何英武， 戴朝永， 陈妙玲

（广州数控设备有限公司， 广东 广州 510530）

0 引言

现场总线是连接各数控设备的桥梁， 它在工业智能制造中发挥着重要的作用。 在这个日新月异的科技发展时代，对现场总线也提出了更高的要求，在通讯周期数据以及非周期数据通讯量需求更大， 同时连接从站站点需要支持更多、 每从站的周期通讯的数据长度要求可单独设置，站点的故障诊断更精准化。 GSK-Link 现场总线[1-3]是广州数控设备有限公司（以下简称广数）拥有自主知识产权的现场总线，GSK-Link 新技术方案正是为满足这些新的需求而设计的。

1 物理层设计

基于GSK-Link 现场总线的新技术方案是采用通用以太网[4]的物理层芯片PHY，MAC 采用FPGA 实现，

传输媒介采用超5 类非屏蔽双绞线， 周期数据能在主站和从站之间传输， 非周期数据可以在任意站点之间传输。 新技术方案采用环型、单线型、双线型兼容的拓扑结构，总线拓扑如图1 所示，总线作为单线形拓扑时，另一个端口可以由处理器选择与局域网互联。 主站与从站内的通信模块结构如图2 所示。

图1 拓扑结构

图2 通信模块结构

2 总线报文设计

2.1 电报类型

总线包含同步电报（Master Sync Telegram，简称MST）、编址电报（Address Assign Telegram，简称AAT）、延时测试电报（Time-lapse Test Telegram，简称TTT）、主站数据电报 （Master Data Telegram， 简称MDT） 和普通数据电报（General Data Telegram，简称GDT）五种电报类型进行数据通讯[6]。

2.2 报文基本结构定义

新技术方案的Gsk-Link 现场总线报文结构包括目的地址、源地址、控制字、帧长度、数据域及CRC 等六部分组成，如图3 所示。

图3 报文基本结构

地址域包括目的地址和源地址，其中主站地址为0，广播地址为255（只有主站有权发广播），从站地址为1-254。控制字的字节长度是2 字符，每个位代表不同的意义。

2.3 报文类型结构定义

2.3.1 MST 报文结构

MST 的报文结构如图3 所示， 目的地址是255 （广播），源地址是0（只有主站有权发送同步报文），帧长度是10，控制字是0x9X00（如：0x9800 或0x9900），数据域是4 字节的时间参数。

该报文在每个周期开始时发送一次0x9800， 每个从站收到该报文后根据从站本身的传输延时来更新时钟计数器，保证主从站时钟计数器同步。 如是线形拓扑结构，最后一个从站把控制字改为0x9900 往回发送，将不更新同步时钟计数器， 主站接收到此数据帧得知该拓扑结构为线形连接。

2.3.2 AAT 报文结构

AAT 的报文结构如图3 所示， 目的地址是255 （广播），源地址是0（只有主站有权发送同步报文），帧长度是10，控制字是0xAXXX，数据域是4 字节的无关数据。

该报文在总线初始化时由处理器控制主站发送，每个从站收到该报文后根据控制字的12～8 位来改变7～0位的数据发送出去，并以7～0 位的数据作为从站的地址。可以配置成环形、正向单线形、反向单线形、双线形。如图4 所示。

图4 编址类型

2.3.3 TTT 报文结构

TTT 的报文结构如图3 所示，目的地址是255（广播），源地址是0（只有主站有权发送同步报文），帧长度是10字节，控制字是0xBX00，数据域是4 字节的主站计数器发送时间。

该报文在总线初始化时由处理器控制其发送， 每个从站收到该报文后根据控制字的12～8 位来记录从站的时钟计数器，延时时间=（（M_OT-M_ST）-（N_ST-N_BT））/2；或延时时间= （N_ST-N_BT）/2。 环形、正/反向单线形计算延时时间如图5 所示。

图5 从站计算延时时序

2.3.4 MDT 报文结构

MDT 的报文结构如图6 所示，目的地址是255（广播），源地址是0 （只有主站有权发送同步报文）， 帧长度小于2000，控制字是0xC800 或0xC900，数据域是MDT 数据。

图6 MDT 报文结构

2.3.5 GDT 报文结构

GDT 的报文结构如图7 所示， 目的地址是主站或从站，源地址是发送GDT 的主站或从站地址，帧长度为12～1000 字节，GDT 应答帧时为10 字节， 控制字的内容是0xD8XX 或0xD9XX 或0xDAXX， 数据域是GDT 数据帧时，6 个字节的数据控制字加非周期数据；GDT 应答帧时为4 字节的站点时间值。

图7 GDT 报文结构

3 工作时序设计

新技术方案的Gsk-Link 现场总线工作时序见图8。

图8 总线工作时序

（1）Tscyc：通讯周期时间，保留2 次重传时间最小值为100μS。 ①MST 时间=（2+14）×8clk=112clk=1.28μS；②MST 与MDT 的间隔时间=64clk=0.64μS； ③MDT 时间=（2+10+6×n）×8clk，n 为从站数，10 为从站MDT 的数据长度 （最 短 为4）； ④MDT 与GDT 的 间 隔 时 间=64clk=0.64μS；⑤GDT 时间=（2+10+2+n）×8clk，n 为GDT 电报的数据长度；⑥GDT 应答时间=（2+14）×8clk=1.28μS；⑦从站延时时间=n×32clk，n 为从站个数； ⑧每个周期的非传输时间间隔5μS。

（2）t1：t1 的时间设置是为了MST 开始传输时， 通信环路处于空闲状态，该时间必须大于5μS。 当时间处于通讯周期的结束区域，且时间小于5μS 时，所有站点丢弃正在传输的数据，等待MST 指令的到来。

（3）t2：MDT 帧完成传输时间，小于最大传输时间。

（4）t3：最大开始传输时间。

4 总线偶发故障诊断设计

总线诊断除基本的初始化错误状态外， 进入正常通信后，各个从站在判断接收到状态字时，首先判断状态字值，当是有效MDT 状态时，有效MDT 寄存器计数加1；当是无效MDT 状态时，无效MDT 寄存器加1；当是无MDT状态时，无MDT 寄存器计数加1；当总线异常断开时，保存有效MDT 寄存器、无效MDT 寄存器及无MDT 寄存器的数据。总线再次初始化成功后，把这三个寄存器的数据上传到主站，主站通过收到各个从站的MDT 寄存器计数最终诊断出是哪一个从站出现故障， 这种诊断方法能够快速准确的查找总线偶发性断开的故障点[5]。 如图9（a）表示主站与从站之间有故障， 主站连接从站的端口及主站连接从站的线有问题；图9（b）表示从站1 与从站2 之间有故障，从站1 与从站2 的端口或连接线有问题。

图9 总线工作阶段故障时计数

5 总线场景应用

基于Gsk-Link 现场总线的技术方案已应用在GSK GR-C 工业机器人系统、GSK980TC3/TB3i 及GSK218MC系统中， 可以连接多轴伺服从站、I/O 从站和焊机卡从站等，可以根据不同的从站需求设置不同的周期数据长度，如多轴服伺可以设置为96 字节满足同时6 轴伺服数据通讯、I/O 可以设置为32 字节， 可提供256 输入输出点及焊机卡从站可以设置为256 字节同一周期传输多组焊机的数据，同时满足偶发性故障诊断需求，见图10、图11。

图10 GSK RB-C 机器人系统Gsk-Link 应用

图11 数控系统Gsk-Link 诊断

6 结束语

基于Gsk-Link现场总线的技术方案的设计， 解决了连接32 个以上从站的局限问题、 快速诊断Gsk-Link 偶发性断网故障点问题、 焊机从站获取256 字节的问题及单个从站多轴伺服数据传输的问题。通过在广数的GSK GR-C 工业机器人系统、GSK980TC3/TB3i 及GSK218MC系统中的应用，验证了基于Gsk-Link 现场总线的通讯技术方案的可行性。 本方案的实施可以有效地提升广数的数控系统与机器人系统的产品在市场中的竞争力， 同时为现场总线技术设计与应用提供了参考。