CN101170472A - 一种基于以太网技术的数控通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于以太网技术的数控通信方法，所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧；所述执行器接收所述主站同步广播帧，并确定所述主站同步广播帧准确；所述执行器启动超时计时器，对主站同步广播帧进行处理，在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧；所述控制器接收所述从站令牌集总帧或令牌帧，并确定所述从站令牌集总帧或令牌帧的正确；所述控制器确定接收到所有的执行器发送的从站令牌帧或令牌集总帧。因此通过本发明提供的这种数控通信方法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。

Description

一种基于以太网技术的数控通信方法

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通信方法。

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模拟电压或脉冲串的形式，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。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。现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模拟电压或脉冲串形式传输命令存在加工速度慢、控制精度低的问题，以及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，以及专门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通信方法，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技术的数控通信方法，包括以下步骤：

控制器启动周期定时器，按照实时同步环形通信协议发送主站同步广播帧；

执行器接收所述主站同步广播帧，并确定所述主站同步广播帧准确；

所述执行器启动超时计时器，对主站同步广播帧进行处理，在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧；

所述控制器接收所述从站令牌集总帧或令牌帧，并确定所述从站令牌集总帧或令牌帧的正确；

所述控制器确定接收到所有的执行器发送的从站令牌集总帧或令牌帧。

在所述控制器确定接收到所有的执行器发送的从站令牌集总帧或令牌帧的过程和所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧的过程之间还包括：

判断所述周期定时器已经到时，则执行所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧的过程。

所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧之前还包括；

所述初始设置控制器的周期定时器、从站个数计数器和执行器内的超时计时器。

所述基于以太网的数控通信方法还包括确认控制器和执行器之间的连接。

所述确认控制器和执行器之间的连接包括以下步骤：

步骤1，控制器将以太网芯片、主站和从站配置表及各计数器进行初始化；

步骤2，判断时间片段计数器数值是否小于时间片段计数器上限值，如是，执行步骤3；继续；否则执行所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧；

步骤3，所述控制器向所述执行器发送主站同步广播帧；

步骤4，所述执行器等待接收所述主站同步广播帧，确定收到的主站同步广播帧校验码正确后，等待发送从站令牌帧或令牌集总帧；

步骤5，所述控制器判断超时计时器是否达到上限值，如是，执行步骤7；如否，则收取所述从站令牌集总帧或令牌帧；

步骤6，时间片段计数器+1，返回步骤2；

步骤7，所述控制器将超时计数器+1；

步骤8，判断超时计数器+1是否小于超时次数上限，如是执行步骤3；如否，超时退出，系统报错。

所述主站同步广播帧由帧界开始，包括类型、从站逻辑地址、控制字、周期数据、数据校验。

所述从站令牌集总帧或令牌帧由帧界开始，包括类型、从站地逻辑址、状态字、周期数据、数据校验。

所述主站同步广播帧和从站令牌集总帧为沿环形网同时双向传输。

所述执行器接收到所述主站同步广播帧后还包括：对到达时间进行校对，并对所术主站同步广播帧中的数据校对校验数据干扰或发送错误。

所述执行器在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧具体为：所述控制器发出令牌帧，与所述控制器相连的第一个所述执行器接收到该令牌帧时发送自己的上行数据所述从站令牌集总帧或令牌帧，并且该执行器的所述从站令牌集总帧或令牌帧作为下一个执行器发送上行数据帧的令牌帧，以完成所述执行器在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧；

或者，在所述控制器发送主站同步广播帧的同时发出令牌集总帧，所述执行器接收到该令牌集总帧时将自己的上行数据所述从站令牌集总帧或令牌帧装载到集总帧，然后转发到下一个执行器重复所述执行器接收到该令牌集总帧时将自己的上行数据所述从站令牌集总帧或令牌帧装载到令牌集总帧，以完成所述执行器在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧。

因此通过本发明提供的这种数控通信方法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。

附图说明

图1是本发明数控系统实时通信协议体系结构图；

图2主站MD同步广播帧示意图；

图3从站SD令牌帧示意图；

图4为本发明基于以太网技术的数控通信方法的流程图；

图5为在第一阶段确认控制器和执行器之间的连接流程图；

图6为本发明基于以太网技术的数控通信方法中阶段二的流程图；

图7为本发明通信周期示意图；

图8为本发明令牌集总帧的周期形式示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于以太网技术的数控通信方法，其中利用以太网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，并采用FPGA实现双PHY选择性开关互联。在其基础之上提供了实时和同步的实时同步环形通信协议，协议体系结构如图1所示，该实时同步环形通信协议直接为数控系统提供实时通信功能。

实时环形同步通信协议采用分层结构如图1所示。在本发明中如果采用普通的以太网结构，因为协议处理的过程比较多，加上链路层的CSMA/CD的控制规程，会使网络的实时性大为降低，满足不了数控系统通信的要求。从图中可以看出，实时环形同步通信协议底层采用以太网技术定义的物理层。对数据链路层进行实时性改造，把它称作实时调度层。用户服务协议属于第七层——应用层。实时环形同步通信协议的第三层——网络层采用IP协议和第四层——传输层采用TCP/UDP协议。在周期的实时数据传输中，实时调度层绕过网络层和传输层直接面向应用层提供服务。在初始化和参数配置、诊断等非周期实时数据传输中，可以采用标准的TCP/IP协议族，实现现场设备与Internet的连接。

本发明执行器和控制器具有双端口、FPGA和内部互联开关，控制器和执行器在此也称为站点，即为主站和从站，每个站点含有两个端口：端口1和端口2，采用依次首尾相连的方式组建一个物理上的环形网络。在沿着这个网络数据下行时网络配置为逻辑总线型拓扑结构，数据上行时网络配置为逻辑环形拓扑结构。控制器和执行器之间采用主从结构方式进行通信，在帧格式里定义数控系统的数据报文格式和实时通信协议，建立统一的报文格式。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，即在所述执行器接收到所述主站同步广播帧后还包括：对到达时间进行校对，并对所术主站同步广播帧中的数据校对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，通过这种令牌帧传输的方法，实现强实时高可靠性数据上行。

统一的报文包括：主站同步广播帧MD(从控制器到执行器的下行报文)和从站令牌帧SD(从执行器到控制器的上行报文)。MD包括控制器发给执行器的指令和参数，又作为各执行器的同步信号；报文格式如附图2所示。报文由帧界开始，包括类型、多个从站数据，报文尾是一个4字节的循环冗余校验码，用于数据校验。其中各从站数据区包含所有传输的有效数据，其中包括从站逻辑地址(表示接收数据的从站逻辑地址)、控制字(主要用于传输主站给执行器的控制命令和主从站之间建立握手)、周期数据(用于传输正常运行时给从站的实时数据信息)。SD中包含各执行器发给控制器的状态信息和反馈数据。报文格式如附图3所示。报文由帧界开始，包括类型、从站数据，报文尾是一个4字节的循环冗余校验码，用于数据校验。数据区包括：从站地逻辑址(用于表示从站的地址，便于主站区分收到的数据包)，状态字(用于向控制单元反馈从站的运行状态，与主站控制字一起建立握手)，周期数据(系统周期运行时，反馈的周期数据部分)。

图3是从站令牌帧的结构，如果是从站令牌集总帧，结构和图2类似，只是里面的从站数据应该为图3所示的从站数据，即图2中“控制字”变为“状态字”，图2主站同步广播帧MD中是所有从站的数据最后有一个总的“数据校验”，而从站令牌集总帧变为每个“从站数据”里有“数据校验”。

如图4所示，为本发明基于以太网技术的数控通信方法的流程图。在控制器和执行器之间进行实时通信时，包括两个阶段，一为确认控制器和执行器之间的连接。二为运行阶段，发送和接收MD帧和SD帧。其中在这个数控通信方法通信的过程中是基于实时同步环形通信协议来完成的。

如图5所示为在第一阶段确认控制器和执行器之间的连接过程包括：

步骤501，控制器将以太网芯片、主站和从站配置表及各计数器进行初始化；

步骤502，判断时间片段计数器数值是否小于时间片段计数器上限值，如是，执行步骤503，继续；否则执行阶段二，即所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧；

步骤503，所述控制器向所述执行器发送主站同步广播帧；

步骤504，所述执行器等待接收所述主站同步广播帧，确定收到的主站同步广播帧校验码正确后，发送从站令牌帧；

步骤505，所述控制器判断超时计时器是否达到上限值，如是，执行步骤507；如否，则执行步骤506收取所述从站令牌帧；

步骤506，时间片段计数器+1，返回步骤502；

步骤507，所述控制器将超时计数器+1；

步骤508，判断超时计数器+1是否小于超时次数上限，如是执行步骤503；如否，超时退出，系统报错。

从上述描述可以看出，在该阶段主站(即控制器)为了保证系统的可靠，将规定的时间分为若干时间片段，在每个时间片段内，主站发送MD，从站应答SD。多个时间片段的目的在于多次、反复地验证系统运行的可靠性，避免后期正式运行时出现错误；并检测是否所有时间片的SD都被接收，如果缺报文则表明系统不稳定或不可靠，则重复以上过程若干次。若仍然缺报文，则系统报错。而从站等待接收主站发送的MD；若从站接收到MD则发送应答报文SD，否则从站处于等待报文状态。

在上述图5描述的过程开始之前，控制器内设置主站配置表，各执行器设置从站配置表，在控制器内设置时间片段计数器、从站个数计数器、超时计时器、超时计数器，执行器内设置发送定时器；同时设置各计时器、计数器的上限值；所述从站个数计数器的上限值与执行器个数致。

如图6所示为本发明基于以太网技术的数控通信方法中阶段二的流程图。

步骤601，所述控制器启动周期定时器，向所有执行器发送主站同步广播帧MD；其中周期定时器的目的在于控制主站相邻两次发送数据的时间间隔，避免出现冲突，从而确定通信周期时间；其中如图7所示，令牌帧的通信周期形式；通信周期从主站发送下行主站同步广播帧MD(同时也是同步帧)开始，到发送下一个下行主站同步广播帧MD结束。周期时间由主站的定时器配置决定。

只要配置的时间内能把从站的数据全部收上来，周期就是可行的，配置周期可以尽量的短。所以最短周期受从站个数约束，从站越多周期越长。本方法约定从站最多255个，周期小于0.5ms的通信周期可以满足数控系统通信的要求。

步骤602，所述执行器接收所述主站同步广播帧，并确定所述主站同步广播帧准确；

步骤603，所述执行器启动超时计时器，对主站同步广播帧MD进行处理，在定时时间内发送从站令牌帧；对MD进行处理具体为：

判断收到的MD校验码是否正确，如正确，执行后续步骤604；否，系统报错；以及从MD中读取本从站信息并进行相关处理；根据从站状态设置SD信息，具体为，从站根据与它连接的如伺服、主轴等的状态反馈的信息写入SD；

如图8所示为本发明令牌集总帧的周期形式示意图，所述执行器在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧，即让从站的数据返回具体为：由主站双向发出一个令牌集总帧，这个帧是空帧，就像火车车皮一样，到达每个站时每个站把自己的数据装载上去，即所述执行器接收到该令牌集总帧时将自己的的上行数据SD装载到令牌集总帧后，所有执行器重复前述步骤，最后运回主站。

即换而言之，参照图2和图8，步骤601至步骤603的过程为主站发出MD(同步广播帧)，接着主站发出SD0(主站令牌集总帧)整体如图2所示，其中SDn相当于图2中从站数据部分。每个从站在SD0经过本站时把本站的数据SDn加载在SD0帧上的相应位置，转发给下一站。最后一个从站将SD0发给主站以结束一个周期。如果在周期定时器内，SD0来不及返回，周期通信失败。周期定时器的周期是预先设定的，设定好后在时间到时主站必须发送MD。主站发出MD和SD00都是双向的。

从站的数据返回即所述执行器在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧也可以由主站发出令牌帧来触发数据上行发送。即从站看到令牌帧从本站经过后，自己也可以发出自己的数据上行帧SD1，这个帧又可以作为从站2的令牌帧，从站2看到从站1的上行数据帧SD2发送后，也发送出自己的上行数据帧SD3，如此下去就跟出牌一样，所有的从站都按先后顺序返回数据如图7所示。

即换而言之，步骤601至步骤603的过程为：主站发出图2所示的MD(同步广播帧)，接着主站发出图3所示的SD00(主站令牌帧)，从站1检测到SD00经过后，发送上行数据帧SD01，同样从站2检测到SD01经过后，发送上行数据帧SD02，依次类推，主站接收到所有从站数据后，完成一个通信周期。如果在周期定时器内，有从站数据来不及返回，周期通信失败。周期定时器的周期是预先设定的，在设定好的时间到时，主站就必须发送MD。主站发出MD和SD00都是双向的。

步骤604，所述控制器等待接收所述从站令牌集总帧或令牌帧，并确定所述从站令牌集总帧或令牌帧是否正确；如正确，执行步骤605；否则系统报错也包括在从站超时定时器时间内，从站收不到SD00，系统报错。

步骤605，所述控制器缓存SD信息，并确定是否接收到所有的执行器发送的从站令牌集总帧，如是执行步骤606，否则执行步骤604；

步骤606，主站处理从站SD，并准备下一周期的MD；判断所述周期定时器是否已经到时，如已经到期，则执行步骤601中向所有执行器发送主站同步广播帧；如未到期，则重复步骤606。

在第二阶段开始的时候，初始设置所述控制器的周期定时器、从站个数计数器和执行器内的用于检测令牌帧到达是否超时来决定是否发送的发送定时器。

因此，本发明解决了现有控制器与执行器之间存在加工速度慢、控制精度低、传输非实时、非同步、不确定性的问题，针对星型网络接线不方便和有些方法的实时性、同步性、稳定性的问题，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 (10)

1.一种基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于包括以下步骤：

控制器启动周期定时器，按照实时同步环形通信协议发送主站同步广播帧；

执行器接收所述主站同步广播帧，并确定所述主站同步广播帧准确；

所述执行器启动超时计时器，对主站同步广播帧进行处理，在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧；

所述控制器接收所述从站令牌集总帧或令牌帧，并确定所述从站令牌集总帧或令牌帧的正确；

所述控制器确定接收到所有的执行器发送的从站令牌集总帧或令牌帧。

2.根据权利要求1所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于在所述控制器确定接收到所有的执行器发送的从站令牌集总帧或令牌帧的过程和所述控制器启动周期定时器，按照实时同步环形通信协议发送主站同步广播帧的过程之间还包括：

判断所述周期定时器已经到时，则执行所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧的过程。

3.根据权利要求2所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于所述控制器启动周期定时器，按照实时同步环形通信协议发送主站同步广播帧之前还包括；

初始设置所述控制器的周期定时器、从站个数计数器和执行器内的用于检测令牌帧到达是否超时来决定是否发送的超时计时器。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于还包括以下步骤的确认控制器和执行器之间的连接：

步骤1，控制器将以太网芯片、主站和从站配置表及各计数器进行初始化；

步骤2，判断时间片段计数器数值是否小于时间片段计数器上限值，如是，执行步骤3；继续；否则执行所述控制器启动周期定时器，发送主站同步广播帧；

步骤3，所述控制器向所述执行器发送主站同步广播帧；

步骤4，所述执行器等待接收所述主站同步广播帧，确定收到的主站同步广播帧校验码正确后，发送从站令牌集总帧或令牌帧；

步骤5，所述控制器判断超时计时器是否达到上限值，如是，执行步骤7；如否，则收取所述从站令牌集总帧或令牌帧；

步骤6，时间片段计数器+1，返回步骤2；

步骤7，所述控制器将超时计数器+1；

步骤8，判断超时计数器+1是否小于超时次数上限，如是执行步骤3；如否，超时退出，系统报错。

5.根据权利要求4所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于所述主站同步广播帧由帧界开始，包括类型、从站逻辑地址、控制字、周期数据、数据校验。

6.根据权利要求5所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于所述从站令牌集总帧或令牌帧由帧界开始，包括类型、从站地逻辑址、状态字、周期数据、数据校验。

7.根据权利要求5所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于所述实时同步环形通信协议提供实时调度层绕过网络层和传输层直接面向应用层提供服务。

8.根据权利要求5所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于所述主站同步广播帧和从站令牌集总帧或令牌帧可沿环形网同时双向传输。

9.根据权利要求8所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于在所述执行器接收到所述主站同步广播帧后还包括：对到达时间进行校对，并对所术主站同步广播帧中的数据校对校验数据干扰或发送错误。

10.根据权利要求8所述的基于以太网技术的数控通信方法，其特征在于所述执行器在定时时间内发送从站令牌集总帧或令牌帧，具体为：所述控制器发送主站同步广播帧后发出令牌帧，与所述控制器相连的第一个所述执行器接收到该令牌帧时发送自己的上行数据帧，并且该执行器的所述上行数据帧作为下一个执行器发送上行数据帧的令牌帧，以完成所有的所述执行器在定时时间内发送完上行数据帧。

或者，在所述控制器发送主站同步广播帧后发出令牌集总帧，与所述控制器相连的第一个所述执行器接收到该令牌集总帧时将自己的上行数据装载到令牌集总帧，然后转发到下一个执行器重复所述执行器接收到该令牌集总帧时将自己的上行数据装载到令牌集总帧，以完成所有所述执行器在定时时间内转发令牌集总帧。

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