华中科技大学
硕士学位论文
基于FPGA的数控系统现场总线技术的研究
姓名：殷哲波
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：唐小琦
20080521
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘要
以高档数控机床为代表的先进装备制造业是衡量国家工业现代化的标志。传统的数控装置与伺服驱动器之间的模拟量或脉冲量通信方式难以满足数控系统对多通道、高速、高精度的要求，现场总线成为数控系统通信发展的主流。本文详细分析了现场总线的特点、国内外研究现状以及存在的不足，围绕着如何满足数控系统实时性、同步性以及高可靠性要求，结合现场总线以及现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术的特点，设计了基于FPGA的数控系统现场总线通信方案，并从技术方案、硬件平台、FPGA实现等方面论述了数控系统现场总线的实现途径。
本文采用了模块化、层次化的体系结构设计方法，结合模块间的通讯要求以及现场总线的特点，采用PHY+FPGA+CPU的硬件平台，由现场总线PHY层和MAC 层两个基本层次组成，并从数控系统实时性、同步性、高可靠性要求以及可扩展性、成本等方面进行综合的比较，确定了双环通信方案。
研究了现场总线初始化、数据收发、硬件实时CRC-32校验及其它数控相关协议模块的FPGA实现方法及硬件电路。设计出简单、实用的数控系统现场总线协议，对协议处理流程、报文结构、通信周期、通信规程等问题进行了初步研究。
基于FPGA的数控系统现场总线，实现了数控系统内部控制器和伺服驱动器、I/O之间的实时通信，达到较高同步精度，并具备高可靠性。高性能FPGA芯片硬件可编程的特点进一步提高了系统的灵活性和开放性。
关键词：现场总线协议硬件CRC 现场可编程逻辑门阵列
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Abstract
The high-performance Computer Numerical Control (CNC) machine tool as the representative of advanced equipment manufacturing industry, is a symbol of national industrial modernization. As the traditional analog or pulse information transmitting mode between CNC devices and servo drivers is unable to meet the CNC system requirements of multi-channel, high-speed and high-precision, fieldbuses become the mainstream of CNC communication systems. In this thesis, the characteristics, research state and shortage of the existed fieldbuses all around the world are analyzed. The CNC fieldbus communication technologies based on Field Programmable Gate Array (FPGA) are designed according to the real-time, synchronous and high-reliability requirements of CNC systems, and the features of filedbus and FPGA technology. The realization from technology scheme, hardware platform, FPGA programme and other aspects are also discussed in this thesis.
In this thesis, a modular, hierarchical structure of the system design is adopted. According to the communication requirements between modules and the feature of fieldbuses, the hardware platform structure is PHY + FPGA + CPU, and it is consisted of Physical Layer (PHY) and Media Access Control (MAC) layer. After compared real-time, simultaneous, high reliability and scalability requirements of CNC systems and expansibility, cost and other aspects, dual-ring communication scheme is adopted.
In this thesis, the FPGA programme and hardware circuits of fieldbus initialization, data sending and receiving, hardware real-time Cyclical Redundancy Check (CRC) algorithm and other models of CNC related are researched. A simple and practical CNC fieldbus protocol, which concerns protocol process, frame structure, communications cycle and communication rules are designed.
The FPGA-based CNC fieldbus realized the communication between CNC controller, servo drives and I/O, gained high synchronized precision and high reliability. Hardware programmable features of high-performance FPGA chips further enhance the system's flexibility and openness.
Key words: Fieldbus, Protocol, Hardware Cyclical Redundancy Check,
Field Programmable Gate Array
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1 绪论
1.1 课题来源、研究背景与研究意义
1.1.1 课题来源
本课题得到了以下科研项目的资助：
（1） 国家９７３项目“高速数控机床动态行为演变及其高精度控制”（编号：２００５ＣＢ７２４１０１）；
（2） 湖北省重大科技专项“中高档数控系统及制造装备产业化”（编号：２００６ＤＡＥ１０４） 1.1.2 研究背景与研究意义
机床是制造业的工作母机，数控系统是机床的“大脑”。以高档数控机床为代表的先进装备制造业是衡量国家工业现代化的标志。传统数控系统采用模拟量或脉冲量形式对实时控制单元与伺服驱动单元间的信息进行交互，存在容易受外部干扰，不易保证信息可靠性等问题。随着数控系统对多通道、高速、高精度的要求越来越高，数控系统内部控制器和伺服驱动器、I/O之间越来越多的采用数字通信的方式，世界一些大公司或公司联盟纷纷提出自己的现场总线协议标准，目前国际上宣称的开放型的现场总线标准就有40种以上。
现场总线技术已经成为高档数控机床向高效、高速发展的瓶颈，是数控技术制高点。目前国际上没有统一的标准，日本、美国、德国等都在张罗统一标准，借机推进其数控系统产业的进一步发展。这也带来了许多问题，最明显的就是多种现场总线并存但互不兼容，大多采用专用硬件，给开发和维护造成很大难度，而且在很大程度上提高了成本。
微电子技术和计算机网络技术的发展为我国开发高档数控系统现场总线协议和标准提供了一个良好的机遇，特别是以太网技术和FPGA（Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程逻辑门阵列）技术的发展。以太网技术的发展使网络传输速率从最初的10Mbps到现在的10Gbps，预计到2010年将达到100Gbps。而FPGA 的硬件可编程特性，可对以太网技术进行相关的改造，进而满足数控系统对实时性和同步精度的要求。选用工业以太网作为现场总线具有很强的优势。工业以太网是
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现场总线发展的一种趋势，可以使数控系统的性能达到更高的水平。虽然很多公司已经推出了工业以太网相关的现场总线标准，但还没有形成一个完整的规范，我们需要克服困难，抓住机遇，力争在数控系统现场总线技术方面取得突破，形成自己的现场总线标准和规范。
1.2 课题研究现状及发展趋势
1.2.1 现场总线技术
根据国际电工委员会IEC（International Electrotechnical Commission）标准和现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）的定义[1][2]：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、多分支结构的通信网络。现场总线的技术特点表现在六个方面[3]：现场通信网络、现场设备互联、互操作性、功能块分散性、系统的开放性和通信线供电。
（1） 现场通信网络。现场总线是用于制造自动化和过程自动化的现场设备互联的现场通信网络，通信线一直延伸到生产现场或生产设备，是制造自动化的最底层。（2） 现场设备互联。传感器、变送器、执行器、智能仪表和CNC机床等现场设备，通过一对传输线互联。传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。（3） 互操作性。是指互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点和一点对多点的数字通信。
（4） 功能块分散性。现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，现场设备本身具有自动控制的基本功能。功能块分散在各台现场设备中，并可统一组态，供用户灵活选用各功能块，构成所需控制系统，实现彻底的分散控制。（5） 系统的开放性。现场总线是开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库共享。用户可把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，不必在硬件或软件上花多大力气。
（6） 通信线供电。允许现场仪表直接从通信线上摄取能量。
国际电工委员会极为重视现场总线标准的制订，早于1985年就筹备了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组，开始起草现场总线标准[4][5]。经过多轮投票，终于在1999年3月，IEC61158第一版现场总线标准作为技术规范出版。
此后，现场总线与工业以太网技术发展十分迅速，为反映最新发展的成果，国际电工委员会对IEC61158进行了多次扩充与修订，现在的最新版本是第四版，于2007年7月出版，有效期至2012年。该标准采纳了经过市场考验的20种主要类型
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的现场总线、工业以太网和实时以太网，具体类型见表1.1。
表 1. 1 IEC61158 Ed.4现场总线类型
类型技术名称类型技术名称
Type1 TS61158现场总线Type11 TCnet实时以太网
Type2 CIP现场总线Type12 EtherCAT实时以太网
Type3 PROFIBUS现场总线Type13 Ethernet Powerlink实时以太网
Type4 P_NET现场总线Type14 EPA实时以太网
Type5 FF HSE现场总线Type15 Modbus-RTPS实时以太网
Type6 SwiftNet被撤销Type16 SERCOS I、II现场总线
Type7 WorldFIP现场总线Type17 VNET/IP实时以太网
Type8 INTERBUS现场总线Type18 CC-Link现场总线
Type9 FFH现场总线Type19 SERCOS III实时以太网
Type10 PROFINET实时以太网Type20 HART现场总线
表1.1中包含的基于实时以太网技术的现场总线标准有8种，而其中大多数用于过程控制领域，在数控领域得到应用的主要是PROFINET实时以太网、EtherCAT实时以太网和SERCOS III实时以太网，它们在实时机制、实时性能、通信一致性上都存在很大差异。
PROFINET由PROFIBUS国际组织推出，是新一代基于工业以太网技术的工业自动化通讯标准[6][7][8]。PROFINET的等时同步实时技术可以满足运动控制的高速通讯需求，在100个节点下，其响应时间要小于1ms，抖动误差要小于1μs，以此来保证及时的、确定的响应。这么高的同步水平必须依靠网络第二层中硬件的支持，即西门子IRT等时实时ASIC芯片。
PROFINET支持星形、总线形和环形拓扑结构。如图1.1所示，每个通讯周期被分成两个不同的部分，一个是循环的、确定的部分，称之为实时通道；另外一个是开放通道，标准的TCP／IP数据通过这个通道传输。在实时通道中，为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗，而实时数据总是按固定的次序插入，因此，实时数据就在固定的间隔被传送，循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在 PROFINET上传递，而且不会互相干扰，实现了PROFINET技术对以太网技术的兼容。基于普通以太网技术的各种网络服务功能，如SNMP、HTML等，也同样可以在PROFINET上运行。用户在获得高性能的实时
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网络的同时，还可以享受以太网技术和 IT技术带来的便利。
图 1. 1 PROFINET通讯周期
EtherCAT作为Beckhoff研发的基于实时工业以太网的现场总线解决方案，是第一个真正开放的设备层以太网解决方案[9][10][11]。EtherCAT的突出特点有：以太网可以直接到达端子；以太网过程接口可从2位扩展到64个字节。350微秒处理12000个数字量I／0；50微秒处理200个模拟量I／O；100微秒处理100个电机轴等。EtherCAT技术是面向价格低廉的设备而开发的，如I／O端子，传感器和嵌入式控制器等。
EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线型、数型、星型等。EtherCAT使用遵循lEEE802.3标准的以太网帧。这些帧由主站设备发送，从站设备只是在以太网帧经过其所在位置时才提取和／或插入数据。因此，EtherCAT使用标准的以太网MAC （Media Access Control，介质访问控制），这正是其在主站设备方面智能化的表现。同样，EtherCAT在从站控制器中使用专用芯片，这也是其在从站设备方面智能化的表现——无论本地处理能力是否强大或软件品质好坏与否，专用芯片均可在硬件中处理过程数据协议，并提供最佳实时性能。
SERCOS III是SERCOS II技术的一个变革，是现场总线技术与以太网技术的结合[12][13][14][15][16]。它的传输数据率为100Mbit／s，最小循环时间为31.25μs，对应8轴与6字节。当循环时间为1ms时，对应254轴12字节，可在一定的条件下支持的轴数足够多。SERCOS III使用加载到FPGA (现场可编程门阵列)或通用通信控制器(GPCC)及标准工业以太网硬件上的SERCOS软件核心， SERCOS接口在控制器和驱动器之间交换数据，在极短的周期内传送命令和实际数值。它保证了在给定数量的轴向上准确协调的动作同步化。基于 FPGA或GPCC的SERCOS接口控制器一般被集成到主运动控制、驱动器、放大器及I／O模块之中。它们自动处理大部分的SERCOS接口通信功能，减轻主机处理器的处理负载，简化了设计者的任务。定义运动和l／O功能的标准软件函数(被称为IDN或 Idents)有500多个。此外，接口还能采用制造商定制的IDN，用来定义标准IDN集合没有涵盖的独特功能。在一个SERCOS接口系统中，所有的伺服回路一般都在驱动器内闭合，这样降低了运动控制器的计算负载，使它比起不使用这种方式来能同步更多的轴。
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SERCOS III系统基于环状拓扑结构，支持全双工以太网的环状拓扑结构可以处理冗余，当在环上一处电缆发生故障时，通讯不被中断，此时利用诊断功能可以确定故障地点，并且能够在不影响其它设备正常工作的情况下得到维护。它不使用星状的以太网结构，数据不经过路由器或转换器，从而可以使传输延时减少到最小；报文结构方面，为了应用以太网的硬实时的环境，SERCOS III增加了一个与非实时通道同时运行的实时通道，该通道用来传输SERCOS III报文，也就是传输命令值和反馈值，参数化的非实时通道与实时通道一起传输以太网信息和基于IP协议的信息，包括TCP/IP和UDP/IP。数据采用标准的以太网帧来传输，这样实时通道和非实时通道可以根据实际情况进行配置。
随着数控技术的进一步发展，对现场总线的要求进一步提高。有资料认为，在未来数年里，现场总线需要传输的信息量还要再增加10~30倍。而且希望得到更多的实时信息，需要进一步提高实时性和同步精度[17][18][19][20]。信息需求量的不断增加和其它性能的需求，将推动现场总线技术的发展。因此有人认为，以太网向现场总线的进一步渗透是必然的。而且，统一的TCP/IP协议使得Internet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为不同总线协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望。许多现场总线组织正致力于发展EtherNet／IP技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络不仅使现场层控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层面的集成成本。现场总线最终将向Ethernet过渡，许多基于现场总线的FCS最终都将连接以太网，直至与Internet相连接[21]。
1.2.2 FPGA技术
FPGA是在PAL（Programmable Array Logic的缩写，即可编程阵列逻辑）、GAL （Generic Array Logic的缩写，即通用阵列逻辑）、EPLD（Electrically Programmable Logic Device,的缩写，即电可编程逻辑装置）等可编程器件的基础上进一步发展的产物[22]。它是作为专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。
FPGA采用不同于PLD架构的设计方式，拥有较高的密度和容量，还具有I／O 多、功耗低等优点，然而其布线复杂，亦导致时序延迟，且呈非固定式，延迟时间
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较长。
FPGA的架构主要有SRAM Base及Anti-fuse两种设计模式，其中SRAM Base 的特点是可重复编程、低功耗、可进行系统重构；Anti-fuse由于具有一次烧录(OTP)的特性，可在保密性上提供较佳的保护，但也因此无法进行重复修改。
目前PLD／FPGA供货商全部来自美国公司，主要是Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel等。其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。
FPGA的基本特点有：
? FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚，可重新配置以实现用户的逻辑；
? 采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；
? FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
FPGA可以实现任何数字器件的功能，上至高性能的CPU，下至简单的74系列逻辑门电路。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法或者硬件描述语言自由设计一个数字系统。可以事先用软件仿真验证设计的正确性。在PCB完成以后还可以通过对FPGA进行重新配置随时修改而不必修改硬件电路板。所以利用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提供系统的可靠性。
FPGA的发展主要有以下几个方向[23][24]：
（1） 规模越来越大，集成度越来越高。早期的FPGA规模只有几千门，2006年5月份，Xilinx公司推出世界上第一个65nm FPGA系列——Virtex-5。基于 65nm 三极栅氧化层技术、11层铜布线工艺、低K材料、新型镍硅自对准技术、新型ExpressFabric技术和ASMBL架构，可以提供330000个逻辑单元(可编程逻辑门约660万门)和1200个用户I／O。
（2） 速度不断提高，性能不断提升。Altera公司于2006年11月份推出65nm 的FPGA 系列Stratix III。Stratix III比前一代器件快25％，密度是前一代FPGA的2倍，功耗降低了50％，支持四十多个I／O接口标准，具有业界一流的性能、灵活性和信号完整性。
（3） IP库的利用。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到FPGA器件中；另一方面是大力扩充优化的IP软核(指利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块)，用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，有效地完成复杂的片上系统设计。如Altera公司开发的Nios
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II软核CPU以及其他外围IP核。
（4） 价格越来越低。FPGA市场的激烈竞争推动了价格的不断下调。Altera公司于2005年第二季度开始批量生产的低端FPGA Cyclone II，其约33万门的产品以22美元的价格供货，相当于每一万门的单价为0.65美元左右。
（5） 向可编程系统芯片（SOPC）方向发展。可编程系统级芯片（SOPC）具有ASIC 的高集成度、低功耗、小尺寸、低成本的优点，同时具有FPGA的低风险、灵活和快速上市的优点。
1.3 论文研究的主要内容和结构
本文的主要任务是基于FPGA的数控系统现场总线技术的研究，主要包含以下几个方面的内容：
1、设计现场总线的硬件平台，采用PHY+FPGA+CPU的结构；
2、研究网络拓扑结构及相应的初始化方案；
3、开发现场总线MAC层的FPGA程序；
4、研究硬件实时CRC（Cyclical Redundancy Check的缩写，即循环冗余校验）
校验算法，提高网络可靠性。
本文的结构安排如下：
第一章是绪论，阐述本课题的来源、研究背景与研究意义，分析现场总线技术和FPGA技术的研究现状和发展趋势。
第二章提出数控系统现场总线的总体技术方案，研究现场总线拓扑结构、硬件平台及软件开发环境。
第三章构建数控系统现场总线的硬件平台。介绍现场总线PHY（Physical Layer，物理层）层硬件平台和MAC层硬件平台。
第四章研究数控系统现场总线的FPGA实现。研究内容包括网络初始化、数据收发及打包、硬件CRC校验、扩展功能和总线协议，并给出应用实例。
第五章总结全文的工作，并进行展望。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 数控系统现场总线技术方案
2.1 数控系统现场总线体系结构
数控系统现场总线采用分层结构[26]，它与ISO/OSI 七层网络参考模型的对应关系如图2.1所示。从图中可以看出：
? 数控系统现场总线PHY 层采用ISO/OSI 参考模型定义的物理层；
? 数控系统现场总线MAC 层对ISO/OSI 参考模型定义的数据链路层、网络层和传
输层进行实时性改造，向应用层提供服务；
? 数控系统现场总线没有ISO/OSI 参考模型定义的会话层和表示层。 应用层传输层网络层数据链路层物理层应用层ＰＨＹ层ＭＡＣ层
图 2. 1 数控系统现场总线体系结构
2.2 数控系统现场总线拓扑结构研究
2.2.1 现场总线主要拓扑结构
通常，现场总线的基本网络拓扑结构有总线型、星型和环型[27] 。
图2.2所示为总线型拓扑结构。总线型拓扑结构采用一条称为公共总线的传输介质，将各站点与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。
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总线
图 2. 2 总线型拓扑结构
图2.3所示为星型拓扑结构。星型拓扑结构由主站和各从站组成，主站可直接与各从站通信，而从站间必须通过主站才能通信。在星型拓扑结构中主站通常由集线器或交换机充当，因此网络上的各站点通过集线器或交换机来相互通信。
图 2.3 星型拓扑结构
图2.4所示为环型拓扑结构。环型拓扑结构通过传输介质将各站点首尾相连组成一个环。在环型网络中，每个站点都有一个编号，信号按编号顺序以“接力”方式传输。
图 2. 4 环型拓扑结构
2.2.2 现场总线拓扑结构的特点研究
2.2.1中介绍了数控系统现场总线3种主要的拓扑结构，本节分析它们的特点[28][29]，并根据实际需求选择适合本研究的拓扑结构：
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（1） 总线型拓扑结构的主要特点有：
? 易于分布。站点直接连接到总线上，电缆长度短，使用电缆少，安装容易，扩充方便；
? 故障诊断困难。各站点共享总线，任何一个站点出现故障都将引起整个网络无法正常工作。在检查故障时必须对每一个站点进行检测才能查出出现问题
的站点；
? 故障隔离困难。如果站点出现故障，则直接将站点除去，如果出现传输介质故障，则整段总线要切断；
? 对站点要求较高。每个站点都要有介质访问控制功能，以便与其他站点有序地共享总线。
（2） 星型拓扑结构的主要特点有：
? 容易实现；
? 节点扩展、移动方便。节点扩展时只需将增加的节点连到中心节点集线器或交换机上。而节点移动时只需将相应节点移到新节点即可；
? 易于维护。易于查找故障节点，而且一个节点出现故障不会影响其它节点的工作，可直接拆除故障节点；
? 主站结构复杂，每个通道中的从站个数不能太多。
（3） 环型拓扑结构的主要特点有：
? 结构简单，易于实现，每个站点只与相邻的两个站点有物理链路；
? 实时性好，传输延迟确定，信息在网络中传输的最大时间固定；
? 容易安装和监控，网络建成后，容易增加新的站点。
? 环中任何一个结点出现线路故障，都将造成网络瘫痪。
数控系统对现场总线的要求为[51]：
? 总线传输的实时性。主站控制计算机能够以固定的控制周期向伺服系统发送控制指令；
? 命令执行和状态反馈的同步性。为了达到各坐标轴的同步运动精度，需要各轴在收到命令值之后必须在同一时刻同时执行位置控制指令和同时采样当
前位置，发送给控制计算机。
而环型拓扑结构具备实时性高、传输延迟确定的特点，为解决数控系统实时性特殊要求提供了技术保障。另外它容易实现，通过双环通信能进一步提高环型网络的可靠性，所以本研究中采用环型拓扑结构。
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2.3 数控系统现场总线通信模块硬件技术方案
2.3.1 数控系统现场总线通信模块硬件技术方案
本研究中数控系统现场总线通信模块整体硬件结构[41]如图2.5所示，主要由两部分组成：
? 以PHY层芯片为核心的现场总线PHY层处理模块。实现数控系统现场总线PHY 层功能，提供与FPGA的RMII接口；
? 以FPGA为核心的现场总线MAC层处理模块。实现数控系统现场总线MAC层功能，提供与CPU的16位并行总线接口及与网络PHY层芯片的RMII接口。
１６位并行总线接口
RMII接口TX/RX RMII接口
CPU（DSP、ARM、工控机等）FPGA （EP2C8T144C8）
PHY （DM9161A）网络变压器（HS9016）
PHY （DM9161A）
网络变压器（HS9016）
TX/RX
TX/RX TX/RX
图 2.5 数控系统现场总线通信模块硬件整体结构
2.3.2 PHY层芯片的选型
DM9161A是Davicom公司提供的网络PHY层芯片[30]，主要具备以下特点：? 完全支持IEEE 802.3u，10Base-T/100Base-TX/FX；
? 支持自动翻转功能，遵守IEEE 802.3u规定；
? 完全集成网络物理层，提供对网络变压器的接口；
? 集成10Base-T/100Base-TX收发器；
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? 可以选择转发模式或节点模式；
? 100Base-TX模式下可以选择MII接口或者RMII接口；
? 10Base-T模式下可以选择GPSI接口或者MII接口；
? 可以选择双绞线或者光纤输出；
? 可以选择全双工或半双工工作模式；
? 具备MII模式管理接口；
? 提供LED指示连接状态、速度和全双工/半双工模式；
? 电源管理功能；
? 支持3.3V和5V I/O。
如图2.6所示，DM9161A提供MII接口（RMII功能原理基本一致，故图中省略RMII功能框图）与MAC子层进行通信，通过TXD+/-和RXI+/-管脚与网络变压器连接，实现网络差分信号与数字信号之间的转换。
图 2.6 DM9161A功能原理框图
DM9161A的发送主要包括下面的功能模块：
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? 4B5B编码（4B5B Encoder）[31]。将MAC子层传送来的二进制数据（四位代码组）进行编码，转换成五位代码组。这就使5位代码组内永远至少包含2个“1”
转换，所以在一个5位块内总能进行时钟同步。该方法需要25%的额外开销；? 扰频（Scrambler）。重复的数据流会导致线路信号的功率谱密度分布不均匀，而利用扰频技术可以抑制不连续的频谱分量，使输出信号有均匀的功率分布，从而改善发送性能；
? 并串转换（Parallel to Serial Converter）。将经过4B5B编码器和扰频器处理的并行数据流转换为串行数据流；
? 不归零编码-倒相不归零编码（NRZ to NRZI Encoder）。NRZI（Non Return to Zero Inverted）编码主要是为与TP-PMD标准（规定100Base-TX在第5类非屏蔽双绞线上传输细节）兼容；
? 3电平传输码转换（MLT-3 Converter）。MLT-3（Multi-Level Transmission-3）编码可以使信号相对于NRZI编码的频谱由70MHz降低至30MHz，从而不要求更高带宽的传输介质。
DM9161A的接收主要包括下面的功能模块：
? 信号检测（Signal Detect）。检测RXI+/-管脚上是否有信号传输；
? 自适应均衡（Adaptive Equalizer）。抵消或减小信道的非线性对数据传输误码率的影响；
? 3电平传输码-倒相不归零解码（MLT-3 to NRZI Decoder）。发送功能对应模块的逆过程；
? 时钟恢复（Clock Recovery Module）。从网络信号中提取出时钟信息；
? 倒相不归零编码-不归零解码（NRZI-NRZ Decoder）。发送功能对应模块的逆过程；
? 并串转换（Serial to Parallel）。发送功能对应模块的逆过程；
? 解扰（Descrambler）。发送功能对应模块的逆过程；
? 码组排列（Code Group Alignment）。将各独立的码元组成5位代码组；
? 4B5B解码（4B5B Decoder）。发送功能对应模块的逆过程。
由于DM9161A提供了标准的MII和RMII接口，性价比高，并具有完备的技术资料，故本研究中采用了此芯片，用于实现数控系统现场总线PHY层功能，实现网络差分信号与数字信号的转换，并通过MII或RMII接口与FPGA进行数据交互。
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2.3.3 FPGA芯片的选型
目前FPGA的产品主要由Xilinx、Lattice和Altera等公司提供。与其它公司产品相比，Altera公司的产品性价比高，开发工具更容易获得，实验室也有成熟的开发经验，所以在此项目中采用该公司提供的Cyclone II系列的EP2C8T144C8芯片。
Cyclone II FPGA[32]是Altera公司在上一代产品Cyclone基础上推出的，比上一代成本低30%，逻辑容量多三倍，扩大了第一代Cyclone系列所赢得的业内领先的成功优势。另外，根据大量设计的基准测试结果，Cyclone II FPGA的成本大约是相竞争的低成本FPGA的一半，而速度快50%以上。Cyclone II器件采用了TSMC验证的90nm低K介电质工艺制造的成本优化架构，具有业内更多的特性和更大的容量，及最低的单位逻辑单元成本。
EP2C8T144C8具有的资源情况如下：
? 逻辑单元LEs：8，256个
? M4K RAM块：36个
? RAM ：165，888 bits
? 嵌入式乘法器：18个
? PLLs：2个
? 可用I/O：85
2.3.4 传输介质的选型
传输介质是连接网络节点的物理信号通路。适用于现场总线网络的传输介质有：双绞线、同轴电缆和光缆等[33][34]。
双绞线是由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞合成线对，且线对与线对之间按一定密度反时针相应地绞合在一起，在这些线对外面还包有绝缘材料制成的外皮。在双绞线内，由于不同线对具有不同的绞距长度，因此每一根导线在传输中辐射出来的电磁波可以被另一根导线上发出的电磁波所抵消，提高了抗干扰性。铜导线的直径为0.4～lmm，绞距长度范围是3.8l～14cm，相邻双绞线的扭绞长度差约为1.27cm。双绞线的缠绕密度和扭绞方向以及绝缘材料，直接影响着它的特性阻抗，衰减和近端串扰。双绞线的突出优势是它价格较低廉且安装成本较低等等，因此常被选作传输介质。
同轴电缆其中心有一根单芯铜导线，铜导线外面是绝缘材料，这层绝缘材料密织的网状导体环绕，其外层又覆盖了一层起保护作用的导电金属层，该金属层用来屏
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蔽电磁干扰和防止辐射。它的最外层又包有一层绝缘塑料外皮。与双绞线相比，它具有更强的抗干扰能力，价格也适中，但对于现场总线的应用，由于其总线型的应用特点，可靠性较差，因此采用不多。
光缆是由若干根(芯)光纤构成的缆芯和外层所组成，其具有很好的电磁绝缘性能，信号衰变小，传输距离较大。光纤是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝，具有把光封在其中并沿轴向进行传播的导波结构。按照光在光纤中的传输模式将其分为单模光纤和多模光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传输离较小，速度较底，但其成本较底；而单模光纤更适宜长距离传输数，具有更可靠安全的传输质量，但由于其连接硬件价格较昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。
网络PHY层芯片DM9161A支持双绞线和光缆传输介质，综合考虑性能和价格因素以及对连接硬件的要求，选择双绞线作为本研究的传输介质。
2.4 数控系统现场总线软硬件开发环境简介
FPGA开发环境：QuartusII 6.0
QuartusII是Altera公司提供的可编程逻辑器件开发工具，能支持Altera公司系列FPGA的从设计输入、编译、布局布线、适配、时序仿真、下载等全部的设计流程[35]。
该软件支持原理图、AHDL、VHDL、Verilog等多种设计输入方法，并与其他公司开发的EDA软件如Synplify，Modelsim等良好兼容。
此外该软件还提供了各种优化方法，使开发者能根据自己的需要对资源、时序等进行详尽的优化，控制FPGA内部的布局布线。并提供了LogicLock功能，便于模块化设计和综合。
2.5 本章小结
通过对数控系统实时性、同步性、高可靠性要求以及可扩展性、成本等方面综合的比较，本文中的数控系统现场总线选用环型拓扑结构，并采用双环通信方式进一步提高可靠性。
现场总线硬件平台采用PHY+FPGA+CPU结构，PHY层芯片使用Davicom公司网络PHY层芯片DM9161A；MAC层FPGA芯片使用Altera公司的EP2C8T144C8芯片。高性能的芯片为系统性能提供了良好的保证。
本章最后介绍了现场总线软硬件开发环境QuartusII 6.0。
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3 数控系统现场总线硬件平台的构建
3.1 数控系统现场总线硬件平台
图3.1所示为应用现场总线的数控系统硬件平台，NCU单元与伺服驱动器、主轴驱动器和PLC/IO通过现场总线组成环型网络。
图 3. 1 数控系统现场总线硬件平台
为实现模块化设计，使系统层次更清晰，升级改造更便捷，现场总线中各站点采用了图3.2所示的网络模块，该模块包含PHY层和MAC层功能，并提供通用的16位并行总线接口，使该模块可以方便的与站点CPU进行数据交互。