基于RS422通信板實現(xiàn)分布式DNC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機械制造業(yè)從單機自動化發(fā)展到分布式DNC控制系統(tǒng)，在技術(shù)上首先要解決的是數(shù)控機床計算機（上位機）的信息交換和互聯(lián)問題，這是實現(xiàn)DNC控制的核心問題。開發(fā)了一塊PC機用RS422通信板，并且自行定義了一套可靠而行之有效的通信協(xié)議。

1、 DNC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本DNC控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)采用兩級主從總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

1） 物理層 采用平衡型標準RS422接口，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谛碌钠胶庑蜆藴蔙S422中（見圖），發(fā)送器與接收器均以差分方式工作，每個信號用兩根導(dǎo)線傳輸，整個接口無需共用信號線就可以正常工作。信號的電平由兩根導(dǎo)線上的信號的差值來表示，電壓范圍為-6～+6V，相對于其中的一根導(dǎo)線來說，差值為+4～+6V表示二進制的“0”，差值為-4～-6V表示二進制的“1”。對于新的平衡型標準RS422來說，當(dāng)傳輸距離達到1000m時，信號傳輸速率在100kb/s以下，在10m以內(nèi)的近距離傳輸中，速率可達10Mb/s。由于每個信號均用雙線傳輸，這種差分平衡結(jié)構(gòu)能從地線的干擾中分離出有效信號，差分接收器可區(qū)分0.20V以上的電位差，因此，可不受對地參考系統(tǒng)之地電位的波動和共模電磁干擾的影響。

2） 鏈路層 本DNC系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用異步串行通信方式。系統(tǒng)約定：數(shù)據(jù)的傳輸采用正反碼校驗：命令字和狀態(tài)字在發(fā)送時，必須先發(fā)送兩個BREAK，然后發(fā)送命令字或狀態(tài)字，再發(fā)送其反碼：文件傳輸時，32個字節(jié)（正反碼）組成一個信息包。

3） 應(yīng)用層 這一層是面向用戶的，主要為命令的輸入和傳輸結(jié)果的說明。其中命令的輸入包括上位機對下位機實時控制命令的輸入和文件傳輸命令的輸入。傳輸結(jié)果的說明有兩種：當(dāng)命令或文件正確傳輸時，在屏幕上顯示正確傳輸標志：當(dāng)命令或文件錯誤傳輸時，在屏幕上顯示錯誤傳輸標志。

2、 本DNC控制系統(tǒng)通信規(guī)程的約定

為了使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同結(jié)點之間能夠正確進行數(shù)據(jù)通信，通信雙方就必須有一套彼此能夠相互了解和共同遵守的規(guī)則和約定，這些格式、約定及應(yīng)答關(guān)系概括起來就叫做通信規(guī)程。

本DNC控制系統(tǒng)為主從總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上位機執(zhí)行著整個系統(tǒng)的組織和管理。因此系統(tǒng)的通信規(guī)程是不平衡型的：上位機發(fā)送命令、接收響應(yīng)并負責(zé)鏈路級的差錯恢復(fù)：下位機發(fā)送響應(yīng)、接收命令。

1） 通信信息及地址的編碼

系統(tǒng)中RS422總線的一點對多點的通信是將所有下位機的接收端并聯(lián)在總線上，接至上位機的發(fā)送端：而將所有下位機的發(fā)送端并聯(lián)在總線上，接至上位機的接收端。因此，選擇下位機和分辨下位機，確定通信路徑是完成通信的第一步。

本系統(tǒng)采用一個字節(jié)來傳遞命令信息加地址信息或狀態(tài)信息加地址信息，分別稱為命令字、狀態(tài)字。從上位機向下位機傳送的為命令字，從下位機向上位機傳送的為狀態(tài)字。字節(jié)中地址信息占用字節(jié)的低四位，編碼為1～3。命令信息或狀態(tài)信息占用字節(jié)的高四位，地址信息、命令信息、狀態(tài)信息都應(yīng)該是獨立和唯一的。

例如，急停命令信息編碼040，若上位機想控制地址編碼為1的正在加工的機床急停，則發(fā)送命令字應(yīng)為041，該機床就會執(zhí)行相應(yīng)的動作，其他機床不予理會。又例如，若上位機接收到一個為02的狀態(tài)字，由于編輯狀態(tài)信息編碼為000，故可相應(yīng)判別出此狀態(tài)字為地址編碼為2的機床的編輯狀態(tài)信息。

2） 命令字、狀態(tài)字和文件傳輸?shù)耐ㄐ偶s定

在本DNC系統(tǒng)通信中，通信的內(nèi)容除了有命令和狀態(tài)，還有文件的傳輸，而文件中的字符是隨機的，很可能會被某臺機床誤認為是對本機床的命令字而發(fā)生誤動作：另外，由于電磁干擾和網(wǎng)絡(luò)沖突的存在，接到的字符也可能并不是發(fā)送的字符。因此，為保證通信的可靠性和正確性，應(yīng)該在通信設(shè)計中采取某些通信約定。

本DNC控制系統(tǒng)采用了特殊字符的雙字符啟動和正反碼校驗技術(shù)來實現(xiàn)上述目的。正反碼校驗技術(shù)是指在發(fā)送完字符的正碼后，接著發(fā)送其反碼，這樣接收方就可根據(jù)前后兩字符是否為反碼來判斷接收是否正確。正反碼校驗技術(shù)對每一字符的每一位都進行校驗，比傳統(tǒng)的奇偶校驗及累加和校驗要可靠得多。特殊啟動字符BREAK規(guī)定為0X80，低四位字節(jié)為零，由于下位機的地址編碼為1～3，故命令字與狀態(tài)字都不會出現(xiàn)與BREAK相同的字符：文件傳輸中也采用正反碼校驗技術(shù)，因此文件傳輸中也不會出現(xiàn)連續(xù)的兩個BREAK字符，保證了正確啟動，不會引起誤動作。

系統(tǒng)中約定不論是上位機發(fā)送命令，還是下位機發(fā)送狀態(tài)，都必須先發(fā)送兩個連續(xù)的BREAK，然后發(fā)送命令字或狀態(tài)字，再接著發(fā)送其反碼，這樣連續(xù)幾個字符稱為一幀。

在這樣的通信約定下，對于下位機來說，只有在它接收到符合約定的命令幀后，才判斷接收到了正確的命令字，進而判斷該命令是否為上位機對本機的命令。如果是，則返回正確的響應(yīng)，否則不予理睬。上位機在接收到下位機的正確響應(yīng)后，就了解到下位機已經(jīng)正確接收了：若上位機在規(guī)定的時間內(nèi)（至少為幀往返總線一周所用時間）接收不到正確響應(yīng)，上位機會三次重發(fā)來糾錯。對于上位機也是如此，只有在它接收到符合約定的狀態(tài)幀后，才認為接收到了正確的狀態(tài)字。

采用Borland C++ 3.1 for DOS語言與Z80匯編語言編寫了通信功能模塊和DNC系統(tǒng)的其他功能模塊。

3 、結(jié)語

該DNC控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于浙江華能數(shù)控研究所的三面打孔機系統(tǒng)中，并在邯鄲冶金機械備件廠得到推廣。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，達到預(yù)期的控制目的，證明RS422通信可靠。