基于SERCOS總線的模擬驅動接口模塊設計

馬春峰

（威海職業學院 機電工程系，威海 264210）

0 引言

隨著工業自動化制造裝備數字化和網絡化的發展，現場總線技術以其高度的開放互聯性、簡化的分布控制性和可靠的環境兼容性等技術優點，得到了裝備制造商的廣泛接受。目前很多舊數控機床經常因為數控系統老化故障或者與新的控制系統的總線接口不兼容導致性能下降、生產效率降低。因此必須對機床進行數字化改造。然而機床的模擬伺服驅動裝置、伺服電機和主軸電機以及機床的機械結構均性能良好。為了充分利用現有的設備資源，節約改造的成本，就必須設計一個現場總線信號與傳統模擬信號的轉換接口模塊。

本設計結合舊數控銑床的實際改造項目，開發了一種基于SERCOS總線的模擬驅動接口模塊，該模塊可以接收力士樂數控系統IndraMotion MTX發出的SERCOS總線數字指令信號，并轉換成±10V的標準模擬量控制信號, 用來控制西門子611A模擬伺服驅動器，該模塊對SERCOS現場總線在工業現場的推廣應用具有重要意義。

1 SERCOS總線簡介

SERCOS(Serial Real-time Communication Specification)總線常用于工業控制系統中連接上位控制單元和伺服驅動單元進行實時數據通信，該總線協議詳細的定義了物理層的拓撲結構、收發線路和NRZI編碼格式以及數據鏈路層的數據幀結構等內容, 使用戶能方便的操作控制系統、伺服驅動器和可編程控制器等自動化機械裝備。因此在數控機床和各種數控機械設備中獲得了廣泛的應用。SERCOS總線的傳輸介質采用雙向光纖，通訊速率高，實時性強，因而特別適合于多軸同步運動控制。和其他總線相比，SERCOS總線具有以下優勢：

1）數據傳輸性能高，其有效數據的傳輸效率可與100M以太網相媲美；

2）采用光纖連接，消除了電磁干擾，傳輸距離遠；

3）具有很高的同步精度；

4）可自行診斷故障信息，方便用戶安裝和維修。

2 硬件設計

2.1 硬件系統總體設計

本文設計的模擬驅動接口模塊采用SERCON816芯片作為SERCOS總線接口控制器，實現SERCOS總線接口的物理層和數據鏈路層等底層通信協議。采用TLV5614芯片作為數模轉換器，實現數控系統控制指令到機床各軸伺服驅動裝置模擬量控制信號的轉換。采用TMS320F28335芯片作為微處理器，對S E R C O N 8 1 6芯片和TLV5614芯片進行數據讀寫和控制。硬件系統總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統總體框圖

2.2 SERCOS總線接口電路設計

S E R C O N 8 1 6總線接口控制器是繼SERCON410B之后的新一代SERCOS接口控制芯片，由于采用了新的制造工藝，其實時通信速率大幅提高至16Mbps。本文采用16位數據總線接口與TMS320F28335連接，地址總線采用12位，可尋址芯片內部2K×16位的雙口RAM。同時將六路TXD信號并聯，以提供最大的輸出功率適應各種材質、長度的光纖。

TMS320F28335接收來自SERCON816的中斷信號，并通過地址總線、譯碼控制電路和數據總線對其進行控制。由于SERC0N816電源電壓為5V而TMS320F28335的總線電壓為3.3V供電，所以采用74LVC164245和74LV245芯片實現總線隔離、驅動和電平轉換。本文將雙口RAM映射到TMS320F28335存儲空間的0x82000～0x82fff地址，將128字的控制寄存器映射到TMS320F28335存儲空間的0x83000～0x8307F地址。

圖2 SERCON816總線接口電路

2.3 D/A電路設計

由于原來的數控銑床需要控制X、Y、Z三個進給軸和一個主軸，因此選用4通道的TLV5614芯片作為數模轉換器。該芯片轉換時間為3μs～9μs，分辨率可達12位，可通過標準的四線SPI串行接口與TMS320F28335通訊。芯片采用數字電源和模擬電源兩組相互獨立的電源供電，輸出為軌到軌輸出的電壓信號，其輸出電壓幅值由公式（1）給出：

其中，VREF是參考基準電壓,C O D E是在0～4095范圍內的12位DAC輸入值。

本文采用參考基準電壓2.5V、電源5V，由公式1可得DAC的輸出電壓為0～5V。由于模擬伺服驅動裝置的控制電壓為-10V～+10V，因此還要通過調理電路對輸出電壓進行偏置放大以達到輸出雙極性信號的要求。最終共輸出4路模擬信號用于驅動X、Y、Z三個進給軸和一個主軸。

圖3 數模轉換電路

3 軟件設計

3.1 總體框圖

本文設計的模擬驅動接口模塊軟件部分主要包括：TMS320F28335初始化模塊、SERCOS初始化模塊、非周期性數據傳輸模塊、周期性數據傳輸模塊、DAC處理模塊等。TMS320F28335初始化模塊主要完成TMS320F28335芯片的系統配置以及外設、中斷向量等的初始化設置；SERCOS初始化模塊主要完成SERCON816芯片的內存初始設置和通訊初始化；非周期性數據傳輸模塊主要是響應來自數控系統的數據讀/寫請求,打開服務通道，完成控制參數和過程命令的非周期性傳輸；周期性數據傳輸模塊在定時中斷中完成，用于讀取周期指令值和寫入周期反饋值；DAC處理模塊主要通過TMS320F28335與TLV5614的SPI通訊，完成周期指令值的輸出。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 SERCOS初始化模塊

圖5 SERCON816初始化程序流程圖

要建立數控系統和模擬驅動接口模塊之間的通訊鏈路，必須正確初始化SERCON816芯片。主要包括控制寄存器初始化、雙口RAM初始化和通訊初始化。本接口模塊中主要系統參數配置為：使用服務通道1、工作時鐘頻率（16MHz）, 數據傳輸率（2Mbps）， 階段0～階段2的通訊周期（1000μ s）, 階段3～階段4的通訊周期（8000μ s）。在階段0～階段2, 輸出信號CON_CLK在每個通訊周期開始后(MST 之后)的200μ s～490μ s時間段內變為高電平；在階段3～階段4,輸出信號CON_CLK在每個通訊周期開始后（MST之后）的1000μ s～2500μ s時間段內變為高電平。SERCON816初始化程序的流程如圖5所示。

3.3 DAC處理模塊

TLV5614的通過編程16位的寄存器對芯片進行控制，其中第15位和第14位用于選擇DAC的4個通道，第13位為轉換模式位，第12位為狀態位，第11位到第0位為12位的DAC輸入值。對于每一次完整的DA數據傳輸，首先將片選信號CS從高電平變為低電平，然后將幀同步信號FS從高電平變為低電平開始傳輸數據，接著串行時鐘信號SCLK每產生一個下降沿就從數據輸入信號DIN傳輸一位數據直至連續傳輸完16位數據，最后將幀同步信號FS變為高電平，芯片將16位數據鎖存后進行DA轉換并輸出。其控制時序如圖6所示。

圖6 TLV5614控制時序圖

4 結束語

應用本設計的模擬驅動接口模塊和IndraMotion MTX數控系統對舊數控銑床改造后，機床的各項性能指標均有大幅提升，數字化功能更加完善，可以方便地與工廠的網絡管理系統進行互聯，實現了高質高效的生產加工。同時本文為模擬伺服驅動的老舊設備改造提供了一種新思路。如印刷紡織等行業中的無軸傳動和多軸同步控制設備，只需更換新的運動控制系統和模擬接口模塊即可直接驅動原來的模擬伺服驅動器和設備機械，因此具有非常高的應用推廣價值。

[1] 李敏,沈晶巍,劉通.ADI4在舊數控機床改造中的匹配功能應用[J].制造技術與機床,2009(12):125-127.

[2] 劉清.基于CAN總線的模擬量輸出從站的設計[J].自動化儀表,2004,25(7):19-21.

[3] 馮曉東,湯同奎,邵惠鶴.隔離多通道LONWORKS模擬量輸出節點的設計[J].化工自動化及儀表,2000,27(5):30-32.

[4] 郇極,尹旭峰.數字伺服通訊協議SERCOS驅動程序設計及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[5] 彭學文,朱志紅,賈正春.伺服驅動單元SERCOS總線接口的設計與實現[J].自動化與儀表,2001,16(5):64-66.

[6] 王水迎,王建武.基于TMS320F2812的SERCOS總線從站接口卡的設計[J].制造業自動化,2007,29(5):94-96.

[7] 張德紅,門延會,毛羽.SIEMENS840D系統在GS30型數控機床改造中的應用[J].2011(2):56-58.

[8] 權寧輝,高軍禮,宋海濤.基于SERCOS總線的高速數字通信接口軟件設計[J].機床與液壓,2011,39(11):78-80.

[9] 徐躍,王太勇,趙艷菊,董靖川.基于總線和網絡技術的開放式可監控數控系統[J].農業機械學報,2008,39(10):178-182.

[10] 康存鋒,陳衛福,黃旭東.基于SERCOS技術實現高速高精度運動控制[J].制造技術與機床,2002(6):8-9.