CN101141451B - 数控系统通信接口、数控系统及数据接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于以太网的数控系统通信接口，包括现场可编程门阵列，用于进行双PHY选择性开关互联、数据缓冲和协议处理；PHY1和PHY2，分别与所述现场可编程门阵列通信，用于将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列进行处理后发送和接收数据；两个网络变压器，分别与所述PHY1和PHY2连接，用于信号电气隔离，保护芯片，实现网络信号自动翻转；两个双绞线接头，分别与所述两个网络变压器中的一个连接，用于接收模拟信号。本发明还涉及数控系统、数据接收和发送方法。

Description

数控系统通信接口、数控系统及数据接收方法

技术领域

本发明涉及数控系统领域，尤其涉及基于以太网技术的数控系统通信接口、数控系统及数据接收和发送方法。 

背景技术

在数控系统中，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。目前国外一些高档数控系统大部分都采用现场总线的通信方式用于数控系统内部的通信，如FANUC采用FSSB，SIMENS采用PROFIBUS-DP等现场总线。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。但是，当前的现场总线技术大多采用专用硬件，在应用过程中出现了协议品种多、兼容性差、开发和维护难度大及成本高的缺点。 

近年来，随着以太网技术的发展，它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。 

申请号200610125449.6的专利申请中提出了一种星型网络的“基于以太网的数控系统数字通信方法”。但在许多应用的场合，环形网络布线更容易。已提出的环形网络的“一种总线式数控系统及其控制方法”但其仅能够依次单向传输数据，而且主信息在串联设备上依次顺序传输，无法解决高精度时钟同步。SERCOS的环形网络的在数据上行机制中采用分时发送在每个从站发送数据中间要浪费比较多的间隔时间，在从站数量增加的情况下实时性迅速降低。 

发明内容

为了解决现有控制器与执行器之间采用脉冲串或模拟电压形式传输命令存在加工速度慢、控制精度低、现场总线技术传输命令存在必须使用专用硬件而出现协议品种多、兼容性差、开发和维护难度大及成本高的问题，以及通用以太网传输存在非实时、非同步和数据传输过程中存在不确定性的问题，本发明提供一种基于以太网技术的数控系统通信接口，保证以太网高通信速率的基础上，同时实现了数控系统内部控制器和执行器之间的强实时和强同步信息传输的要求。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于以太网的数控系统通信接口，包括： 

现场可编程门阵列，用于进行双PHY选择性开关互联、数据缓冲和协议处理； 

第一以太网物理硬件PHY1和第二以太网物理硬件PHY2，分别与所述现场可编程门阵列通信，用于发送和接收数据，将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列进行处理。 

两个网络变压器，分别与所述PHY1和PHY2连接，用于隔离信号，网络信号自动翻转； 

两个双绞线接头，分别与所述两个网络变压器中的一个连接，用于接收模拟信号。 

所述现场可编程门阵列包括： 

以太网协议处理模块，用于各端口的初始化，控制器和执行器之间的同步性的处理，类型标记，指示如何提取有效的数据，反馈帧的打包；   

PHY1数据缓冲区，用于对所有经过PHY的接收数据线的数据都能进行接收，存放到接收缓冲区； 

PHY2数据缓冲区，用于将需要发送的数据先存放到发送缓冲区，直接从发送缓冲区读取发送； 

内部互联开关，与所述用于PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区连接，内部互联开关断开时，PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区能够接收到各自的PHY1和PHY2传过来的数据，而且需要发送的数据也能够经过对应的PHY发送出去；内部互联开关合上时，PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区接收PHY1和PHY2的数据，PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区接到数据的同时能够将该数据包经另外一个PHY发送出去。 

本发明还提供了一种数控系统，包括： 

控制器，具有基于以太网技术的数控通信接口，用于下发主站报文同步广播帧； 

执行器，具有基于以太网技术的数控系统通信接口，通过以太网线缆与所述控制器通信，用于上行发送从站报文令牌集总帧。 

本发明还提出了一种数据接收方法，包括： 

开始接收数据，从数据中提取地址信息，并将数据存储在PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区中，同时进行循环冗余校验(Cyclic redundancycheck，CRC)校验； 

判断所述地址信息是否匹配和判断所述CRC校验是否正确，如果地址信息匹配和CRC校验正确，则对所述数据进行处理，接收完成；否则丢弃所述数据。 

本发明还提出了一种数据发送方法，包括： 

将待发送的数据填入PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区中； 

开始发送前导数据，然后发送数据包前导符； 

从所述数据缓冲区取出除了CRC以外的所有数据； 

根据PHY的时钟将所述取出的数据在PHY上发送； 

将所述取出的数据进行CRC校验； 

判断是否发送CRC数据，如是，则发送计算出的CRC值；否则结束。 

因此通过本发明提供的这种数控系统通信接口以及具有该接口的数控系统能够实现数控系统内部控制器和执行器之间的强实时和强同步信息传输。同时还提供了一种数据接收和发送方法。 

附图说明

图1是本发明基于以太网的数控系统通信接口结构图； 

图2是本发明数控系统环形网物理连接结构图 

图3为数控系统环型网配置为逻辑总线拓扑结构； 

图4为数控系统环型网配置为逻辑环形拓扑结构； 

图5为本发明FPGA的接收数据的过程； 

图6为本发明FPGA数据发送方法的流程示意图。 

具体实施方式

本发明利用以太网PHY和通用FPGA实现了在数控系统控制器和执行器之间的通信问题，不需采用专用硬件，维护容易成本低，不但可以实现大数据量传输，还可以满足数控系统通信所要求的强实时、强同步和稳定性的要求。 

本发明所涉及到的网络物理层采用标准的以太网物理层协议和以太网通用PHY硬件，所述控制器与所有执行器之间采用环形物理拓扑结构连接。在每个控制器和执行器采用双PHY进行双路收发(TX和RX)，并采用FPGA实现双PHY选择性开关互联、数据缓冲和协议处理。 

如图1所示为本发明基于以太网的数控系统通信接口结构图，该接口包 括：现场可编程门阵列101，用于进行双PHY选择性开关互联、数据缓冲和协议处理；第一以太网物理硬件(PHY1)1021和第二以太网物理硬件(PHY2)1022，分别与所述现场可编程门阵列101通信，用于将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列进行处理后发送和接收数据；两个网络变压器103，分别与所述PHY1(1021)和PHY2(1022)连接， 用于隔离信号，网络信号自动翻转；两个双绞线接头104，分别与所述两个网络变压器103中的一个连接，用于接收模拟信号。并且继续参见图1所示，所述现场可编程门阵列包括：以太网协议处理模块100，用于各端口的初始化，控制器和执行器之间的同步性的处理，类型标记，指示如何提取有效的数据，反馈帧的打包；PHY1数据缓冲区1011，用于对所有经过PHY的接收数据线的数据都能进行接收，存放到接收缓冲区。PHY2数据缓冲区1012，用于将需要发送的数据先存放到发送缓冲区，直接从发送缓冲区读取发送；内部互联开关1013，与所述用于PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区连接。 

内部互联开关的工作原理如下：当内部互联开关断开时，每个PHY的数据缓冲区能够接收到各自的PHY传过来的数据，而且需要发送的数据也能够经过对应的PHY发送出去。当内部互联开关合上时，每个PHY同样能够正常接收各自的PHY的数据，不同的是，每个PHY接到数据的同时能够将该数据包经另外一个PHY发送出去。 

如图2所示为数控系统环形网物理连接结构图，其中控制器201，具有图1所示的基于以太网技术的数控系统通信接口，用于主导系统数据通信传输，接收执行器反馈数据，下发主站报文同步广播帧；执行器202，也具有基于以太网技术的数控系统通信接口，通过以太网线缆与所述控制器相连，用于接收控制器命令和数据，上行发送从站报文令牌集总帧。控制器和执行器在此也称为站点，每个站点含有两个端口：端口1、端口2，采用依次首尾相连的方式组建一个物理上的环形网络。图中的连线203为标准的以太网线缆，每条线缆里同时有TX和RX两组线进行发送和接收。这样利用通用以太网硬件技术，通过双向数据传输，在保证了以太网高通信速率的基础上，同时实现了数控系统内部控制器和执行器之间的强实时和强同步信息传输的要求，利于推广应用。 

采用双向广播帧数据下行，数据下行时网络配置为逻辑总线型拓扑结构，每站双端口广播下行数据达到时进行到达时间校对，实现精确时钟同步，对双端口数据校对来校验数据干扰或发送错误，实现通信可靠性。数据上行时网络配置为逻辑环形拓扑结构，由主站双向发送令牌帧，与主站相连的第一个从站接收到此令牌帧时发送自己的上行数据，该站点的上行数据又成为下一站点的令牌帧，如此犹如多米诺骨牌，触发所有从站信息顺序发送回到主站，通过这种令牌集总帧传输的方法，实现强实时高可靠性数据上行。 

当主站发送下行主站报文同步广播帧MD(同时也是同步帧)，数控系统环型网配置为逻辑总线拓扑结构。如图3所示数控系统环型网配置为逻辑总线拓扑结构，所有的内部互联开关闭合，参见图3中，中间一条线条表示了开关是闭合的，在物理介质上是互联的。所有端口相当于物理线路直接连接，构成了共享介质的总线连接。在这种线路上每个时刻只能有个站点发送数据(同时有两个和以上的站发送数据就会冲突)，所有的站点都可以同时接收到数据(因为是电信号直通的，速度为光速，线路上的延迟可忽略)。主站发送的下行广播帧MD(同时也是同步帧)，经每个从站的内部互联开关几乎同时的到达每个站点，而每个站点均可以读到这个下行帧。这样每个站点在时间同步上非常精确。采用这种方式时帧的大小可以不受限制，帧的大小不影响同步精度。 

从站报文SD令牌集总帧上行发送，数控系统环型网配置为逻辑环形拓扑结构。如图4所示数控系统环型网配置为逻辑环形拓扑结构，所有的内部互联开关断开，参见图4中，中间一条线条表示了开关是断开的，所有站点间端口两两相连，串联成环形连接。SD报文的传送要经过每个从站的转发。 即在一个站点内从一个端口接收上一站发来的数据，经过数据缓冲，添加本站数据，发往另一个端口。如上图一个从站点1开始依次转发送上行帧。当到站点m时，它需要转发往站点(m+1)。站点m沿顺时针双环发送到站点(m+1)，站点接收到以后采用相同的方式发往(m+2)，最后回到主站，完成数据上行，而且可以同时顺时针或逆时针双向返回SD帧。 

基于图1所示的网络通信接口，其中FPGA的网络数据收发过程如图5和图6所示。图5所示为接收数据的过程，其中包括： 

步骤701，开始接收数据，从数据中提取地址信息，并将数据存储在PHY1和PHY2数据缓冲区中，同时进行循环冗余校验(Cyclic redundancy check，CRC)校验； 

步骤702：判断所述地址信息是否匹配和判断所述CRC校验是否正确，如果地址信息匹配和CRC校验正确，则执行步骤703；对所述数据进行处理，接收完成；否则执行步骤704。 

步骤703，对所述数据进行处理，接收完成； 

步骤704，丢弃所述数据。 

而如图6所示为数据发送方法的流程示意图。包括： 

步骤801，将待发送的数据填入PHY1和PHY2数据缓冲区中； 

步骤802，开始发送前导数据，然后发送数据包前导符(Start-of-packetdelimiter，SFD)； 

步骤803，从所述数据缓冲区取出除了CRC以外的所有数据； 

步骤804，根据PHY的时钟将所述取出的数据在PHY上发送； 

步骤805，将所述取出的数据进行CRC校验； 

步骤806，判断是否发送CRC数据，如是，则执行步骤807发送计算出的CRC值；否则结束。 

因此，本发明提供一种基于以太网技术的数控系统通信接口，解决了现有控制器与执行器之间采用脉冲串或模拟电压形式传输命令存在加工速度 慢、控制精度低，通用以太网传输存在非实时、非同步和数据传输过程中存在不确定性的问题，通过双向数据传输，在保证了以太网高通信速率的基础上，同时实现了数控系统内部控制器和执行器之间的强实时和强同步信息传输的要求，利于推广应用。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (5)

1.一种基于以太网的数控系统通信接口，其特征在于包括：

现场可编程门阵列FPGA，包括：以太网协议处理模块，第一以太网物理硬件PHY1数据缓冲区，第二以太网物理硬件PHY2数据缓冲区，内部互联开关；所述以太网协议处理模块用于各端口的初始化，控制器和执行器之间的同步性的处理，类型标记，指示如何提取有效的数据，反馈帧的打包；所述内部互联开关用于与所述PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区连接，内部互联开关断开时，PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区能够接收到各自的第一以太网物理硬件PHY1和第二以太网物理硬件PHY2传过来的数据，而且需要发送的数据也能够经过对应的PHY发送出去；内部互联开关合上时，PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区接收PHY1和PHY2的数据，PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区接到数据的同时能够将该数据经另外一个PHY发送出去；

PHY1和PHY2，分别与所述现场可编程门阵列通信，用于将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列进行处理后发送和接收数据，配合现场可编程门阵列FPGA完成内部电子开关的互联；

两个网络变压器，分别与所述PHY1和PHY2连接，用于隔离信号，保护芯片，实现网络信号自动翻转；

两个双绞线接头，分别与所述两个网络变压器中的一个连接，用于接收模拟信号。

2.一种根据权利要求1所述的基于以太网的数控系统通信接口的数控系统，其特征在于包括：

控制器，具有权利要求1所述的基于以太网的数控系统通信接口，用于下发主站报文同步广播帧；

执行器，具有权利要求1所述的基于以太网的数控系统通信接口，通过以太网线缆与所述控制器通信，用于上行发送从站报文令牌集总帧。

3.如权利要求2所述的数控系统，其特征在于当下发主站报文同步广播帧时，所述系统配置为逻辑总线型拓扑。

4.如权利要求2所述的数控系统，其特征在于当上行从站报文同步广播帧时，所述系统配置为逻辑环型拓扑。

5.一种权利要求1所述的基于以太网的数控系统通信接口的数据接收方法，其特征在于包括：

开始接收数据，从数据中提取地址信息，并将数据存储在PHY1数据缓冲区和PHY2数据缓冲区中，同时进行循环冗余校验；

判断所述地址信息是否匹配和判断所述循环冗余校验是否正确，如果地址信息匹配和循环冗余校验正确，则对所述数据进行处理，接收完成；否则丢弃所述数据。

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