一台以 8,000 mm/min 切割 400 美元铝板的数控雕刻机，靠 PC 送来的一串精确定时的步进脉冲运行。连接该 PC 与运动控制器的 USB 电缆传输这些脉冲—同时还传输 5 V 直流电源，以及一条在 PC 主板与机床机架之间共用的接地线。当 PC 的电源出现接地故障—这是车间运行 3 至 5 年后常见的失效模式—或者当主轴变频器向接地平面注入高频噪声时，USB 连接会中断 200 毫秒。PC 操作系统重新枚举 USB 设备。运动控制器丢失位置。刀具继续移动—或者停止移动—但 PC 已不知道它在哪里。结果，最好的情况是工件报废。最坏的情况是刀具扎进工作台。相比之下，基于以太网的运动控制器通过电缆两端的以太网变压器耦合与 PC 实现电气隔离。PC 侧的接地故障不会传导到运动控制器。如果 PC 崩溃并停止发送数据包，控制器板载的运动缓冲区会继续执行最后一个有效轨迹，然后将机床带到受控停止。本文解释 USB 与以太网数控控制在电气层面和协议层面的差异—以及为什么通信接口的选择直接决定了 PC 不可避免地失效时会发生什么。
电气问题：USB 共用接地参考
USB 2.0 是一种单端信号协议，主机与设备之间共用接地参考。USB 电缆的四根线—VBUS（+5V）、D+、D− 和 GND—将 PC 接地平面直接连接到运动控制器接地平面。这两个地之间的任何电压差—来自接地环路、变频器开关瞬变、电源故障或静电放电—都会作为共模噪声出现在 D+ 和 D− 线上。USB 的差分接收器可以抑制大约 2 V 以内的共模噪声。超过这个值，接收器饱和，出现数据错误，USB 主机控制器复位连接。此时运动控制器—已断开连接并等待重新枚举—处于失明状态。机床正在运动，却没有轨迹控制器。
以太网（10/100/1000BASE-T）在两端都采用变压器耦合。CAT5e 或 CAT6 电缆中的每一对双绞线都经过一个额定 1,500 V RMS 耐压的 1:1 隔离变压器。PC 地与运动控制器地之间没有电气连接通路。PC 侧因接地故障使其机壳升到 120 V AC，这一电压也不会出现在运动控制器上。数据信号通过变压器交流耦合；共模直流和低频交流电压被完全阻断。正是这单一的设计差异—隔离变压器—使工业自动化标准化采用基于以太网的现场总线（EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP），而不是 USB。
协议可靠性：数据包与等时流
USB 使用等时或批量传输模式：主机发起每一笔事务，设备作出响应。如果一笔事务失败—CRC 错误、超时或总线复位—主机会重试。在重试窗口期间，没有新的运动指令到达控制器。运动控制器必须自主决定该怎么做。大多数 USB 运动控制器的处理方式是停止—立即停止，不减速，因为控制器没有板载轨迹规划器来计算减速斜坡。刀具停下是因为步进脉冲停了。机床丢失位置，是因为 PC 的位置计数器在重试窗口期间继续累加，而控制器从未收到这些步进脉冲。
基于以太网的运动控制器采用带缓冲的指令模型。PC 或数控软件将轨迹段—通常为 50 至 200 毫秒的运动—发送到控制器中的先进先出（FIFO）缓冲区。控制器自主执行已缓冲的轨迹段，每段完成后向 PC 回送一个状态数据包。如果 PC 发送下一段迟到—因为 Windows 决定运行后台更新、因为以太网交换机丢了一个包、因为 PC 崩溃—控制器缓冲区中仍有 50 至 200 毫秒的有效轨迹数据。它继续执行该轨迹，同时发出缓冲区欠载警告。如果缓冲区在 PC 恢复之前被取空，控制器会使用其固件中编程的加速度参数减速至受控停止。机床停在软件预期的位置。位置得以保留。工件不一定报废—操作员可以从最后一个完成的轨迹段重新开始。
两种接口各能提供多少延迟？
USB 2.0 每个微帧的理论延迟为 125 µs，在 USB 总线轻载时典型的命令-响应往返延迟为 0.5 至 2 ms。这足以用于高达 500 kHz 的数控步进脉冲生成—远高于大多数步进驱动器 50 至 100 kHz 的实际上限。USB 的延迟问题不在平均值—而在最坏情况。一次 USB 总线复位就会增加 100 至 500 ms 的延迟。一次挂起 USB 根集线器的 Windows 电源管理事件，会增加 500 ms 到数秒。
采用实时协议（EtherCAT、RT-Preempt Linux，或带 UDP 指令流的专用运动控制器）的以太网，可提供 50 至 200 µs 的往返延迟—比 USB 更低、更具确定性。原始速度的优势并不大。确定性优势—最坏情况延迟与平均值相差不超过 2 倍，而不是 100 倍—才是运动控制所看重的。
什么情况下 USB 仍适用于数控控制？
USB 适用于爱好者级和轻载数控机床：工件失效的成本低于 100 美元、机床不无人值守运行、运行控制软件的 PC 专用于该单一任务且已禁用 USB 电源管理。USB 也适用于配有急停回路、可独立于运动控制器切断电机电源的机床—如果 USB 连接断开，操作员按下急停，无论控制器做什么，机床都会停下。对于任何一旦不受控停止就可能造成人身伤害、刀具损坏，或工件成本高于以太网控制器升级费用—大约 200 至 500 美元—的机床，USB 都是错误的选择。
USB 与以太网在数控控制上的差别不是速度—而是生存能力。USB 与 PC 共用接地，无法在 PC 失效时存活。以太网是隔离的、带缓冲的，其设计目的就是在 PC 停止通信时把机床带到受控停止。如果工件价值超过 USB 与以太网运动控制器之间的成本差—也就是说，对几乎任何切削金属的机床而言—那么 PC 第一次崩溃而刀具没有出事的那一次，就收回了以太网控制器的成本。
