CN101374093B

CN101374093B - 一种现场总线的通信接口及通信数据的实时传输方法

Info

Publication number: CN101374093B
Application number: CN2008101971178A
Authority: CN
Inventors: 宋宝; 唐小琦; 陈吉红; 周向东; 任清荣; 唐玉枝; 肖志鹏; 金宏星; 陈天航; 胡欢
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: CN101374093A

Abstract

本发明公开了一种现场总线的通信接口及通信数据的实时传输方法。通信接口包括FPGA和二个收发端口，FPGA内设置有第一、第二移位及数据传输寄存器阵列，第一、第二端口数据缓冲区，以及现场总线协议处理模块；二个收发端口均包括接收端RX和发送端TX。传输方法是通过主站用于传输主导数据，将需要向各从站传输的数据打包，形成一帧报文，从其中一个端口发送出去，依次通过各个从站，并从另一个端口接收反馈回来的数据；各从站均在由前一站点传输过来的数据报文Q通过本站时，实时下载本站的数据，并将需要上传的数据插入数据报文Q中，完成数据的上传。本发明利用通用现场可编程门阵列(FPGA)实现了现场总线环形通信各站点数据的实时下载和上传问题，不需采用专用硬件，维护容易、成本低。

Description

一种现场总线的通信接口及通信数据的实时传输方法

技术领域

本发明涉及现场总线领域，尤其涉及数控系统中现场总线的通信接口及通信数据的实时传输方法

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。

数控系统现场总线中，其网络拓扑结构可以是星形、环形或线形等。在数控系统的应用场合，环形网络的从站节点组态更加容易，布线也更加方便。因此，现有数控系统中的许多现场总线采用的大部分是环形网，如图2所示的环形结构，通常，为了提高通信系统可靠性，采用冗余通信方式，在图2所示的环形网络中，数据是双向流动的，即同一个数据报文Q同时从主站的两个端口发出，依次通过各从站后，又回到主站的两个端口，其中主站的端口a接收端口b的数据，主站的端口b接收端口a的数据，在通信正常情况下，两组数据只取一组，另一组作为备用。若一组数据出现错误，则取另一组的备用数据。

在这种环形结构中，通信数据由主站将需要发给各从站的数据统一打成一个数据包，主站发出的数据包依次通过各个从站，各从站将经过的整个数据包接收到缓冲区后，插入需要上传的数据，然后再转发出去。这种先接收再转发的收发方式数据在每个站点都会产生比较大的延时，从而影响通信的实时性和带宽，在从站节点数较多时尤为严重。

本发明提供一种几乎没有延时的现场总线的通信接口及数据的实时上下载方法，利用这种方法，从站无需接收全部数据包，而是在报文经过其节点时只下载属于本从站的编址数据，并将需要上传的数据插入至报文相应的位置之中。在整个数据的下载和上传过程中，报文的传输速度几乎不受影响，因而也就只有极小的时间延迟。

当前有某些现场总线如EtherCAT采用的也是这种数据的实时下载和上传的方式，但在EtherCAT中，主站报文必须给从站需要上传的数据提供专用的位置空间，也就是说EtherCAT的下载的数据和上传的数据在数据包中占用不同的空间，因此所需报文长度较长。

发明内容

为了解决现有现场总线在通信过程中数据报文Q的传输问题，本发明提供了一种现场总线的通信接口及数据的实时传输方法，利用该通信接口及数据的实时下载和上传方法，数据报文Q的在经过每个站点时其传输速度几乎没有时间延迟，不另外占用空间。

本发明提供的现场总线通信接口，其特征在于：它包括FPGA和第一、第二收发端口，FPGA内设置有第一、第二移位及数据传输寄存器阵列，第一、第二端口数据缓冲区，以及现场总线协议处理模块；

第一、第二收发端口、b均包括接收端RX和发送端TX；

第一移位及数据传输寄存器阵列用于下载从第一收发端口来的数据报文Q，并将本站需要传送的数据上传到数据报文Q中；

移位及数据传输寄存器阵列用于下载从第二收发端口来的数据报文Q，并将本站需要传送的数据上传到数据报文Q中；

第一第二端口数据缓冲区分别包括第一、第二端口数据上传缓冲区和第一、第二端口数据下载缓冲区；第一、第二端口数据上传缓冲区均用于将接收的缓冲数据上传给现场总线协议处理模块，第一、第二端口数据下载缓冲区均用于将接收的缓冲数据下载到现场总线协议处理模块；现场总线协议处理模块用于对下载数据进行解释，将下载数据移送到相应的数据存贮区，同时将需要上传的数据从相应的存储区取出，再移送到第一、第二端口数据上传缓冲区中。

基于上述现场总线通信接口的通讯数据的实时传输方法，其特征在于：现场总线包括依次首尾相连组建一个物理上的环形闭合回路的主站和i个从站，i为正整数，表示从站的数量；主站和各从站均安装有所述现场总线通信接口；主站主导数据进行通信传输，将需要向各从站传输的数据打包，形成一帧报文，从其中一个端口发送出去，依次通过各个从站，并从另一个端口接收反馈回来的数据；各从站均在由前一站点传输过来的数据报文Q通过本站时，实时下载本站的数据，并将需要上传的数据插入数据报文Q中，完成数据的上传。

本发明提供一种几乎没有延时的现场总线的通信接口及数据的实时传输方法，利用这种方法，从站无需下载全部数据包，而是在报文经过其节点时只下载属于本从站的编址数据，并将需要上传的数据插入至报文相应的位置之中。在整个数据的下载和上传过程中，报文的传输速度几乎不受影响，因而也就只有极小的时间延迟。本发明利用通用现场可编程门阵列(FPGA)实现了现场总线环形通信各站点数据的实时下载和上传问题，不需采用专用硬件，维护容易、成本低。

本发明与其它现场总线不同的是，本发明中插入到报文中的数据实时替换下载数据的位置空间，不另外占用空间。因而，在传输相同数据量的情况下，本方法所需报文长度更短、传输效率更高。

附图说明

图1是现场总线通信接口结构图；

图2是现场总线环形网物理连接结构图；

图3为现场总线数据帧格式；

图4为移位及数据传输寄存器阵列1中数据传输逻辑结构图；

图5为移位及数据传输寄存器阵列1中数据同步上传、下载过程时序图；

图6为移位及数据传输寄存器阵列2中数据传输逻辑结构图；

图7为移位及数据传输寄存器阵列2中数据同步上传、下载过程时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明所涉及到的网络物理层可以是直接以数字量传输的现场总线如RS485等，也可以是以太网等以调制信号进行传输的总线。以以太网为例，对于这种以调制信号进行传输的总线，图1中的收发端口RX和TX则是连接到物理层芯片的MII(或RMII)数字端口。

所述主站与从站之间采用环形物理拓扑结构连接。在主站和每个从站中都采用双端口进行两路收发(RX和TX)，并采用FPGA实现从站数据的实时下载和上传。

如图1所示，本发明提供的现场总线通信接口包括FPGA和第一、第二收发端口a、b，FPGA包括用于进行数据的实时下载和上传的第一、第二移位及数据传输寄存器阵列1、2，第一、第二端口数据缓冲区3、4，以及现场总线协议处理模块5；其中第一端口数据缓冲区3又包括用于数据上传的第一端口数据上传缓冲区31和用于数据下载的第一端口数据下载缓冲区32，第二端口数据缓冲区4又包括用于数据上传的第二端口数据上传缓冲区41和用于数据下载的第二端口数据下载缓冲区42。

第一收发端口a中的接收端RX1用于接收环路中另一站点第二收发端口b中发送端TX2发来的数据报文Q，然后传送到移位及数据传输寄存器阵列1；第一收发端口a中的发送端TX1与环路中另一站点第二收发端口b中的接收端RX2相连，用于发送从移位及数据传输寄存器阵列1移送来的数据。

第二收发端口b中的RX2用于接收环路中另一站点第一收发端口a中发送端TX1发来的数据报文Q，然后传送到移位及数据传输寄存器阵列2；第二收发端口b中的TX2与环路中另一站点第一收发端口a中的RX1相连，用于发送从移位及数据传输寄存器阵列2移送来的数据。

第一移位及数据传输寄存器阵列1用于下载从第一收发端口a来的数据报文Q，并将本站需要传送的数据上传到数据报文Q中。通过内部逻辑控制，下载和上传相关数据并逐位移位后，从TX2端输出，其内部逻辑如图4所示。

移位及数据传输寄存器阵列2用于下载从第二收发端口b来的数据报文Q，并将本站需要传送的数据上传到数据报文Q中。通过内部逻辑控制，下载和上传相关数据并逐位移位后，从TX1端输出，其内部逻辑如图6所示。

第一端口数据缓冲区又包括用于数据上传的第一端口数据上传缓冲区31和用于数据下载的第一端口数据下载缓冲区32。

第二端口数据缓冲区又包括用于数据上传的第二端口数据上传缓冲区41和用于数据下载的第二端口数据下载缓冲区42。

现场总线协议处理模块5用于依据协议对下载数据进行解释，将下载数据移送到相应的数据存贮区，同时将需要上传的数据从相应的存储区取出，再依据协议移送到数据上传缓冲区31或41中。现场总线协议处理模块5可以选用如图3所示的协议格式进行解释和移送。

如图2所示为现场总线环形拓扑结构图，它包括主站6和从站8.1、8.2、……、8.i(i为正整数)，表示从站的数量；主站和各从站在此也称为站点，在每个站点上均包括有如图1所示结构的通信接口，具有第一收发端口a和第二收发端口b，各站点的端口通过线缆7依次首尾相连组建一个物理上的环形闭合回路。主站6用于主导数据通信传输，将需要向各从站传输的数据打包，形成一帧报文，从其中一个端口发送出去，依次通过各个从站，并从另一个端口接收反馈回来的数据；8.1、8.2、……、8.i均在由前一站点传输过来的数据报文Q通过本站时，实时下载本站的数据，并将需要上传的数据插入报文中，完成数据的上传。连接线缆7为通用的现场总线用双搅屏蔽线缆，这样利用通用FPGA逻辑器件，通过双向数据传输，同时实现了主站和从站之间的数据实时传输。

作为一个实例，本发明定义了基于图2所示的环形网络通信所设计的报文帧结构，包括帧头(同步位和分隔位)、帧类型字及各从站需上传和下载的数据区。如图3所示。报文内容说明如下：

同步位：用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率，是56位的二进制数101010101010……。

分隔位：表示下面跟着的是真正的数据，而不是同步时钟，为8位的10101011，与同步位不同的是最后2位是二进制的11而不是10。

帧类型字：用于定义本帧报文数据的性质。如是初始化帧还是命令或数据帧等，长2个字节。

数据区：用于传送各从站的上传和下载数据，长10个字节，其格式和长短可以根据每个从站的物理特性自行定义。

校验位：4个字节的循环冗余校验(CRC)。

数据报文Q的格式及长短，可以根据具体的使用对象来定义。为了说明方便，本发明假设一个数据报文Q中，一共有i个从站，每一个从站的数据区占10个字节。

基于图1所示的环形网络通信，其中图1中的移位及数据传输寄存器阵列1的内部逻辑如图4所示，包括第一数据预置寄存器组11、第一数据移位寄存器组12和第一数据下载寄存器组13。其中，第一数据移位寄存器组12中的第一个移位寄存器SH₁与第一收发端口a中的RX1相连接，第n+1个移位寄存器SH_n+1与第二收发端口b中的TX2相连接，其中，n为正整数，表示第一数据预置寄存器组中寄存器的个数，其值为从站数据长度的比特数。

对于环形网络中的任一从站p，移位及数据传输寄存器阵列1用于数据下载和上传的工作过程如图4和图5所示。其中包括：

步骤1：数据准备。在总线上的数据报文Q进入本站点之前，本站点将需要上传的第一端口数据上传缓冲区31的数据通过FPGA发出的锁存脉冲信号L1锁存到数据预置寄存器组11中的寄存器D₁₁到D_1n。n为寄存器的个数，取值为正整数；

步骤2，数据移入。数据报文Q从RX1进入本站，FPGA从数据报文Q中检测同步位及分隔位，当检测到同步位的最后2位为二进制的11时，说明帧界结束，下一位就是第一个从站数据的起始位。RX1的数据报文Q在时钟CLK1的作用下，逐步移入到数据移位寄存器组12中的寄存器SH₁到SH_n中，并从SH_n+1移出到TX2，再通过传输线缆连接到下一个站点。

步骤3：数据定位。第m个从站通过检测从RX1进来的数据报文Q的位数，当所移入的位数等于80^*m位时说明第m个站点报文的所有数据全部移入数据移位寄存器组12中的移位寄存器SH₁到SH_n中，进入步骤(4)，否则重复步骤(3)。

步骤4：数据下载。FPGA发出锁存脉冲信号L3，将数据移位寄存器组12中的寄存器SH₁到SH_n中的数据锁存到数据下载寄存器组13中的锁存器Buf₁到Buf_n中，从而实现了数据在经过本站时的实时下载。

步骤5：数据上传。在锁存脉冲信号L3的上升沿过后的半个CLK1周期，也就是在CLK1的下降沿，FPGA发出锁存脉冲信号L2，将保存在数据预置寄存器组11中的寄存器D₁₁到D_1n中本站需要上传的数据锁存到数据移位寄存器组12中的移位寄存器SH₂到SH_n+1中。从而实现了数据在经过本站时的实时上传。

如图6所示，第二移位及数据传输寄存器阵列2也包括第二数据预置寄存器组21、第二数据移位寄存器组22和第二数据下载寄存器组23。第一、第二移位及数据传输寄存器阵列2的结构与功能相同。

其中，第二数据移位寄存器组22中的第一个移位寄存器SH’₁与第二收发端口b中的RX2相连接，第n+1个移位寄存器SH’_n+1与第一收发端口a中的TX1相连接。

同样，对于环形网络中的任一从站p，移位及数据传输寄存器阵列2用于数据下载和上传的工作过程如图6和图7所示。其中包括：

步骤1：数据准备。在总线上的数据报文Q进入本站点之前，本站点将需要上传的第二端口数据上传缓冲区41通过锁存脉冲信号L4锁存到数据预置寄存器组21中的寄存器D₂₁到D_2n。

步骤2，数据移入。数据报文Q从RX2进入本站，FPGA从数据报文Q中检测同步位及分隔位，当检测到同步位的最后2位为二进制的11时，说明帧界结束，下一位就是第一个从站数据的起始位。RX2的数据报文Q在时钟信号CLK2的作用下，逐步移入到数据移位寄存器组22中的寄存器SH’₁到SH’_n中，并从SH’_n+1移出到TX1，再通过传输线缆连接到下一个站点。

步骤3：数据定位。第m个站点通过检测从RX2进来的数据报文Q的位数，当所移入的位数等于80^*m位时，说明第m个站点报文的所有数据全部移入数据移位寄存器组22中的移位寄存器SH’₁到SH’_n中。

步骤4：数据下载。FPGA发出L6信号，将数据移位寄存器组22中的寄存器SH’₁到SH’_n中的数据锁存到数据下载寄存器组23中的锁存器Buf’₁到Buf’_n中，从而实现了数据在经过本站时的实时下载。

步骤5：数据上传。在锁存脉冲信号L6的上升沿过后的半个CLK2周期，也就是在CLK2的下降沿，FPGA发出L5信号，将保存在数据预置寄存器组21中的寄存器D₂₁到D_2n中本站需要上传的数据锁存到数据移位寄存器组22中的移位寄存器SH’₂到SH’_n+1中。从而实现了数据在经过本站时的实时上传。

本发明方法中，从站不需要下载总线中的数据包，而是在数据报文Q通过本站点时，依据站点的地址信息，从报文中动态下载本站所需要的数据，同时，将需要上传的数据插入至报文相应的位置之中。数据的下载和上传过程中，报文的传输几乎没有时间延迟。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种现场总线通信接口，其特征在于：它包括现场可编程门阵列和第一、第二收发端口(a、b)，现场可编程门阵列内设置有第一、第二移位及数据传输寄存器阵列(1、2)，第一、第二端口数据缓冲区(3、4)，以及现场总线协议处理模块(5)；

第一、第二收发端口(a、b)均包括接收端RX(RX1、RX2)和发送端TX(TX1、TX2)；

第一移位及数据传输寄存器阵列(1)用于下载从第一收发端口(a)来的数据报文Q，并将本站需要传送的数据上传到数据报文Q中；

第二移位及数据传输寄存器阵列(2)用于下载从第二收发端口(b)来的数据报文Q，并将本站需要传送的数据上传到数据报文Q中；

第一、第二端口数据缓冲区(3、4)分别包括第一、第二端口数据上传缓冲区(31、41)和第一、第二端口数据下载缓冲区(32、42)；第一端口数据上传缓冲区(31)用于将接收的缓冲数据上传给第一移位及数据传输寄存器阵列(1)，第二端口数据上传缓冲区(41)用于将接收的缓冲数据上传给第二移位及数据传输寄存器阵列(2)，第一、第二端口数据下载缓冲区(32、42)均用于将接收的缓冲数据下载到现场总线协议处理模块(5)；

现场总线协议处理模块(5)用于对下载数据进行解释，将下载数据移送到相应的数据存贮区，同时将需要上传的数据从相应的存储区取出，再移送到第一、第二端口数据上传缓冲区中。

2.权利要求1所述的现场总线通信接口，其特征在于：第一、第二移位及数据传输寄存器阵列(1、2)均包括数据预置寄存器组、数据移位寄存器组和数据下载寄存器组；

数据移位寄存器组中的n+1个移位寄存器依次串接，其中，第1个移位寄存器的接收端口与其中一个收发端口中的接收端RX相连接，第n+1个移位寄存器的发送端与另一个收发端口中的发送端TX相连接，其中，n为正整数，表示数据预置寄存器组中寄存器的个数，其值为从站数据长度的比特数；

数据预置寄存器组的n个数据预置寄存器的输入均分别与第一或第二端口数据上传缓冲区相连，其输出分别与第2至第n+1个移位寄存器的输入对应连接；第1至第n个移位寄存器的输出分别与数据下载寄存器组中的数据下载寄存器的输入对应连接，各数据下载寄存器的输出均与第一或第二端口数据下载缓冲区相连。

3.一种基于权利要求2所述现场总线通信接口的通讯数据的实时传输方法，其特征在于：现场总线包括依次首尾相连组建一个物理上的环形闭合回路的主站(6)和从站(8.1、8.2、……、8.i)，i为正整数，表示从站的数量；主站和各从站均安装有所述现场总线通信接口；

主站(6)主导数据进行通信传输，将需要向各从站传输的数据打包，形成一帧报文，从其中一个端口发送出去，依次通过各个从站，并从另一个端口接收反馈回来的数据；各从站(8.1、8.2、……、8.i)均在由前一站点传输过来的数据报文Q通过本站时，实时下载本站的数据，并将需要上传的数据插入数据报文Q中，完成数据的上传。

4.根据权利要求3所述的通讯数据的实时传输方法，其特征在于：所述现场总线通信接口按照下述报文帧结构进行传输：

报文帧结构包括由同步位和分隔位构成的帧头、帧类型字及各从站需上传和下载的数据区，其中，

同步位为56位的二进制数；分隔位为8位的10101011；帧类型字为2个字节；数据区为10个字节，校验位为4个字节的循环冗余校验。

5.根据权利要求4所述的通讯数据的实时传输方法，其特征在于：各从站中的任一站点P均按照下述步骤对数据进行传输：

①站点P将需要上传的端口数据上传缓冲区的数据通过FPGA发出的第一锁存脉冲信号锁存到数据预置寄存器组中的寄存器D₁₁到D_1n；

②数据报文Q经站点P的任一收发端口的发送端进入，FPGA从数据报文Q中检测同步位及分隔位，当检测到同步位的最后2位为二进制的11时，说明帧界结束，下一位就是第一个从站数据的起始位；数据报文Q在时钟信号的作用下，逐步移入到数据移位寄存器组中的第1到第n个寄存器中，并从第n+1个寄存器移出到发送端口TX2，再通过传输线缆连接到下一个站点；

③站点P检测数据报文Q的位数，当所移入的位数等于80*m位时，进入步骤④，其中，m为从站的序号，其取值范围为1～i；否则重复步骤③；

④现场可编程门阵列发出第二锁存脉冲信号，将数据移位寄存器组中的寄存器SH₁到SH_n中的数据锁存到数据下载寄存器组中的第1到第n个锁存器，实现数据在经过站点P时的实时下载；

⑤现场可编程门阵列发出第二锁存脉冲信号的上升沿过后的半个时钟CLK1周期，现场可编程门阵列发出第三锁存脉冲信号，将保存在数据预置寄存器组11中的第1到第n个寄存器中站点P需要上传的数据锁存到数据移位寄存器组中的第2到第n+1个移位寄存器中，实现数据在经过站点P时的实时上传。