基于FPGA的PCI－GLINK總線協議芯片實現

張贊秋 吳 超 江世琳 高 巖 李 俊

（大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600）

GLINK協議是光洋公司根據數控實際生產需要自主開發的一套串行實時高速的數據通信協議標準。由于該標準中所有的數據結構和鏈路標準都系光洋自主提出，且和其他的數控協議標準不完全兼容，因而市面上常見各種協議芯片都不能用來進行GLINK協議的解析。

市場上常見的SERCOS、ProfiBus等數控領域現場總線控制器都是通過專用的協議芯片來完成控制功能的。這些協議芯片和上位機之間通信和交換數據都是通過主板的板上總線實現實時數據交換的。但是這些芯片本身不帶有適合主板板上總線（通常是PCI總線）的總線控制部分，因而需要橋芯片來完成主板板上總線的數據轉換。這會給硬件系統設計帶來如下問題:（1）成本高;（2）硬件設計復雜;（3）調試復雜。

1 實現方案

使用的仿真器件為FPGA，采用VHDL語言編程，保證編寫代碼的可移植性。

采用自下而上的方法，按照功能劃分模塊，分別用VHDL編寫小的功能模塊。頂層的文件采用VHDL語言的map方式連接，這樣文件的可移植性好，而且便于后來者讀懂。

內部模塊框圖如圖1所示。根據功能設計要求，該芯片內部主要包含如下幾個模塊的設計:

1．1 主板總線協議控制

完成主板總線和芯片內部其他部分的數據交換。總線有效時將總線數據解析存儲到外部高速數據緩存區，供數控總線協議部分讀取;從高速數據緩沖區讀取從設備反饋數據，通過主板總線傳送給上位機軟件。

1．2 數控總線協議控制

在插補周期內，讀取高速數據緩沖區數據，轉化成系統采用的數控協議，發送到從設備;讀取從設備數據，解析提取成主板總線能夠接受的形式存放到高速數據緩沖區，等待主板總線讀取。

1．3 高速緩存區讀寫控制部分

完成對外部高速緩存區的讀寫控制。

1．4 機床參數讀寫控制部分

完成對機床數據存儲區的讀寫控制。

1．5 物理層控制部分

完成對所采用總線物理層芯片的控制。

1．6 電源監控部分

完成該芯片所在板卡的板上電源部分的監控。

1．7 數控系統監控和使能部分

通過主板總線對上位機軟件的狀態完成判斷，并通過數控總線對從設備的狀態和反饋的外部信息進行綜合判斷，給出數控使能信號，用于機床強電，可靠性以及安全方面的控制。

由于主板總線的時鐘周期和數控協議控制部分的時鐘周期不能夠完全達到同步，同時數控協議的總線傳輸速率非常高，會形成大量的數據。因此需要在芯片外部提供一個大容量的RAM，保證數據交換的順暢，防止出現數據訪問沖突和不同步。所以在芯片內部做了外部總線接口用來交互數據。同時由于每臺機床的初始化時期，都會有針對不通的伺服驅動器和電動機的配置參數，通常這些參數應該是系統斷電之后不丟失的，機床重新上電之后通過PCI訪問這些數據，以確認自己本身目前的配置是否正常。因此在GDS06B芯片內部還設計了一個訪問外部帶電池的SRAM的總線控制接口。

2 工作流程

數控軟件通過PCI總線接口訪問GDS06B芯片，PCI總線控制器分析這些數據轉化成GLINK模塊能夠接受的數據存儲到共享RAM區，GLINK控制器在插補始終周期之內將該數據讀走，并完成GLINK協議解析，把數據發送到GLINK從設備，以進行相應的控制;從設備的數據在固定的插補周期返回到GLINK控制器，GLINK控制器接收這些數據并把它們放進共享RAM區間，下一個PCI始終周期PCI總線控制器讀取這些數據，并把它們返回給CNC軟件，完成一個控制循環。

3GLINK的優勢

與傳統的技術方案相比，采用PCI－GLINK技術方案具有以下優勢:

（1）單片集成。芯片中集成了主板總線控制器和數控總線協議解析以及物理層控制等主要部分。

（2）功耗低。所采用FPGA為低功耗產品，同時由于提高集成度，板上芯片減少，功耗自然降低。

（3）有效的簡化電路設計。單芯片電路設計簡單。

（4）降低調試復雜度。單芯片電路調試簡單。

（5）降低成本。

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