CN102332971A - 数控系统现场总线全双工可靠通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控系统现场总线全双工可靠通信方法，包括以下步骤：将数控系统现场总线的主站、从站的数据链路层划分为三部分：发送和接收队列、通信调度状态机以及发送和接收缓冲区；通信调度状态机采用基于时槽通信网络管理的主从调度机制，将通信周期划分为实时通信、实时重发和非实时通信三个阶段；建立具有数据校验和帧控制的通信帧结构；在通信过程中，如果在实时通信阶段出现数据传输错误，则由实时重发阶段实现数据重传，并为应用层提供透明、可靠全双工的数据通信服务。本发明为数控系统中的各设备提供了可靠、简单、高效的全双工的通信服务，易于实现，方便升级，成本低。

Description

数控系统现场总线全双工可靠通信方法

技术领域

本发明涉及计算机数字控制的通信技术，具体地说是一种数控系统现场总线全双工可靠通信方法。

背景技术

当前高速发展的装备制造技术，要求数控系统中的控制器必须满足高速高精高效化、柔性加工、工艺复合和多轴化以及实时智能控制等要求。数控系统本身也朝着开放化、智能化、平台化以及网络化的方向发展。因此传统数控系统的控制接口(模拟式、脉冲式)方式已经不能满足高速、高精、多通道、复合化的需求。根据国际数控系统技术发展的趋势，下一代数控系统的控制接口应采用现场总线技术的控制接口。现场总线支持数据双向传输，线缆大大简化，具有传输速率高、传输距离远，抗干扰能力强等特点，同时还具有较高的实时性和高可靠性，适合数控机床不断发展的高速、高精度的加工要求。

基于此，近年来外国公司纷纷推出各自高档数控系统的运动控制现场总线协议和标准，如日本发那科公司推出串行伺服总线(FSSB)，应用于FANUC高档数控系统(16i/18i/21i/30i)，德国西门子公司推出PROFIBUS-DP总线，应用于西门子840Di数控系统，日本三菱推出CC-LINK总线，德国力施乐推出SERCOS总线。外国公司纷纷设法将其运动控制现场总线协议，变成国际标准或中国标准。如西门子的PROFIBUS-DP总线协议成为IEC61158国际规定的8种总线标准之一。同时对于各种现场总线性能的分析和评价也显示了该领域的研究方向。

国内一些数控研发机构也开展了对数控现场总线的研究。华中数控开发了两种星型及环形拓扑结构的基于实时以太网技术的现场总线的数控系统，广州数控开发出基于以太网的数控系统现场总线，大连光洋开发了实时运动控制网络传输协议GLINK数控总线，浙江中控主持制定了EPA工业以太网国际标准。

无论是市场竞争还是在力求成为国际标准的竞争中，都可以看出现场总线的应用将成为数控系统发展的必然趋势。目前对于现场总线在数控系统中的应用研究尚处于起步阶段。因此为满足数控系统对高速、高精度等技术指标要求，如：插补周期达到125us，加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度Ra小于0.01μm，需要一种行之有效的现场总线可靠通信方法，以保证其通信的实时性、可靠性、和通信效率。而目前能够满足上述要求的现场总线全双工可靠通信技术尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中数控系统控制接口不能满足通信的实时性、可靠性、和通信效率要求等的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种用于保证通信中数据传递的正确性，同时给应用层通信实体提供全双工的通信服务的能够满足实时性、可靠性、和通信效率要求的数控系统现场总线全双工可靠通信方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种现场总线全双工可靠通信方法包括以下步骤：

将数控系统现场总线的主站、从站的数据链路层划分为三部分：发送和接收队列、通信调度状态机以及发送和接收缓冲区；

通信调度状态机采用基于时槽通信网络管理的主从调度机制，将通信周期划分为实时通信、实时重发和非实时通信三个阶段；

建立具有数据校验和帧控制的通信帧结构；

在通信过程中，如果在实时通信阶段出现数据传输错误，则由实时重发阶段实现数据重传，并为应用层提供透明、可靠全双工的数据通信服务。

由实时重发阶段实现数据重传包括以下步骤：

判断主站是否有数据发送，如果有数据发送，则主站向从站发送带数据的命令帧后，处于等待接收从站应答的状态；

判断主站是否接收到数据，如接收到数据，则主站判断其接收的数据是否错误，如错误，则主站向从站发送重传请求帧，请求从站将上次传输的数据重新传送给主站；

从站接收到重传请求帧后不再从发送FIFO中取数据，而是直接将发送缓冲的数据进行重新上传，完成上传响应数据帧的恢复，等待进行下一次通信；

如果主站接收的数据没有错误，则结束一次无错误的通信过程，等待进行下一次通信；

如果主站没有接收到数据，则主站发送重传命令帧，将上次命令重新发送；

从站接收到重传请求帧后进行正常的数据响应，完成上传响应数据帧的恢复，等待进行下一次通信。

数据帧的帧格式为：目的地址、源地址、控制字、帧类型、数据长度、数据和校验；其中，目的地址和源地址用于通信时目标站址和源站址的识别；控制字用于数据链路层帧通信的控制；数据长度用于标识通信帧中所携带的数据的长度；帧类型用于通信中数据帧类型的识别；通信帧中的数据为应用层相关的数据；校验用于对整个数据帧的校验。

透明全双工的数据通信服务为：

在数据链路层的通信调度中采用循环调度策略，即主站不停地依次与每个从站进行通信，即使没有数据发送给该从站，也要发送一个不带数据的命令帧；

从站的响应数据跟随主站下发的命令帧上传到主站。

所述数据重传的次数由数控系统中主站的通信配置参数决定。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明为数控系统中的各设备提供了可靠、简单、高效的全双工的通信服务。由于本发明采用在一主多从(一个主站CNC和多个从站伺服驱动器或IO设备)的数控系统中，采用问答的方式和基于时槽通信网络管理(SCNM)的主从调度机制进行通信；主站从从站的应答中获取通信的状态信息，然后决定下一步是否重发，从而保证主站与从站间可靠的数据交换；同时在主站的数据链路层中实现循环调度，给应用层提供全双工的透明服务。

2.本发明易于实现，方便升级，成本低。本发明的整个协议栈分为三层：物理层、数据链路层和应用层，物理层采用标准的以太网；数据链路层采用FPGA进行设计和开发，应用软件方法实现，因此具有易于实现，方便升级，成本低的优点，方便产品化。

附图说明

图1为本发明方法中基于现场总线的数控系统体系结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明方法中数据重传流程图；

图4为本发明方法中应用的数控系统现场总线通信控制时序示意图；

图5本发明方法中应用的数控系统现场总线的通信帧格式图；

图6本发明方法中应用的全双工可靠通信结构示意图；

图7本发明方法中应用的全双工可靠通信原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在数控系统中参与通信的设备有数字控制器(CNC)、伺服驱动器、主轴设备以及输入输出设备(IO)等。CNC作为通信的主设备，会与多套伺服驱动器、主轴设备和IO设备等进行数据交换。基于现场总线的数控系统结构如图1所示。通信主站以板卡的形式插入CNC中，通信从站一般直接集成在伺服驱动器或IO设备的硬件板上。CNC的命令通过现场总线发给指定的伺服驱动器或IO设备；伺服驱动器或IO设备的响应也通过现场总线传给CNC。在加工过程中，CNC将曲线的插补位置点分别发送给各进给轴的伺服驱动器，同时将各进给轴的位置锁定并上传到CNC。插补位置命令和进给轴的位置反馈要满足同步实时(即第三类实时，通信周期小于1ms，同步抖动小于1us)的要求。本发明的通信拓朴结构可为点对点、星形连接或菊花链连接。

本发明方法应用于如图1所示的系统结构，整个通信系统中只有一个主设备，即主站，允许有多个从设备，如从站1、从站2......等。主设备与各从设备间采用一主多从、问答方式进行通信，通信时序由主设备进行控制。

本发明方法的流程如图2所示，包括以下步骤：将数控系统现场总线的主站、从站的数据链路层划分为三部分：发送和接收队列、通信调度状态机以及发送和接收缓冲区；通信调度状态机采用基于时槽通信网络管理(SCNM)的主从调度机制，将通信周期划分为实时通信、实时重发和非实时通信三个阶段；建立具有数据校验和帧控制的通信帧结构；在通信过程中，如果在实时通信阶段出现数据传输错误，则由实时重发阶段实现数据重传，并为应用层提供透明、可靠全双工的数据通信服务。

本发明基于时槽通信网络管理(SCNM)的主从调度机制，通信时序如图4所示。网络中有一个主站，和多个从站(从站1、从站2、...从站n)。主站负责管理整个通信周期的调度。通信周期划分为三个阶段，实时通信阶段、实时重发阶段和非实时通信阶段。在实时通信阶段，主站依次与每个从站进行问答式通信，即发送命令数据，接收响应数据，并从响应数据中判断通信是否失败(命令发送错误或响应接收错误)；在实时重发阶段，主站对在实时阶段通信失败的从站进行通信重发；最后是非实时通信阶段，主站根据需要与某个从站进行非实时数据的交换。

通信重发的流程如图3所示，包括以下步骤：在一次通信周期开始后，主站首先判断是否有数据要发送给从站，如果有数据发送，则主站向从站发送带数据的命令帧(具体的命令帧格式如图5所示)后，处于等待接收从站应答的状态；如果没有数据发送，则主站向从站发送不带数据的命令帧(目的是给从站上传数据的机会，从站在接收到此命令帧后，将要上传的数据放在应答帧中，发送给主站)后，处于等待接收从站应答的状态；在接收从站应答的状态，主站判断是否接收到数据，如接收到数据(说明从站进行了应答，即主站发送的命令帧被从站成功接收)，则主站判断其接收的数据是否错误，如错误(说明从站的应答数据在传输中被破坏)，则主站向从站发送重传请求帧，请求从站将上次传输的数据重新传送给主站，从站接收到重传请求帧后不再从发送FIFO中取数据，而是直接将发送缓冲的数据进行重新上传，完成上传响应数据帧的恢复，结束一次周期通信过程，等待进行下一次通信；如果主站接收的数据没有错误，则结束一次无错误的通信过程，等待进行下一次通信；如果主站没有接收到数据(说明主站发送的命令帧在传输中被破坏，从站没有成功接收，所以没有答应)，则主站发送重传命令帧，将上次命令重新发送，从站接收到重传命令帧后进行正常的响应操作，完成上传响应数据帧的恢复，结束一次周期通信过程，等待进行下一次通信。

本发明方法中所使用的数据帧格式如图5所示。整个数据帧包括目的地址、源地址、控制字、数据长度、帧类型、数据和校验。目的地址和源地址用于通信时目标站址和源站址的识别，主站发送的命令帧中，目的地址为通信的从站址，源地址为主站地址；从站发送的响应帧中，目的地址为主站地址，源地址为通信的从站地址。地址长度为16位(2个字节)，其中高字节为地址，低字节为辅助地址。地址定义为：0x00保留；0x01为主站地址；0x02保留；0x03～0xfe为从站地址；0xff为广播地址。控制字用于数据链路层帧通信的控制，如分包和组包信息等，长度为16位(2个字节)。数据长度用于标识通信帧中所携带的数据的长度，长度为8位(1个字节)，数据以字为单位(4个字节)，如0x00代表无数据；0x10代表16个字数据(64字节)。帧类型用于通信中数据帧类型的识别，长度为8位(1个字节)，其中高4位为帧类型标识，0x1代表主站发送给从站的命令；0x2为从站发给主站的响应帧，其它保留，低4位为帧状态识别，0x1为接收重传请求；0x2为发送重传；0x3为发送重传加接收重传请求；其它保留。数据为应用层相关的数据，长度为0～64字节，含义由应用层解析。校验用于对整个数据帧的校验，长度为32位(4个字节)。

本发明的通信协议栈分为三层，分别与开放系统互连(OSI：OpenSystem Interconnection)的1、2和7层等价，其结构如图6所示。通过物理通信介质，物理层用于在节点间传输物理信号电平。

本发明采用标准以太网的物理层((IEEE802.3u)，具体说明如下：通信设备和电缆间采用变压器进行电气隔离；通道编码：4B/5B MLT-3；访问控制方法：Master/Slave；连接站数：一个主站和最多62个从站通信；传输波特率：100Mbps；连接拓朴结构：菊花链、星形或点对点；连线：四线；物理介质：5类屏蔽双绞线。

数据链路层采用FPGA进行设计和开发，应用软件方法实现。数据链路层负责使用物理层提供的服务在主站和从站间进行数据传输，数据链路层提供的服务有：数据交换；检错；延时测量。数据链路层提供的是无连接的服务。尽管具有重发和消息的流控机制，并不提供数据链路连接和数据顺序控制。数据链路层包括媒体访问控制子层(MAC)和逻辑控制子层(LLC)。MAC子层和LLC子层功能都由专用芯片提供。子层功能：MAC子层使用专用芯片对传输媒体进行访问控制。同时提供错误测出和出错重传机制。LLC子层在MAC层和上层之间进行数据交换。对MAC层中测出的错误进行通知，实现MAC子层与上层之间的数据交换功能。

应用层提供主站和从站之间的通信和控制服务。主站可以是工厂中的控制器，从站可以是工厂中的不同控制设备，如伺服驱动器、变频器、IO设备和各种传感器等。应用层的通信服务可以归结为周期通信、事件通信和消息通信。

本发明的全双工可靠通信由数据链路层实现，为应用层提供透明可靠全双工的数据通信服务。主站与一个从站的通信结构如图7所示。主从站的数据链路层主要由三部分构成，发送和接收队列；通信调度状态机；发送和接收缓冲。无错误的通信过程如下：主站的应用层将要发送的数据写入主站数据链路层发送FIFO中，主站的数据链路层通信调度状态机从发送FIFO中取出数据，写入发送缓冲中，发送缓冲中的数据经由物理层发送到从站的接收缓冲中，从站的通信调度状态机从接收缓冲中取出数据，写入从站的接收FIFO中，同时从从站的发送FIFO中取出数据，写入从站的发送缓冲中，经由物理层上传到主站的接收缓冲中，主站的通信调度状态机从接收缓冲中取出数据写入主站的接收FIFO中，由此完成一次主站与从站的无差错时的数据交换。通信过程由主站控制，从站只是被动地应答主站的请求。当主站没有请求数据时，从站不主动发送数据。

通信中不可避免地会发生错误，可靠通信要完成两个功能：一个是检错，一个纠错。本发明的数据帧检错是由通信帧的校验来实现；纠错要通过本发明设计的可靠通信方法保证。在主站方，主站给从站发送数据后，处于等待接收从站应答的状态，此时可能出现三种结果：一是接收到正确的数据；二是接收到错误的数据；三是超时没有接收到数据。主站可以根据这三种状态来确定数据是否发送成功。

当接收到正确数据时，说明主站发送了正确的命令帧且被从站正确接收到，从站的响应帧也被正确接收，此时完成了一次无错误的通信过程，可以进行下一次通信。

当接收到错误数据帧时，说明主站发送了正确的命令帧且被从站正确接收到，只是从站的响应帧被破坏，此时主站要发送重传请求帧，请求从站将上次的数据重新传送，从站接收到重传请求帧后不再从送FIFO中取数据，而是直接将发送缓冲的数据进行重新上传，这样即完成上传响应数据帧的恢复。

当超时没有接收到数据时，说明主站发送的命令帧被破坏，此时主站要发送重传命令帧，将上次命令重新发送一次。从站接收到重传命令帧后，进行正常的响应操作，即完成正确的数据交换。

数据链路层采用问答的半双工方式进行通信，但对应用层提供接收和发送两个队列，在数据链路层的通信调度中采用循环调度策略，即主站不停地依次与每个从站进行通信，即使没有数据发送给该从站，也要发送一个不带数据的命令帧，这样从站的应用层写入从站数据链路层发送队列中的数据，就会由数据链路层上传到主站数据的链路层的接收队列中，从而实现对应用的全双工的服务。对应用层来说是透明数据传输，并不知道数据链路层的结构与调度方式，因此简化了应用层程序的设计。

Claims (7)

1.一种数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于包括以下步骤：

将数控系统现场总线的主站、从站的数据链路层划分为三部分：发送和接收队列、通信调度状态机以及发送和接收缓冲区；

通信调度状态机采用基于时槽通信网络管理的主从调度机制，将通信周期划分为实时通信、实时重发和非实时通信三个阶段；

建立具有数据校验和帧控制的通信帧结构；

在通信过程中，如果在实时通信阶段出现数据传输错误，则由实时重发阶段实现数据重传，并为应用层提供透明、可靠全双工的数据通信服务。

2.按权利要求1所述的数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于：由实时重发阶段实现数据重传包括以下步骤：

判断主站是否有数据发送，如果有数据发送，则主站向从站发送带数据的命令帧后，处于等待接收从站应答的状态；

判断主站是否接收到数据，如接收到数据，则主站判断其接收的数据是否错误，如错误，则主站向从站发送重传请求帧，请求从站将上次传输的数据重新传送给主站；

从站接收到重传请求帧后不再从发送FIFO中取数据，而是直接将发送缓冲的数据进行重新上传，完成上传响应数据帧的恢复，等待进行下一次通信。

3.按权利要求2所述的数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于：如果主站接收的数据没有错误，则结束一次无错误的通信过程，等待进行下一次通信。

4.按权利要求2所述的数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于：

如果主站没有接收到数据，则主站发送重传命令帧，将上次命令重新发送；

从站接收到重传请求帧后进行正常的数据响应，完成上传响应数据帧的恢复，等待进行下一次通信。

5.按权利要求1所述的数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于：数据帧的帧格式为：目的地址、源地址、控制字、帧类型、数据长度、数据和校验；其中，目的地址和源地址用于通信时目标站址和源站址的识别；控制字用于数据链路层帧通信的控制；数据长度用于标识通信帧中所携带的数据的长度；帧类型用于通信中数据帧类型的识别；通信帧中的数据为应用层相关的数据；校验用于对整个数据帧的校验。

6.按权利要求1所述的数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于：透明全双工的数据通信服务为：

在数据链路层的通信调度中采用循环调度策略，即主站不停地依次与每个从站进行通信，即使没有数据发送给该从站，也要发送一个不带数据的命令帧；

从站的响应数据跟随主站下发的命令帧上传到主站。

7.按权利要求1所述的数控系统现场总线全双工可靠通信方法，其特征在于：所述数据重传的次数由数控系统中主站的通信配置参数决定。

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