專利名稱：數(shù)控系統(tǒng)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器及通信控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信控制裝置及方法，特別涉及一種實時以太網(wǎng)精確時間同步的數(shù)控通信裝置及方法，適合通過實時以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的內(nèi)部互聯(lián)，實現(xiàn)強同步、強實時的信息傳輸。
背景技術(shù)：
數(shù)控系統(tǒng)中，內(nèi)部控制器向伺服驅(qū)動器傳輸命令的傳統(tǒng)方式是采用脈沖串或模擬電壓的形式，這種控制方式只適合于數(shù)控機床加工速度和控制精度都不太高的場合，難以滿足多通道、高速、高精度的加工要求。為了提高加工速度和加工精度，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部控制器和伺服驅(qū)動器之間需要采用數(shù)字通信的方式，如現(xiàn)場總線等。和模擬量、脈沖串方式相比，現(xiàn)場總線是一種較好的通信方法，有較高的實時性和可靠性，能滿足數(shù)控機床高速、高精度的加工要求。
近年來，以太網(wǎng)的傳輸速率已經(jīng)遠遠超過了專用現(xiàn)場總線，其技術(shù)成熟性、應(yīng)用的普及性、高的通信速率以及低廉的價格為將以太網(wǎng)引入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部之間的通信創(chuàng)造了條件。但是，由于以太網(wǎng)是為大數(shù)據(jù)量和非實時數(shù)據(jù)傳輸而開發(fā)的，其數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在的不確定性，不能滿足數(shù)控機床高速、高精加工所要求的強實時、強同步數(shù)據(jù)傳輸要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種數(shù)控系統(tǒng)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器，同時提供利用該網(wǎng)絡(luò)控制器的通信控制方法，目的在于通過實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器，將具有以太網(wǎng)接口的數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部控制器、執(zhí)行裝置和反饋裝置連接起來，實現(xiàn)這些裝置的強實時、強同步的信息傳輸。
本發(fā)明的一種數(shù)控系統(tǒng)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器，包括以太網(wǎng)交換機芯片、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)連接接口，以太網(wǎng)交換機芯片與中央處理器通過介質(zhì)無關(guān)接口相連，以太網(wǎng)交換機芯片通過網(wǎng)絡(luò)連接接口連接接入設(shè)備，所述接入設(shè)備包含主站和所有從站，主站為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部控制器，從站為數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動器、輸入輸出接口等執(zhí)行裝置和位置、速度測量等反饋裝置，其中(1)以太網(wǎng)交換機芯片包括n個物理層協(xié)議模塊、n+1個介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊、交換引擎模塊、以及介質(zhì)無關(guān)接口，n為4～64；各物理層協(xié)議模塊一端通過網(wǎng)絡(luò)連接接口連接接入設(shè)備，另一端連接介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊，完成各接入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接接口物理層協(xié)議功能；各介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊與交換引擎模塊雙向連接，完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議功能；交換引擎模塊在接入端口檢測到一個報文時，檢查該報文的報文頭，獲取報文的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表找到相應(yīng)的輸出接口，在輸入與輸出之間建立連接，把數(shù)據(jù)報文直通到相應(yīng)的輸出接口實現(xiàn)交換功能；如果目的地址為廣播地址，則將接入端口和其它所有的輸出接口相連；介質(zhì)無關(guān)接口將中央處理器CPU與以太網(wǎng)交換機芯片相連；(2)中央處理器CPU包括定時器、存儲器、實時時鐘模塊和介質(zhì)無關(guān)接口；
定時器包括周期定時器和發(fā)送定時器，周期定時器周期性產(chǎn)生時間中斷信號，發(fā)送定時器按設(shè)定的時間值產(chǎn)生中斷信號；存儲器存儲實時確定性通信調(diào)度控制程序、精確時鐘同步程序和報文；實時時鐘模塊提供CPU的精確時鐘；介質(zhì)無關(guān)接口將中央處理器CPU與交換機芯片相連。
本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)實時同步通信控制方法，實現(xiàn)具有以太網(wǎng)接口的接入設(shè)備時鐘同步及實時、同步信息傳輸，包括系統(tǒng)初始化步驟，為各接入設(shè)備設(shè)定報文發(fā)送次序及所占用時間；通過在網(wǎng)絡(luò)上反復(fù)多次發(fā)送測試報文測量得到同步網(wǎng)絡(luò)控制器到各接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)延時di；通信步驟，不斷重復(fù)下述過程(1)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器向系統(tǒng)中的所有接入設(shè)備發(fā)送同步報文，該同步報文發(fā)到線路上時，實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器取本地精確時刻Tm；各接入設(shè)備接收到該同步報文時，記錄各接入設(shè)備本地精確時刻Tsi；(2)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送跟隨報文，將本地精確時鐘Tm發(fā)送給所有接入設(shè)備，其中包含主站發(fā)給各從站的數(shù)據(jù)；各接入設(shè)備接收到Tm后，計算時鐘偏差Oi＝Tsi-Tm-di；并根據(jù)時鐘偏差Oi值調(diào)整各接入設(shè)備本地時鐘；各從站收到跟隨報文后從中取出自己所要數(shù)據(jù)；(3)各從站按預(yù)先設(shè)定的次序依次向?qū)崟r同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送從站到主站的上行報文SDi；(4)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器將各從站的上行報文SDi組包后生成組合上行報文SD發(fā)給主站；(5)主站向?qū)崟r同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送一般下行報文MD，轉(zhuǎn)過程(1)。
所述的數(shù)控系統(tǒng)實時同步通信控制方法，其特征在于，所述下行報文及上行報文的幀格式為報文頭、報文類、時間、數(shù)據(jù)區(qū)、報文尾；(1)報文頭包括源地址、目標(biāo)地址和協(xié)議類型；(2)報文類用于區(qū)別下行報文及上行報文，下行報文又分為同步報文，跟隨報文和一般下行報文；(3)時間存放實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)給各接入設(shè)備的對時時間；(4)數(shù)據(jù)區(qū)包含對應(yīng)各從站的有效數(shù)據(jù)，包括從站邏輯地址、控制字/狀態(tài)字、非周期數(shù)據(jù)及周期數(shù)據(jù)；從站邏輯地址即從站的編號，用來標(biāo)識不同的從站，從1到255；控制字用于傳輸主站給從站的控制命令，狀態(tài)字用于向主站反饋從站的運行狀態(tài)；非周期數(shù)據(jù)存放非周期類數(shù)據(jù)，包括從站的報警和用戶定義的非周期數(shù)據(jù)；周期數(shù)據(jù)存放主之間傳輸?shù)闹芷跀?shù)據(jù)信息，在下行報文中存放位置、速度、扭矩等控制指令，在上行報文中存放各從站實際位置、速度、扭矩等狀態(tài)數(shù)據(jù)；(5)報文尾是4字節(jié)的循環(huán)冗余校驗碼，用于數(shù)據(jù)校驗。
將本發(fā)明與用于數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)進行比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器采用以太網(wǎng)通用芯片，通用性好；(2)采用實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器進行通信的同步實時控制；將同步、數(shù)據(jù)組合處理以及通信功能從數(shù)控系統(tǒng)中分離出來，減輕了數(shù)控系統(tǒng)的負擔(dān)；
(3)將精確同步方法和實時通信控制方法有機結(jié)合，減輕了通信負載。
(4)縮短了數(shù)控系統(tǒng)的插補周期。對于1 6軸數(shù)控系統(tǒng)，插補周期可以到0.5毫秒，同步誤差小于1微秒。


圖1本發(fā)明實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2下行報文及上行報文的幀格式；圖3一個通信周期網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)的情況；圖4實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器的處理流程；圖5主站的處理流程；圖6從站的處理流程。
具體實施例方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的實施方式。
圖1所示為實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器包括以太網(wǎng)交換機芯片、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)連接接口，其中(1)以太網(wǎng)交換機芯片包括8個物理層協(xié)議模塊、9個介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊、交換引擎模塊、以及介質(zhì)無關(guān)接口；選用Realtek公司的RTL8039SB(工作溫度0℃到70℃)，也可以選用其它的帶有介質(zhì)無關(guān)接口MII的交換機芯片；(2)中央處理器CPU包括定時器、存儲器、實時時鐘模塊和介質(zhì)無關(guān)接口；CPU選用atmel公司的AT91SAM7X256(-40℃到85℃)，也可以選用其它帶有以太網(wǎng)接口的CPU；(3)網(wǎng)絡(luò)連接接口選用RJ45接口。
當(dāng)一個接入設(shè)備有數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先通過RJ45接口傳給以太網(wǎng)交換機芯片的物理層協(xié)議模塊，由物理層協(xié)議模塊傳給介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊，再傳給交換引擎。交換引擎將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的端口的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊，再傳給物理層協(xié)議模塊，最后通過RJ45傳給目的接入設(shè)備。
如圖2所示下行報文及上行報文的幀格式為報文頭、報文類、時間、數(shù)據(jù)區(qū)、報文尾；數(shù)據(jù)區(qū)包含對應(yīng)各從站的有效數(shù)據(jù)，包括從站邏輯地址、控制字/狀態(tài)字、非周期數(shù)據(jù)及周期數(shù)據(jù)。
圖3所示為一個通信周期網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)的情況，為避免沖突，按時間順序網(wǎng)絡(luò)上依次傳輸?shù)膱笪臑閷崟r同步網(wǎng)絡(luò)控制器傳給所有接入設(shè)備的同步報文、跟隨報文、各從站傳給實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器的上行報文SDi、實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器傳給主站的組合上行報文SD、主站傳給實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器的下行報文MD。
圖中，T0同步報文占用總線的時刻到SD1占用總線時刻之間的時間長度；n系統(tǒng)中從站的個數(shù)；L一個報文所占用的網(wǎng)絡(luò)時間長度。
報文發(fā)送時刻和發(fā)送定時器時間的計算方法為(1)各從站開始發(fā)送上行報文SDi的時刻TCTC＝Tm+T0+(i-1)L其中，Tm是本周期開始時由跟隨報文傳來的精確時刻，i為設(shè)備的序號，從站序號從1到n，網(wǎng)絡(luò)控制器編號為n+1，主站編號為n+2；從站在調(diào)整本地時間后，設(shè)定發(fā)送定時器的時間為TC-Tm；(2)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器開始發(fā)送組合上行報文SD的時刻通過下面公式進行計算T＝Tm+T0+(i-1)L+T1T1為實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器組合處理上行報文SDi生成組合上行報文SD所需要的時間；設(shè)定發(fā)送定時器的時間為T-Tm；(3)主站開始發(fā)送下行報文MD的時間TZ
TZ＝Tm+T0+(i-1)L+T1主站在調(diào)整本地時間后，設(shè)定發(fā)送定時器的時間為TZ-Tm；實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器的處理流程如圖4所示(1)初始化處理，設(shè)定參數(shù)T0，i，L和T1；測量同步網(wǎng)絡(luò)控制器到各接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)延時di；(2)設(shè)置并啟動周期定時器；(3)設(shè)定發(fā)送定時器時間并啟動；(4)發(fā)送同步報文；(5)取本地精確時刻Tm；(6)將本地精確時鐘Tm發(fā)送給所有接入設(shè)備，其中包含主站發(fā)給各從站下行數(shù)據(jù)的跟隨報文；(7)依次接收所有從站發(fā)送的上行報文SDi；(8)將所有SDi組包后生成組合上行報文SD；(9)發(fā)送定時器時間到時，將組合上行報文SD發(fā)給主站；(10)等待接收來自主站的一般下行報文MD；(11)周期定時器時間到，回到步驟(3)，進入下一個周期。主站的處理流程如圖5所示(1)初始化處理，設(shè)定報文發(fā)送次序及所占用時間；測量同步網(wǎng)絡(luò)控制器到本接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)延時di；(2)等待并接收同步報文；(3)記錄本地精確時刻Tsi；(4)等待并接收跟隨報文并讀取其中的Tm；(5)計算時鐘偏差Oi＝Tsi-Tm-di；(6)根據(jù)時鐘偏差Oi值調(diào)整本地時鐘；
(7)設(shè)置并啟動一般下行報文MD發(fā)送定時器；(8)等待并接收來自網(wǎng)絡(luò)控制器的組合上行報文SD；(9)準(zhǔn)備一般下行報文MD數(shù)據(jù)；(10)發(fā)送定時器時間到發(fā)送一般下行報文MD；(11)回到步驟(2)，進入下一個周期。
從站的處理流程如圖6所示(1)初始化處理，設(shè)定報文發(fā)送次序及所占用時間；測量同步網(wǎng)絡(luò)控制器到本接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)延時di；(2)等待并接收同步報文；(3)記錄本地精確時刻Tsi；(4)等待并接收跟隨報文并讀取其中的Tm；(5)計算時鐘偏差Oi＝Tsi-Tm-di；(6)根據(jù)時鐘偏差Oi值調(diào)整本地時鐘；(7)設(shè)置并啟動上行報文SDi發(fā)送定時器；(8)從跟隨報文中讀取主站發(fā)給從站的數(shù)據(jù)；(9)準(zhǔn)備上行報文SDi數(shù)據(jù)；(10)發(fā)送定時器時間到發(fā)送上行報文SDi；(11)回到步驟(2)，進入下一個周期。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控系統(tǒng)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器，包括以太網(wǎng)交換機芯片、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)連接接口，以太網(wǎng)交換機芯片與中央處理器通過介質(zhì)無關(guān)接口相連，以太網(wǎng)交換機芯片通過網(wǎng)絡(luò)連接接口連接接入設(shè)備，所述接入設(shè)備包含主站和所有從站，主站為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部控制器，從站為數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動器、輸入輸出接口等執(zhí)行裝置和位置、速度測量等反饋裝置，其中(1)以太網(wǎng)交換機芯片包括n個物理層協(xié)議模塊、n+1個介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊、交換引擎模塊、以及介質(zhì)無關(guān)接口，n為4～64；各物理層協(xié)議模塊一端通過網(wǎng)絡(luò)連接接口連接接入設(shè)備，另一端連接介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊，完成各接入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接接口物理層協(xié)議功能；各介質(zhì)訪問控制層協(xié)議模塊與交換引擎模塊雙向連接，完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議功能；交換引擎模塊在接入端口檢測到一個報文時，檢查該報文的報文頭，獲取報文的目的地址，啟動內(nèi)部的動態(tài)查找表找到相應(yīng)的輸出接口，在輸入與輸出之間建立連接，把數(shù)據(jù)報文直通到相應(yīng)的輸出接口實現(xiàn)交換功能；如果目的地址為廣播地址，則將接入端口和其它所有的輸出接口相連；介質(zhì)無關(guān)接口將中央處理器CPU與以太網(wǎng)交換機芯片相連；(2)中央處理器CPU包括定時器、存儲器、實時時鐘模塊和介質(zhì)無關(guān)接口；定時器包括周期定時器和發(fā)送定時器，周期定時器周期性產(chǎn)生時間中斷信號，發(fā)送定時器按設(shè)定的時間值產(chǎn)生中斷信號；存儲器存儲實時確定性通信調(diào)度控制程序、精確時鐘同步程序和報文；實時時鐘模塊提供CPU的精確時鐘；介質(zhì)無關(guān)接口將中央處理器CPU與交換機芯片相連。
2.數(shù)控系統(tǒng)實時同步通信控制方法，實現(xiàn)具有以太網(wǎng)接口的接入設(shè)備時鐘同步及實時、同步信息傳輸，包括系統(tǒng)初始化步驟，為各接入設(shè)備設(shè)定報文發(fā)送次序及所占用時間；通過在網(wǎng)絡(luò)上反復(fù)多次發(fā)送測試報文測量得到同步網(wǎng)絡(luò)控制器到各接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)延時di；通信步驟，不斷重復(fù)下述過程(1)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器向系統(tǒng)中的所有接入設(shè)備發(fā)送同步報文，該同步報文發(fā)到線路上時，實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器取本地精確時刻Tm；各接入設(shè)備接收到該同步報文時，記錄各接入設(shè)備本地精確時刻Tsi；(2)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送跟隨報文，將本地精確時鐘Tm發(fā)送給所有接入設(shè)備，其中包含主站發(fā)給各從站的數(shù)據(jù)；各接入設(shè)備接收到Tm后，計算時鐘偏差Oi＝Tsi-Tm-di；并根據(jù)時鐘偏差Oi值調(diào)整各接入設(shè)備本地時鐘；各從站收到跟隨報文后從中取出自己所要數(shù)據(jù)；(3)各從站按預(yù)先設(shè)定的次序依次向?qū)崟r同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送從站到主站的上行報文；(4)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器將各從站的上行報文組包后生成組合上行報文發(fā)給主站；(5)主站向?qū)崟r同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送一般下行報文，轉(zhuǎn)過程(1)。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)控系統(tǒng)實時同步通信控制方法，其特征在于，所述下行報文及上行報文的幀格式為報文頭、報文類、時間、數(shù)據(jù)區(qū)、報文尾；(1)報文頭包括源地址、目標(biāo)地址和協(xié)議類型；(2)報文類用于區(qū)別下行報文及上行報文，下行報文又分為同步報文，跟隨報文和一般下行報文；(3)時間存放實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)給各接入設(shè)備的對時時間；(4)數(shù)據(jù)區(qū)包含對應(yīng)各從站的有效數(shù)據(jù)，包括從站邏輯地址、控制字/狀態(tài)字、非周期數(shù)據(jù)及周期數(shù)據(jù)；從站邏輯地址即從站的編號，用來標(biāo)識不同的從站，從1到255；控制字用于傳輸主站給從站的控制命令，狀態(tài)字用于向主站反饋從站的運行狀態(tài)；非周期數(shù)據(jù)存放非周期類數(shù)據(jù)，包括從站的報警和用戶定義的非周期數(shù)據(jù)；周期數(shù)據(jù)存放主之間傳輸?shù)闹芷跀?shù)據(jù)信息，在下行報文中存放位置、速度、扭矩等控制指令，在上行報文中存放各從站實際位置、速度、扭矩等狀態(tài)數(shù)據(jù)；(5)報文尾是4字節(jié)的循環(huán)冗余校驗碼，用于數(shù)據(jù)校驗。
全文摘要
數(shù)控系統(tǒng)實時同步網(wǎng)絡(luò)控制器及通信控制方法，屬于通信控制裝置及方法，目的在于將具有以太網(wǎng)接口的數(shù)控系統(tǒng)底層接入設(shè)備連接起來，實現(xiàn)強實時、強同步信息傳輸。本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)控制器，包括以太網(wǎng)交換機芯片、中央處理器和網(wǎng)絡(luò)連接接口；本發(fā)明通信控制方法，包括系統(tǒng)初始化步驟和通信步驟，通信步驟重復(fù)下述通信周期(1)發(fā)送同步報文；(2)發(fā)送跟隨報文；(3)各從站依次發(fā)送上行報文；(4)將上行報文組包生成組合上行報文發(fā)給主站；(5)主站發(fā)送一般下行報文。本發(fā)明采用以太網(wǎng)通用芯片，通用性好；對于16軸數(shù)控系統(tǒng)，插補周期可以到0.5毫秒，同步誤差小于1微秒。
文檔編號H04L12/56GK101083657SQ20071005260
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者唐小琦, 白玉成, 陳吉紅, 李銀剛, 張向利, 任清榮, 周會成, 周向東 申請人:華中科技大學(xué)