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重要标志。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之间越来越多地采用数字通信方式。现场总线技术已经成为高档数控系统数字通信的首选方式。数控系统现场总线在复杂工业现场环境下工作的稳定性与可靠性、故障发生后的诊断技术以及其自愈能力是保证数控系统工作可靠性的关键。因此,本论文围绕这个主题展开以下研究。分析了数控系统现场总线组件的可靠性设计方法;研究了冗余机制与拓扑结构实时重构方法,设计了一种实现现场总线拓扑结构实时重构的通信单元,有效地提高了环型拓扑结构的冗余能力和自愈能力。研究了检错码机制,实现了一种基于硬件描述语言(HDL)与现场可编程门阵列(FPGA)的现场总线数据报文动态CRC校验,结合反馈重发机制实现了数控系统现场总线差错控制机制,有效地保证了数据传输的可靠性。研究并实现了一种数控系统现场总线故障自主定位诊断方法,给人工处理提供有效信息,提高了发现故障、排除故障的效率。设计并开发了基于“DSP+FPGA+PHY+网络变压器”的数控系统现场总线通信单元,包括硬件设计与逻辑实现;搭建实验验证平台,对数控系统现场总线的可靠性与诊断功能进行了初步的测试分析与实验验证。