務、總線管理服務。協(xié)議接口子層屏蔽各總線差異，通過服務協(xié)議映射機制將應用接口子層的服務及協(xié)議映射成具體總線的服務及協(xié)議，并根據(jù)不同的總線類型選擇對應的鏈路，實現(xiàn)用戶程序與數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)交互。

2 應用層通用化設計

　　2.1 統(tǒng)一應用層架構(gòu)的設計

　　在數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型的基礎上設計了一個統(tǒng)一的應用層架構(gòu)，如圖3所示。

圖3統(tǒng)一應用層架構(gòu)

　　(1)應用接口子層：為數(shù)控系統(tǒng)應用程序提供統(tǒng)一的服務，包括傳輸服務、設備服務、總線管理服務等。傳輸服務包括連接服務、同步傳輸服務、異步傳輸服務和傳輸管理服務。傳輸管理服務對應用層的傳輸狀態(tài)進行管理，包括初始化、同步異步轉(zhuǎn)換、狀態(tài)查詢及安全等服務。根據(jù)設備裝置的不同，設備服務包括伺服驅(qū)動服務、主軸服務、I／O服務、傳感器服務等?？偩€管理服務包括總線配置服務、總線查詢服務等。這些服務通過服務解釋器及服務映射管理機制映射到具體總線的應用層服務。該層還為各總線提供了統(tǒng)一的單位系、統(tǒng)一的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一的總線配置結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的狀態(tài)機、統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)類型及對象字典。