CN101083657A - 数控系统实时同步网络控制器及通信控制方法 - Google Patents

Abstract

数控系统实时同步网络控制器及通信控制方法，属于通信控制装置及方法，目的在于将具有以太网接口的数控系统底层接入设备连接起来，实现强实时、强同步信息传输。本发明网络控制器，包括以太网交换机芯片、中央处理器和网络连接接口；本发明通信控制方法，包括系统初始化步骤和通信步骤，通信步骤重复下述通信周期：(1)发送同步报文；(2)发送跟随报文；(3)各从站依次发送上行报文；(4)将上行报文组包生成组合上行报文发给主站；(5)主站发送一般下行报文。本发明采用以太网通用芯片，通用性好；对于16轴数控系统，插补周期可以到0.5毫秒，同步误差小于1微秒。

Description

数控系统实时同步网络控制器及通信控制方法

技术领域

本发明属于通信控制装置及方法，特别涉及一种实时以太网精确时间同步的数控通信装置及方法，适合通过实时以太网实现数控设备的内部互联，实现强同步、强实时的信息传输。

背景技术

数控系统中，内部控制器向伺服驱动器传输命令的传统方式是采用脉冲串或模拟电压的形式，这种控制方式只适合于数控机床加工速度和控制精度都不太高的场合，难以满足多通道、高速、高精度的加工要求。为了提高加工速度和加工精度，数控系统内部控制器和伺服驱动器之间需要采用数字通信的方式，如现场总线等。和模拟量、脉冲串方式相比，现场总线是一种较好的通信方法，有较高的实时性和可靠性，能满足数控机床高速、高精度的加工要求。

近年来，以太网的传输速率已经远远超过了专用现场总线，其技术成熟性、应用的普及性、高的通信速率以及低廉的价格为将以太网引入数控系统内部之间的通信创造了条件。但是，由于以太网是为大数据量和非实时数据传输而开发的，其数据在传输过程中存在的不确定性，不能满足数控机床高速、高精加工所要求的强实时、强同步数据传输要求。

发明内容

本发明提供一种数控系统实时同步网络控制器，同时提供利用该网络控制器的通信控制方法，目的在于通过实时同步网络控制器，将具有以太网接口的数控系统的内部控制器、执行装置和反馈装置连接起来，实现这些装置的强实时、强同步的信息传输。

本发明的一种数控系统实时同步网络控制器，包括以太网交换机芯片、中央处理器和网络连接接口，以太网交换机芯片与中央处理器通过介质无关接口相连，以太网交换机芯片通过网络连接接口连接接入设备，所述接入设备包含主站和所有从站，主站为数控系统内部控制器，从站为数控系统伺服驱动器、输入输出接口等执行装置和位置、速度测量等反馈装置，其中：

(1)以太网交换机芯片包括n个物理层协议模块、n+1个介质访问控制层协议模块、交换引擎模块、以及介质无关接口，n为4～64；

各物理层协议模块一端通过网络连接接口连接接入设备，另一端连接介质访问控制层协议模块，完成各接入设备网络连接接口物理层协议功能；

各介质访问控制层协议模块与交换引擎模块双向连接，完成网络协议中数据链路层的介质访问控制层协议功能；

交换引擎模块在接入端口检测到一个报文时，检查该报文的报文头，获取报文的目的地址，启动内部的动态查找表找到相应的输出接口，在输入与输出之间建立连接，把数据报文直通到相应的输出接口实现交换功能；如果目的地址为广播地址，则将接入端口和其它所有的输出接口相连；

介质无关接口将中央处理器CPU与以太网交换机芯片相连；

(2)中央处理器CPU包括定时器、存储器、实时时钟模块和介质无关接口；

定时器包括周期定时器和发送定时器，周期定时器周期性产生时间中断信号，发送定时器按设定的时间值产生中断信号；

存储器存储实时确定性通信调度控制程序、精确时钟同步程序和报文；

实时时钟模块提供CPU的精确时钟；

介质无关接口将中央处理器CPU与交换机芯片相连。

本发明的数控系统实时同步通信控制方法，实现具有以太网接口的接入设备时钟同步及实时、同步信息传输，包括：

系统初始化步骤，为各接入设备设定报文发送次序及所占用时间；通过在网络上反复多次发送测试报文测量得到同步网络控制器到各接入设备的网络延时d_i；

通信步骤，不断重复下述过程：

(1)实时同步网络控制器向系统中的所有接入设备发送同步报文，该同步报文发到线路上时，实时同步网络控制器取本地精确时刻Tm；各接入设备接收到该同步报文时，记录各接入设备本地精确时刻Ts_i；

(2)实时同步网络控制器发送跟随报文，将本地精确时钟Tm发送给所有接入设备，其中包含主站发给各从站的数据；各接入设备接收到Tm后，计算时钟偏差O_i＝Ts_i-Tm-d_i；并根据时钟偏差O_i值调整各接入设备本地时钟；各从站收到跟随报文后从中取出自己所要数据；

(3)各从站按预先设定的次序依次向实时同步网络控制器发送从站到主站的上行报文SD_i；

(4)实时同步网络控制器将各从站的上行报文SD_i组包后生成组合上行报文SD发给主站；

(5)主站向实时同步网络控制器发送一般下行报文MD，转过程(1)。

所述的数控系统实时同步通信控制方法，其特征在于，所述下行报文及上行报文的帧格式为：报文头、报文类、时间、数据区、报文尾；

(1)报文头包括源地址、目标地址和协议类型；

(2)报文类用于区别下行报文及上行报文，下行报文又分为同步报文，跟随报文和一般下行报文；

(3)时间存放实时同步网络控制器发给各接入设备的对时时间；

(4)数据区包含对应各从站的有效数据，包括从站逻辑地址、控制字/状态字、非周期数据及周期数据；

从站逻辑地址即从站的编号，用来标识不同的从站，从1到255；

控制字用于传输主站给从站的控制命令，状态字用于向主站反馈从站的运行状态；

非周期数据存放非周期类数据，包括从站的报警和用户定义的非周期数据；

周期数据存放主之间传输的周期数据信息，在下行报文中存放位置、速度、扭矩等控制指令，在上行报文中存放各从站实际位置、速度、扭矩等状态数据；

(5)报文尾是4字节的循环冗余校验码，用于数据校验。

将本发明与用于数控系统的现场总线技术进行比较，本发明具有以下优点：

(1)实时同步网络控制器采用以太网通用芯片，通用性好；

(2)采用实时同步网络控制器进行通信的同步实时控制；将同步、数据组合处理以及通信功能从数控系统中分离出来，减轻了数控系统的负担；

(3)将精确同步方法和实时通信控制方法有机结合，减轻了通信负载。

(4)缩短了数控系统的插补周期。对于1 6轴数控系统，插补周期可以到0.5毫秒，同步误差小于1微秒。

附图说明

图1本发明实时同步网络控制器的结构示意图；

图2下行报文及上行报文的帧格式；

图3一个通信周期网络上传输数据的情况；

图4实时同步网络控制器的处理流程；

图5主站的处理流程；

图6从站的处理流程。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施方式。

图1所示为实时同步网络控制器的结构示意图；实时同步网络控制器包括以太网交换机芯片、中央处理器和网络连接接口，其中：

(1)以太网交换机芯片包括8个物理层协议模块、9个介质访问控制层协议模块、交换引擎模块、以及介质无关接口；选用Realtek公司的RTL8039SB(工作温度0℃到70℃)，也可以选用其它的带有介质无关接口MII的交换机芯片；

(2)中央处理器CPU包括定时器、存储器、实时时钟模块和介质无关接口；CPU选用atmel公司的AT91SAM7X256(-40℃到85℃)，也可以选用其它带有以太网接口的CPU；

(3)网络连接接口选用RJ45接口。

当一个接入设备有数据发送时，首先通过RJ45接口传给以太网交换机芯片的物理层协议模块，由物理层协议模块传给介质访问控制层协议模块，再传给交换引擎。交换引擎将数据转发给目的端口的介质访问控制层协议模块，再传给物理层协议模块，最后通过RJ45传给目的接入设备。

如图2所示：下行报文及上行报文的帧格式为：报文头、报文类、时间、数据区、报文尾；数据区包含对应各从站的有效数据，包括从站逻辑地址、控制字/状态字、非周期数据及周期数据。

图3所示为一个通信周期网络上传输数据的情况，为避免冲突，按时间顺序网络上依次传输的报文为：实时同步网络控制器传给所有接入设备的同步报文、跟随报文、各从站传给实时同步网络控制器的上行报文SD_i、实时同步网络控制器传给主站的组合上行报文SD、主站传给实时同步网络控制器的下行报文MD。

图中，T₀：同步报文占用总线的时刻到SD1占用总线时刻之间的时间长度；n：系统中从站的个数；L：一个报文所占用的网络时间长度。

报文发送时刻和发送定时器时间的计算方法为：

(1)各从站开始发送上行报文SD_i的时刻T_C：

T_C＝Tm+T₀+(i-1)L

其中，Tm是本周期开始时由跟随报文传来的精确时刻，i为设备的序号，从站序号从1到n，网络控制器编号为n+1，主站编号为n+2；从站在调整本地时间后，设定发送定时器的时间为T_C-Tm；

(2)实时同步网络控制器开始发送组合上行报文SD的时刻通过下面公式进行计算：

T＝Tm+T₀+(i-1)L+T₁

T₁为实时同步网络控制器组合处理上行报文SD_i生成组合上行报文SD所需要的时间；设定发送定时器的时间为T-Tm；

(3)主站开始发送下行报文MD的时间T_Z：

T_Z＝Tm+T₀+(i-1)L+T₁

主站在调整本地时间后，设定发送定时器的时间为T_Z-Tm；

实时同步网络控制器的处理流程如图4所示：

(1)初始化处理，设定参数T₀，i，L和T₁；测量同步网络控制器到各接入设备的网络延时d_i；

(2)设置并启动周期定时器；

(3)设定发送定时器时间并启动；

(4)发送同步报文；

(5)取本地精确时刻Tm；

(6)将本地精确时钟Tm发送给所有接入设备，其中包含主站发给各从站下行数据的跟随报文；

(7)依次接收所有从站发送的上行报文SD_i；

(8)将所有SD_i组包后生成组合上行报文SD；

(9)发送定时器时间到时，将组合上行报文SD发给主站；

(10)等待接收来自主站的一般下行报文MD；

(11)周期定时器时间到，回到步骤(3)，进入下一个周期。主站的处理流程如图5所示：

(1)初始化处理，设定报文发送次序及所占用时间；测量同步网络控制器到本接入设备的网络延时d_i；

(2)等待并接收同步报文；

(3)记录本地精确时刻Ts_i；

(4)等待并接收跟随报文并读取其中的Tm；

(5)计算时钟偏差O_i＝Ts_i-Tm-d_i；

(6)根据时钟偏差O_i值调整本地时钟；

(7)设置并启动一般下行报文MD发送定时器；

(8)等待并接收来自网络控制器的组合上行报文SD；

(9)准备一般下行报文MD数据；

(10)发送定时器时间到发送一般下行报文MD；

(11)回到步骤(2)，进入下一个周期。

从站的处理流程如图6所示：

(1)初始化处理，设定报文发送次序及所占用时间；测量同步网络控制器到本接入设备的网络延时d_i；

(2)等待并接收同步报文；

(3)记录本地精确时刻Ts_i；

(4)等待并接收跟随报文并读取其中的Tm；

(5)计算时钟偏差O_i＝Ts_i-Tm-d_i；

(6)根据时钟偏差O_i值调整本地时钟；

(7)设置并启动上行报文SD_i发送定时器；

(8)从跟随报文中读取主站发给从站的数据；

(9)准备上行报文SD_i数据；

(10)发送定时器时间到发送上行报文SD_i；

(11)回到步骤(2)，进入下一个周期。

Claims (3)

1.一种数控系统实时同步网络控制器，包括以太网交换机芯片、中央处理器和网络连接接口，以太网交换机芯片与中央处理器通过介质无关接口相连，以太网交换机芯片通过网络连接接口连接接入设备，所述接入设备包含主站和所有从站，主站为数控系统内部控制器，从站为数控系统伺服驱动器、输入输出接口等执行装置和位置、速度测量等反馈装置，其中：

(1)以太网交换机芯片包括n个物理层协议模块、n+1个介质访问控制层协议模块、交换引擎模块、以及介质无关接口，n为4～64；

各物理层协议模块一端通过网络连接接口连接接入设备，另一端连接介质访问控制层协议模块，完成各接入设备网络连接接口物理层协议功能；

各介质访问控制层协议模块与交换引擎模块双向连接，完成网络协议中数据链路层的介质访问控制层协议功能；

交换引擎模块在接入端口检测到一个报文时，检查该报文的报文头，获取报文的目的地址，启动内部的动态查找表找到相应的输出接口，在输入与输出之间建立连接，把数据报文直通到相应的输出接口实现交换功能；如果目的地址为广播地址，则将接入端口和其它所有的输出接口相连；

介质无关接口将中央处理器CPU与以太网交换机芯片相连；

(2)中央处理器CPU包括定时器、存储器、实时时钟模块和介质无关接口；

定时器包括周期定时器和发送定时器，周期定时器周期性产生时间中断信号，发送定时器按设定的时间值产生中断信号；

存储器存储实时确定性通信调度控制程序、精确时钟同步程序和报文；

实时时钟模块提供CPU的精确时钟；

介质无关接口将中央处理器CPU与交换机芯片相连。

2.数控系统实时同步通信控制方法，实现具有以太网接口的接入设备时钟同步及实时、同步信息传输，包括：

系统初始化步骤，为各接入设备设定报文发送次序及所占用时间；通过在网络上反复多次发送测试报文测量得到同步网络控制器到各接入设备的网络延时d_i；

通信步骤，不断重复下述过程：

(1)实时同步网络控制器向系统中的所有接入设备发送同步报文，该同步报文发到线路上时，实时同步网络控制器取本地精确时刻Tm；各接入设备接收到该同步报文时，记录各接入设备本地精确时刻Ts_i；

(2)实时同步网络控制器发送跟随报文，将本地精确时钟Tm发送给所有接入设备，其中包含主站发给各从站的数据；各接入设备接收到Tm后，计算时钟偏差O_i＝Ts_i-Tm-d_i；并根据时钟偏差O_i值调整各接入设备本地时钟；各从站收到跟随报文后从中取出自己所要数据；

(3)各从站按预先设定的次序依次向实时同步网络控制器发送从站到主站的上行报文；

(4)实时同步网络控制器将各从站的上行报文组包后生成组合上行报文发给主站；

(5)主站向实时同步网络控制器发送一般下行报文，转过程(1)。

3.如权利要求2所述的数控系统实时同步通信控制方法，其特征在于，所述下行报文及上行报文的帧格式为：报文头、报文类、时间、数据区、报文尾；

(1)报文头包括源地址、目标地址和协议类型；

(2)报文类用于区别下行报文及上行报文，下行报文又分为同步报文，跟随报文和一般下行报文；

(3)时间存放实时同步网络控制器发给各接入设备的对时时间；

(4)数据区包含对应各从站的有效数据，包括从站逻辑地址、控制字/状态字、非周期数据及周期数据；

从站逻辑地址即从站的编号，用来标识不同的从站，从1到255；

控制字用于传输主站给从站的控制命令，状态字用于向主站反馈从站的运行状态；

非周期数据存放非周期类数据，包括从站的报警和用户定义的非周期数据；

周期数据存放主之间传输的周期数据信息，在下行报文中存放位置、速度、扭矩等控制指令，在上行报文中存放各从站实际位置、速度、扭矩等状态数据；

(5)报文尾是4字节的循环冗余校验码，用于数据校验。

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