CN103192545A - 基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法，逻辑电路转换单元与数字信号处理器相连接，通过中断控制实现两者之间的数据交换，并且将DSP内置的以太网控制总线、数据总线和地址总线接入FPGA中；逻辑电路转换单元与以太网数据通讯模块，实现以太网数据通讯模块与逻辑电路转换单元之间的并行数据交换。逻辑电路转换单元通过SPI总线将控制字写入A/D，期间通过数字量隔离电路进行电气隔离；外接电压信号经A/D转换为12位高精度数字信号，然后通过数字量隔离后的串行数字信号通过SPI总线传输至逻辑电路转换单元。数字信号由逻辑电路转换单元通过SPI总线传输至数字量隔离，串行数字信号通过D/A转为模拟量信号，经放大后输出。

Description

基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压机运动控制装置。特别是涉及一种基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法。

背景技术

目前我国的工业生产已经进入一个快速发展的阶段，同时，在生产自动化程度越来越高的今天，对各类控制器的需求大大增加。在航空航天、大型装备制造、电子信息等高新领域中，对控制器的稳定性、抗干扰性、精度、速度等指标提出了更高的要求。但现如今国内运动控制器市场仍是国外产品占据大部分份额，而高水平的控制器市场几乎被几家国外公司垄断，也就是说我国现在缺乏一种自主知识产权的低成本高可靠性运动控制器。

在大型液压机生产行业，一方面受制于国外生产的运动控制器的技术垄断，我国国产液压机一直无法具备完整的自主知识产权，另一方面，大型液压机作为控制对象，其信号类型、规格要求都有其独特之处，而实际应用中多采用通用的运动控制器，这样由于信号特点、规格要求的不匹配，给生产者带来很多不便，同时也会造成不必要的资源浪费。

所以说，开发一款具备自主知识产权，能够较大限度匹配液压机控制系统的运动控制器是有意义的。

多缸液压机主要包括上位机、液压缸组、滑块、机架、油泵组、油箱、检测装置和控制系统。当液压机工作时，油泵将高压液压油从油箱抽取进油路；液压油经过比例伺服阀进入液压缸组，驱动滑块运行。滑块的速度和调平控制是通过不断的调节油路中比例伺服阀的开度，从而改变液压缸的液压油的流量来实现的。

以80MN多缸锻造液压机为例如图1所示，各组成部分如下表：

图1所示的多缸锻造液压机的工作过程如图2所示，其中，a表示停止，b表示快下，c表示慢下，d表示加压，e表示持压，f表示快回，g表示慢回，Lx1表示上限位，Lx2表示慢速下行，Lx3表示压制下行，Lx4表示下限位，Lx5表示慢速回程。

控制多缸液压机的关键是多缸液压伺服控制系统。首先，分别通过FPGA和A/D芯片将光栅尺输出的滑块的位置信息（SSI格式）和压力传感器采集的液压缸内的压力信息（电压信号）转换为主控芯片能识别的并行二进制信息。然后主控芯片根据这些信息与控制算法计算出比例伺服阀应有的开度，然后经过D/A芯片和驱动放大电路，输出给比例伺服阀，从而达到控制目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可与工控机共同组成控制系统及能够直接与执行机构信号匹配的基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于以太网的液压机运动控制器，包括逻辑电路转换单元，连接在逻辑电路转换单元的模拟量信号输入端的模拟量输入电路单元，连接在逻辑电路转换单元的数字量信号输入端的SSI总线数字信号输入单元，连接在逻辑电路转换单元的模拟量信号输出端的模拟量输出电路，所述的逻辑电路转换单元的数字量信号输入输出端通过16位并行总线连接数字信号处理器，所述的DSP数字信号处理器依次通过数字量信号调理电路及数字量输入输出模块连接液压机的伺服阀，所述的逻辑电路转换单元的数字信号输入输出端还依次通过16位并行总线和以太网通信单元连接工业以太网，所述的逻辑电路转换单元和DSP数字信号处理器还分别各连接一个JTAG调试接口电路。

所述的模拟量输入电路单元包括有依次连接的采集液压机电压信号的电压传感器、模拟量输入电压变换电路、A/D转换电路和数字隔离电路，其中，所述的数字隔离电路的输出通过SPI总线连接逻辑电路转换单元的模拟量信号输入端，所述的模拟量输入电路单元由独立电源供电路模块供电。

所述的数字信号输入单元包括有依次连接的采集液压机运动信号的光栅尺和数字信号电平转换模块，所述的数字信号电平转换模块的输出端通过8路SSI总线连接逻辑电路转换单元的数字量信号输入端。

所述的模拟量输出电路包括有依次连接的数字隔离电路、D/A转换电路及模拟量输出电压放大电路，其中，所述的数字隔离电路的输入端通过SPI总线连接逻辑电路转换单元的模拟量信号输出端，所述的模拟量输出电压放大电路的输出端连接液压机的伺服阀，所述的模拟量输出电路由独立电源供电路模块供电。

一种用于基于以太网的液压机运动控制器的控制系统，包括有接收外部数字信号电平转换模块输出信号的8路SSI采集模块和连接外部DSP数字信号处理器的DSP接口与数据存储模块，所述的DSP接口与数据存储模块具有快速共享区、数据读写区、位置与速度数据区和SPI数据区，所述的8路SSI采集模块的速度量输出分别通过M法和T法连接DSP接口与数据存储模块，所述的8路SSI采集模块还直接连接DSP接口与数据存储模块，所述的DSP接口与数据存储模块还通过数据总线连接外部的以太网通信单元，以及通过两路SPI串行总线分别连接外部的模拟量输入电路单元和模拟量输出电路。

所述的8路SSI采集模块包括有外部晶振接入的时钟产生模块、接收数字信号电平转换模块的输出信号的数据接收模块和数据转换模块，所述的时钟产生模块的输出分别连接数据接收模块，所述的数据接收模块的输出连接数据转换模块，所述的数据转换模块的输出构成8路SSI采集模块的输出。

一种基于以太网的液压机运动控制器的控制方法，包括依次进行：DSP时钟初始化、计时器初始化、模拟量输入输出初始化、数字量输入输出初始化、以太网和SPI串口通信初始化和中断向量初始化，然后对各模块的功能进行巡检后，进入主循环，所述的主循环包括进行A/D数据采集及格式转换、PID控制算法的运行、D/A数据格式转换及输出、DSP与FPGA的中断数据通讯以及以太网通讯处理。

所述的DSP与FPGA的中断数据通讯包括如下步骤：

1）中断开始，依次进行取读/写偏移地址、取读/写控制标志和取读/写个数；

2）判断中断标志是否为FF，是进入步骤3），否则进入步骤4）；

3）数据从DSP的XINTE ZONE0转移到XINTE ZONE2后进入步骤6）；

4）判断中标志是否为00，是进入步骤5），否则进入步骤6）；

5）数据从DSP的XINTE ZONE2转移到XINTE ZONE0后进入步骤6）；

6）清中断标志位，中断程序结束。

所述的以太网通讯处理，包括如下步骤：

1）底层以太网通讯模块接收数据；

2）判断是否接收到数据帧，是进入步骤3），否则返回主循环；

3）判断上层报文的协议类型，当类型是ARP报文时，进入步骤4），当类型是ICMP报文时，进入步骤5），当类型是UDP报文时，进入步骤6）；

4）进行ARP报文处理及回送后返回主循环；

5）进行ICMP报文处理及回送后返回主循环；

6）进行UDP报文处理及回送后返回主循环。

步骤2）中所述的接收到数据帧包括如下步骤：

1）判断CURR是否等于BNRY＋1，不是则进入下一步骤，是则为无正确数据包接收返回0；

2）将RSAR1＝BNRY＋1、RSAR0＝0、RBCR1＝0，RBCR0=4

3）DMA读数据包前为4Byre；暂存本数据包的长度和下一个包的起始页地址；

4）判断数据包是否被正确接收，是则进入下一步骤，否则为无正确数据包接收返回0；

5）将RevLength=本数据包长度－4；RSAR1=BNRY+1；RSAR0＝4；RBCR1/0＝RevLength；

6）DMA读整个有效数据包；将RevLength个字节存入DSP的接收数据缓冲区RevBuffer[500]；

7）BNRY指向下一个包的起始页地址－1；

8）判断以太网帧所携带的上层数据类型；

9）ARP报文返回1；IP数据包返回2；

步骤2）中所述的报文回送包括如下步骤：

1）判断TXP是否等于0，是进入下一步骤，否则继续判断；

2）判断发送包长度Count是否小于60，是则将Count＝60后进入下一步骤，否则进入下一步骤；

3）设置RSAR1和RSAR0为发送缓冲区地址，RBCR1和RBCR0为本地DMA传送数据长度Count；

4）远程DMA写网卡RAM；CR＝0×12；

5）设置TPAR为发送缓冲区起始页地址，TBCR1和TBCR0为本地DMA传送数据长度Count；

6）CR＝0×3E，将TXP位置高，以启动数据包发送，并返回主循环；

步骤2）中所述的ARP报文处理包括如下步骤：

1）判断ARP报文中目标IP是否为本地IP，是进入下一步骤，否则返回主循环；

2）判断ARP报文类型，当报文是应答报文时，将应答报文中的源MAC地址存入计算机的ARP表项后返回主循环，当报文是请求报文时，进入下一步骤；

3）刷新远程计算机的ARP表项；

4）将ARP请求帧改为ARP应答帧后返回主循环；

步骤2）中所述的ICMP和UDP报文处理包括如下步骤：

1）保存IP数据包的总长度和IP首部长度；

2）保存数据包的源IP和MAC地址作为回送地址；

3）判断IP首部的协议字段的长度，当长度为17时进入步骤5），当长度为1时进入步骤4）；

4）判断ICMP报文中的类型字段是否为8，是则发送类型字段＝0的Ping回送报文后返回主循环；否则直接返回主循环；

5）对UDP包的数据部分进行用户自定义查询，或修改指令解析；

6）本地回送一个包含状态信息的UDP包给远程计算机后返回主循环。

本发明的基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法，成本低、可靠性高、使用和维护简单，并且可与工控机共同组成控制系统及能够直接与执行机构信号匹配。本发明的控制器可以通过以太网接口接入局域网中，与局域网内的其他设备共同组成一套完整的控制系统，实现了控制系统的整体化，用户可根据不同的控制要求扩充不同的以太网设备，使系统的功能更加完善，并且本发明中的外接调理板于现场可编程门阵列（FPGA）相连，并可根据不同的需求调换不同的调理板以实现不同的性能（如改变D/A的精度等）。本发明的控制方法，在现场可编程门阵列EQ2C8Q208上编写并固化了8路高速位置（SSI）接口，和相应的速度计算算法（M法和T法），以实现高速的位置和速度检测，节省了DSP上运动控制算法的运行周期；在数字信号处理器TMS320F2812上，编写了与现场可编程门阵列EQ2C8Q208通讯的中断运行子程序，实现两者之间的快速数据交换，并写了与RTL8019的通讯程序，实现了基于UDP协议的通讯连接。

附图说明

图1是多缸锻造液压机的运行结构示意图；

图2是多缸锻造液压机的工作行程曲线图；

图3是多缸锻造液压机控制系统原理图；

图4是多缸锻造液压机控制方框图；

图5是控制器内部模块构成图；

图6是图5中8路SSI采集模块构成图；

图7是M法流程图；

图8是T法流程图；

图9是DSP控制程序流程图；

图10是图9中中断子程序流程图；

图11是图9中以太网通讯总函数流程图；

图12是图11中接收包程序流程图；

图13是图11中发送包程序流程图；

图14是图11中以太网通讯ARP解析函数流程图；

图15是图11中以太网通讯IP包解析函数流程图；

图16是PID算法流程图。

图中，

1：逻辑电路转换单元      2：数字信号处理器

3：以太网通信单元        4：工业以太网

5：SSI信号输入单元       6：模拟量输入电路单元

7：模拟量输出电路        8：数字量信号调理电路

9：数字量输入输出模块    10：JTAG调试接口电路

11：JTAG调试接口电路     12：独立电源供电路模块

13：液压机                    14：局域网

15：码制判别                  16：外部晶振

51：光栅尺                    52：数字信号电平转换模块

61：压力传感器                62：模拟量输入电压变换电路

63：A/D转换电路               64：数字量隔离电路

71：数字量隔离电路            72：D/A转换电路

73：模拟量输出电压放大电路

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法做出详细说明。

本发明的基于以太网的液压机运动控制器以及控制系统和控制方法，运动控制器可通过以太网接口连接到工控机上，与工控机、信号调理板、被控对象组成一套完整的控制系统，实现了控制系统的整体化，用户可根据不同的控制要求扩充不同性能的以太网控制器使控制系统的功能更加的完善。并且本发明中的外接调理板与FPGA相连，可根据不同的需求调换不同的调理板以实现不同的性能。在FGPA上烧写了8路高速位置（SSI）接口和相应的速度计算方法（M法和T法），以实现高速的位置和速度检测，缩减DSP上运动控制算法的运行周期，从而提高控制系统的整体响应速度。

如图3、图4所示，本发明的基于以太网的液压机运动控制器，包括由型号为EQ2C8Q208逻辑电路转换模块构成的逻辑电路转换单元1，连接在逻辑电路转换单元1的模拟量信号输入端的模拟量输入电路单元6，连接在逻辑电路转换单元1的数字量信号输入端的SSI总线数字信号输入单元5，连接在逻辑电路转换单元1的模拟量信号输出端的模拟量输出电路7，所述的逻辑电路转换单元1的数字量信号输入输出端通过16位并行总线连接的型号为TMS320F2812的数字信号处理器（DSP）2，EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与TMS320F2812数字信号处理模块相连接，通过中断控制方式实现两者之间的数据交换，并且将DSP内置的以太网控制总线、数据总线和地址总线接入FPGA中。所述的DSP数字信号处理器2依次通过数字量信号调整电路8及数字量输入输出模块9连接液压机的伺服阀，所述的逻辑电路转换单元1的数字信号输入输出端还依次通过16位并行总线和型号为RTL8019的以太网通信单元3连接工业以太网4，EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与RTL8019以太网通信单元，实现RTL8019AS与EQ2C8Q208逻辑转换电路之间的并行数据交换，将控制器接入以太网。所述的逻辑电路转换单元1和DSP数字信号处理器2还分别各连接一个JTAG调试接口电路10、11。

数字信号处理器TMS320F2812通过XREADY、XR/W、

GPIIOE0_XINT1引脚实现TMS320F2812与EQ2C8Q208的16位数并行通信，XA[0]～XA[13]引脚配置为14位地址位，XD[0]～XD[15]引脚配置为16位数据位。为实现EQ2C8Q208与TMS320F2812的数据传输，在以上硬件连接的基础上，定制了基于中断控制字的中断读写模式，EQ2C8Q208产生外部中断信号，通过TMS320F2812识别EQ2C8Q208中读写标志位来实现相应的读写控制。

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与TMS320F2812数字信号处理模块相连接，通过中断控制方式实现两者之间的数据交换，所述TMS320F2812数字信号处理模块与JTAG调试电路接口模块相连接，实现对TMS320F2812数字信号处理模块的算法程序写入和监控。

以太网通信单元RTL8019AS将IORB、IOWB、RSTDRV、AEN、IOCHRDY引脚配置为以太网通信控制接口，将SA0～SA19引脚配置为20位地址位，将SD0～SD15引脚配置为16位数据位。为了实现EQ2C8Q208与RTL8019AS的数据传输，在以上硬件连接的基础上，编制了基于UDP协议的底层驱动程序，通过DSP发送接收子程序与以太网其他设备进行数据交换。

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与RTL8019的以太网接口电路模块相连接，采用并行数据传输方式，数据位最大可达16位，地址位最大可达20位，所述RTL8019AS的以太网接口电路模块与RJ45插头相连接，通过此插头接入局域网中，可以通过UDP协议与网内其他设备相连接。

逻辑电路转换单元EQ2C8Q208将引脚TCK、TDO、TMS、TDI、VCC、GND配置为JTAG调试接口。JTAG引脚的定义为：TCK为测试时钟输入。TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式。TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出。

在使用PC机进行在线调试时，一方面，程序通过JTAG调试接口传给逻辑电路转换单元。另一方面，调试命令和数据通过并口传给控制器。

来自于外部的0V或5V电压信号从开关量输入端口输入。开关量调理电路包括8路功能相同电路，开关量输入端口第一至第八路的0V或5V电压信号通过数字量信号调整电路ADuM1400ARW进行电压变换隔离，将0V或5V电压信号转为0V或3.3V电压信号输出，第一至第八路开关量调理电路的输出连接至EQ2C8Q208的第一至第八路开关量对应的引脚。若对应引脚为高电平，则读取相应位为1；若对应引脚为低电平，则读取相应位为0。

EQ2C8Q208将八个通用I/O接口引脚设置为开关量功能，并将第一至第八通道的对应寄存器的值0或1输出第一至第八路开关量对应的功能引脚。若寄存器值为1，则输出3.3V；若寄存器值为0，则输出0V。第一至第八路开关量对应的引脚上的电压信号通过数字量信号调整电路ADuM1400ARW进行电压变换隔离，将0V或3.3V电压信号转为0V或5V电压信号输出。

所述的模拟量输入电路单元6包括有依次连接的采集液压机电压信号的电压传感器61、模拟量输入电压变换电路62、型号为AD7928的A/D转换电路63和型号为IOS721的数字量隔离电路64，其中，所述的数字量隔离电路64的输出通过SP总线连接逻辑电路转换单元1的模拟量信号输入端，所述的模拟量输入电路单元6由独立电源供电路模块12供电。

逻辑电路转换单元1通过SPI总线将控制字写入A/D转换电路63，期间通过芯片TLP117进行电气隔离；外接端子接收变送器输入的0～10V电压信号，通过电阻分压得到0～5V标准电压信号，经再A/D转换电路63转换为12位高精度数字信号，然后通过数字量隔离电路IOS721进行数字信号的电气隔离，隔离后的串行数字信号通过SPI总线传输至逻辑电路转换单元1。

模拟量输入信号为0～10V电压信号，通过电阻分压转为0～5V电压信号，并将转换后的信号给A/D转换电路中的A/D转换芯片A/D7928，得到12位串行数字量电压值。此串行数字量传输至数字量隔离电路IOS721，IOS721将接收到的数字信号进行电气隔离，输出与逻辑电路转换单元EQ2C8Q208电平相匹配的SPI串行总线信号，EQ2C8Q208接收到此SPI总线信号进行处理。另外，A/D转换芯片工作模式受EQ2C8Q208传来的控制字控制，控制字传输期间由隔离芯片TLP117进行电气隔离，传输方式同为SPI串行总线传输。

所述的数字信号输入单元5包括有依次连接的采集液压机运动信号的光栅尺51和型号为MAX3490的数字信号电平转换模块52，所述的数字信号电平转换模块52的输出端通过8路SSI总线连接逻辑电路转换单元1的数字量信号输入端。本发明将数字信号电平转换模块SSI采集，数字量输入输出和模拟量输出都设定制为8路，模拟量输出通过放大电路变为0～10V模拟信号信号输出。

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与8路SSI同步串行数据采集模块相连接，采用数字信号电平转换模块MAX3490将光栅尺输入的差分信号转换为0～3.3V的TTL电平信号，所述8路SSI同步串行数据采集模块与外接端子相连接，并在两差分信号之间添加电阻，确保电压稳定。

所述的模拟量输出电路7包括有依次连接的型号为TLP117的数字量隔离电路71、型号为A/D5628的D/A转换电路72及模拟量输出电压放大电路73，其中，所述的数字量隔离电路71的输入端通过SPI总线连接逻辑电路转换单元1的模拟量信号输出端，所述的模拟量输出电压放大电路73的输出端连接液压机的伺服阀，所述的模拟量输出电路7由独立电源供电路模块12供电。

数字信号由逻辑电路转换单元1通过SPI总线传输至数字量隔离电路71，在此进行数字信号的电气隔离，串行数字信号通过D/A转换电路72将12位高精度数字信号转换为模拟量信号，在经过电压信号放大电路转换为标准0～10电压信号输出。

逻辑电路转换单元将模拟量输出量变量对应于0～4095，通过SPI总线传输给D/A数字量隔离电路TLP117，数字量隔离电路对接收到的SPI总线数据进行电平转换隔离，将转换后的数字信号传送至D/A转换电路AD5628。

模拟量电压转换电路共包括八路结构相同的电压转换电路。模拟量电压转换电路的第一至第八路输入同时连接D/A转换芯片的0～5V电压信号输出通道。模拟量电压转换电路将对应通道的0～5V电压信号转0～10V电压信号。模拟量电压转换电路的八路0～10V电压信号输出至模拟量输出端子的对应通道，模拟量输出信号即为0～10V。

本发明的基于以太网的液压机运动控制器中：

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与数字电路隔离芯片TLP117相连接，两者通过SPI串行总线由EQ2C8Q208逻辑转换电路模块向TLP117进行单向数据传输，实现电气之间的隔离和高达10M的串行数据通讯，所述数字电路隔离芯片TLP117与D/A转换芯片AD5628相连接，所述D/A转换芯片AD5628与模拟量输出电压放大电路模块LM224J相连接，所述模拟量输出电压放大电路模块LM224J与外接端子相连接，其输出可驱动执行器。

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与数字电路隔离芯片TLP117相连接，两者通过SPI串行总线由EQ2C8Q208逻辑转换电路模块向TLP117进行单向数据传输，实现电气之间的隔离和高达10M的串行数据通讯；所述A/D转换芯片AD7928与隔离芯片IOS721相连接，所述隔离芯片IOS721与EQ2C8Q208相连接，串行数字信号由AD转换电路向EQ2C8Q208单向传输，并实现电气之间的隔离；所述数字电路隔离芯片TLP117与A/D转换芯片AD7928相连接，所述A/D转换芯片AD7928与外接端子相连接，作为模拟量数据接口。

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与JTAG程序下载接口模块相连接，可以完成对EQ2C8Q208逻辑转换电路模块的程序下载。

所述EQ2C8Q208逻辑转换电路模块与数字隔离芯片ADuM1400ARW相连接，实现电气之间的隔离，所述数字隔离芯片ADuM1400ARW与外接端子相连接，实现数字量的输入和输出。

如图5、图6所示，本发明的用于基于以太网的液压机运动控制器的控制系统（即逻辑电路转换单元），包括有接收外部数字信号电平转换模块52输出信号的8路SSI采集模块101和连接外部DSP数字信号处理器2的DSP接口与数据存储模块104，所述的DSP接口与数据存储模块104具有快速共享区1041、数据读写区1042、位置与速度数据区1043和SPI数据区1044，所述的8路SSI采集模块101的速度量输出分别通过M法102和T法103连接DSP接口与数据存储模块104，所述的8路SSI采集模块101还直接连接DSP接口与数据存储模块104，所述的DSP接口与数据存储模块104还通过数据总线连接外部的以太网通信单元3，以及通过两路SPI串行总线分别连接外部的模拟量输入电路单元6和模拟量输出电路7。

所述的8路SSI采集模块101包括有外部晶振16接入的时钟产生模块1011、接收数字信号电平转换模块52的输出信号的数据接收模块1012和数据转换模块1013，所述的时钟产生模块1011的输出分别连接数据接收模块1012以及外部晶振16，所述的数据接收模块1012的输出连接数据转换模块1013，所述的数据转换模块1013的输出构成8路SSI采集模块101的输出。

数据接收模块1012和数据转换模块1013用于：将输入的同步串行信号转变为12位高精度并行数字信号；DSP通过中断数据通讯子程序获取FPGA存储区中的数据，并按规定数制变换将其变换为控制算法运行可用的数据格式；

DA数据格式转换及输出模块用于：将控制信号通过规定的数值转换成对应DA芯片的12位数字量，通过FPGA的两路SPI串行总线分别以同步串行信号形式传输至AD转换芯片6和DA转换芯片7，进而得到所要的模拟量；

逻辑电路转换单元1具有简单高效，使用灵活等特点，以它为基础，提高了接口的实时性，快速性和灵活性。使用Verilog HDL语言对其编程在逻辑电路转换单元1内部实现了多种逻辑功能，包括SSI采集模块、T法和M法测速模块、SPI总线模块和数据中转模块。逻辑电路转换单元1内部逻辑功能结构框图如图5所示。逻辑电路转换单元1内包含大量的逻辑单元，在上电后逻辑电路转换单元1自动根据所下载程序来配置这些逻辑单元，就相当于将电路放到了芯片内，具有很高的实时性和快速性，所以本发明中将一些初级程序，如T法和M法测速等功能在逻辑电路转换单元1上实现。这样不但大大提高了采样频率，而且节省了主控程序所需的资源，大大减小了一个控制周期所需的时间，使其能满足更高的控制需求。

本发明已经在逻辑电路转换单元1中的EQ2C8Q208里固化了高速位置（SSI）采集模块、M法和T法速度计算模块、SPI串行数据通讯模块、TMS320F2812中断控制和仲裁模块、RTL8019并行总线数据通讯模块（后两模块包含在双口RAM中）以保证系统各个部分的顺利通讯，并能进行有效的控制，具体逻辑设计如图8所示。

SSI通讯协议为缩写，其全称为同步串行接口。SSI采用主机主动读方式，即主控器对从设备发出一个时钟脉冲，从设备输出一位数据，数据从最高有效位（MSB）开始传输。根据输入SSI信号的时序要求，将SSI采集模块分为时钟产生模块、数据接收模块和数据转换模块。其结构图如图6所示。此模块可根据所选液压机所带光栅尺格式的不同（二进制和格雷码）主动向外设输出时钟信号，并将光栅尺传入的串行位置数据转换为32位并行数据。为本设计采用的是连续采样，采样周期为T，T为一可设定值（从1M到10K）。利用FPGA的特性，在其内实现8路并行SSI采样，并采用同一系统时钟，这样就确保了位置采样的实时性和同步。

测速模块则是根据SSI通信模块转换后的并行数据和采样时钟，分别按T法和M法进行速度计算，以实现速度快速计算，减少后续控制算法所需资源。由于本设计采用的是连续采样，并且采样频率较高，所以可以用采样周期T为系统计时的单位时间。

在本发明中，EQ2C8Q208逻辑转换电路模块上实现了一个68×16位的双口RAM，此双口RAM为SPI总线模块和数据中转模块的载体。双口RAM的两端分别主要根据PCI9054的局部总线协议和DSP的外设16位总线协议编写读写控制，其与DSP通信使用的是DSP的16位外部总线，物理地址对应于DSP的0区（既起始地址为0X2000）。

根据实际需求将双口RAM的不同存储区分成不同的功能区，根据不同区的需求做了不同的限定。其中快速共享区的大小为16×16位，设定DSP可读写，数据传输效率最快，用于存放DSP需要快速传输的数据。

设置数据读写区，DSP可读写，大小为16×16位。数据读写区的前32位为读写控制字，定义如下：31—16位：偏移地址量，用于区分中断后读写的地址区。15—8位：读/写中断标志，当这八位是FF时，表示进入中断后执行写程序，当这八位是00时，表示进入读中断，进入中断后执行读程序。7—0位：这八位表示一次要读/写的个数。数据读写区的最后32位为中断开启控制字，当其全为1时，INT信号变低，使DSP进入中断。当其全为0时，INT信号变高。DSP内编写相应的中断程序，以实现数据的转换。

位置与速度区，大小为32×16位用于存放由SSI采集模块和测速模块产生的位置信号和速度信号，其对DSP为只读。

SPI区分为两个SPI每个大小都为2×16位，其中前32位用于与对D/A的控制，最后两个16位存储区位A/D的控制寄数据存器和数据寄存器。此区外带并行转串行功能，当SPI_CS_DA为低电平时将前32并行数据转换成SPI数据输出给调理板上的DA。当SPI_CS_AD为低电平时将控制寄数据存器并行数据转换成SPI数据输出给调理板上的AD并接收器传来的数据转换为并行数据，存在数据寄存器中。此区只对DSP开放，并且最后16位为只读[10-11]。

由于对双口RAM读写有可能是对同一个16为储存单元操作，所以需要互相屏蔽，并设定优先级。为解决以上问题，在本发明中使用DSP延时读写功能，在有一端口对双口RAM操作时，将除此端口外的端口的READY信号设为无效状态，表示双口RAM处于‘忙’状态。并且测速模块和SSI检测模块只有在双口RAM‘空闲’状态时才可将数据存入双口RAM中。双口RAM的另一个端口对外设开放，为一般可随机读写端口。为了防止对同一地址单元访问的竞争控制并且实现数据的实时刷新，SSI_CS被设计为，在GATE信号变为高电平后T时间内有效，T等于1.5倍外设正常读写周期（READY一直有效时的读写周期）。并且在双口RAM中加入了互锁机制，使在同一时间内只有一端口能RAM进行访问。READY信号为空闲标志信号，当外设端口被锁定时，READY信号无效，使外设进入读写等待状态。

所述的M法102如图7所示，所述的T法103如图8所示，可以分别计算液压机滑块在快速和慢速两种不同状态下的速度。

如图9所示，本发明的基于以太网的液压机运动控制器的控制方法，包括依次进行：DSP时钟初始化、计时器初始化、模拟量输入输出初始化、数字量输入输出初始化、以太网和SPI串口通信初始化和中断向量初始化，然后对各模块的功能进行巡检后，进入主循环，所述的主循环包括进行A/D数据采集及格式转换、PID控制算法的运行、D/A数据格式转换及输出、DSP与FPGA的中断数据通讯以及以太网通讯处理。

如图10所示，所述的DSP与FPGA的中断数据通讯包括如下步骤：

1）中断开始，依次进行取读/写偏移地址、取读/写控制标志和取读/写个数；

2）判断中断标志是否为FF，是进入步骤3），否则进入步骤4）；

3）数据从DSP的XINTE ZONE0转移到XINTE ZONE2后进入步骤6）；

4）判断中标志是否为00，是进入步骤5），否则进入步骤6）；

5）数据从DSP的XINTE ZONE2转移到XINTE ZONE0后进入步骤6）；

6）清中断标志位，中断程序结束。

在以太网环境下的UDP数据的协议应用层数据Data交给传输层，在传输层封装UDP首部构成UDP包；UDP包交给网络层，在网络层封装IP首部构成IP数据包；IP数据包交给链路层，在链路层封装帧头和帧尾构成以太网帧进行传输。

当工控机发出指令，要读或写某一轴的参数时，首先写入中断控制字，逻辑电路转换单元根据控制字产生中断信号，DSP进入外部中断程序。DSP内外部中断程序识别中断控制字，同时实现逻辑电路转换单元与外部存储的数据交换，然后再读写相关数据，便可读写某一特定参数值，DSP内中断读写程序流程如图10所示。中断控制字设定如下：

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

定义如下：

①31—16位：偏移地址量，用于区分中断后读写的地址区。

②15—8位：读/写中断标志，当这八位是FF时，进入中断后执行写程序，当这八位是00时，进入读中断，进入中断后执行读程序。

7—0位：这八位是一次要读/写的个数。

由链路层的以太网帧协议和ARP协议、网络层的IP协议和ICMP协议、传输层的UDP协议构成的简化TCP/IP协议簇已在F2812上用软件实现。如图11所示，所述的以太网通讯处理，具体包括如下步骤：

1）底层以太网通讯模块接收数据；

2）判断是否接收到数据帧，是进入步骤3），否则返回主循环；

3）判断上层报文的协议类型，当类型是ARP报文时，进入步骤4），当类型是ICMP报文时，进入步骤5），当类型是UDP报文时，进入步骤6）；

4）进行ARP报文处理及回送后返回主循环；

5）进行ICMP报文处理及回送后返回主循环；

6）进行UDP报文处理及回送后返回主循环。

如图12所示，步骤2）中所述的接收到数据帧包括如下步骤：

1）判断CURR是否等于BNRY＋1，不是则进入下一步骤，是则为无正确数据包接收返回0；

2）将RSAR1＝BNRY＋1、RSAR0＝0、RBCR1＝0，RBCR0=4

3）DMA读数据包前为4Byre；暂存本数据包的长度和下一个包的起始页地址；

4）判断数据包是否被正确接收，是则进入下一步骤，否则为无正确数据包接收返回0；

5）将RevLength=本数据包长度－4；RSAR1=BNRY+1；RSAR0＝4；RBCR1/0＝RevLength；

6）DMA读整个有效数据包；将RevLength个字节存入DSP的接收数据缓冲区RevBuffer[500]；

7）BNRY指向下一个包的起始页地址－1；

8）判断以太网帧所携带的上层数据类型；

9）ARP报文返回1；IP数据包返回2；

如图13所示，步骤2）所述的报文回送（DSP对RTL8019AS的接收包处理函数）包括如下步骤：

1）判断TXP是否等于0，是进入下一步骤，否则继续判断；

2）判断发送包长度Count是否小于60，是则将Count＝60后进入下一步骤，否则进入下一步骤；

3）设置RSAR1和RSAR0为发送缓冲区地址，RBCR1和RBCR0为本地DMA传送数据长度Count；

4）远程DMA写网卡RAM；CR＝0×12；

5）设置TPAR为发送缓冲区起始页地址，TBCR1和TBCR0为本地DMA传送数据长度Count；

6）CR＝0×3E，将TXP位置高，以启动数据包发送，并返回主循环；

每当有数据包发至该网卡时，网卡首先通过本地DMA通道将接收到的数据帧缓存于接收缓冲区中，在接收帧时，本地DMA通道将接收到的帧从CURR所指页加4字节的位置开始存放，当接收到的帧完全存入接收缓冲区后，在先前空出的4个字节空间中，依次存入帧接收状态信息、下一页指针、帧长度。以上操作均由RTL8019AS自动完成。

编程时，应先在DSP主程序中定义接收缓冲区数组全局变量和接收有效数据帧长度全局变量，用于在接收包处理程序中通过远程DMA读命令将网卡内收到的数据包存入其中，供主程序处理。

链路层主要完成在网络上发送和接收物理帧，并实现ARP（地址解析协议）。链路层的一部分工作已经由RTL8019AS完成，其数据通信协议采用IEEE802．3标准，它只处理接收地址与本机物理地址相符或为广播地址的以太网帧，并且只对ARP和IP数据报进行处理。

在完成了链路层的以太网帧封装后，还须实现ARP，即地址解析协议。ARP是将IP地址解析为以太网MAC地址（或称物理地址）的协议。IP数据报文必须封装成帧才能通过物理网络发送，因此发送站还必须有接收站的物理地址，所以需要一个从IP地址到物理地址的映射，而ARP正是在链路层上完成从IP地址到MAC地址映射的协议。在arp.c文件中定义了两个全局ARP表项，分别存有控制器和远程计算机的IP地址和MAC地址，每当控制器收到ARP报文都会刷新远程计算机的ARP表项，用以在控制器随后的发送操作中填写目的IP地址和目的MAC地址。对本地收到的ARP报文需要进行解析，如图14所示：

即步骤2）中所述的ARP报文处理（DSP对RTL8019AS的发送包函数流程）包括如下步骤：

1）判断ARP报文中目标IP是否为本地IP，是进入下一步骤，否则返回主循环；

2）判断ARP报文类型，当报文是应答报文时，将应答报文中的源MAC地址存入计算机的ARP表项后返回主循环，当报文是请求报文时，进入下一步骤；

3）刷新远程计算机的ARP表项；

4）将ARP请求帧改为ARP应答帧后返回主循环；

编程时，应先在DSP主程序中定义发送缓冲区数组全局变量，用于存储DSP待发送的数据包。

网络层主要完成按网络标准封装数据包，主要实现IP协议和ICMP协议。根据IP协议，在数据前添加IP报头构成IP数据包。注意，IP数据包是作为数据封装在以太网帧中传送的，即对IP数据包的接收解析和发送，应务必使DSP主程序中接收和发送全局缓冲区遵从{以太网帧头+IP首部+数据Data}的存储结构。在完成了网络层的IP数据报封装后，还须实现ICMP。ICMP报文由ICMP报头+ICMP数据组成。ICMP报文是作为数据封装在IP数据包中传送的，而IP数据包又是作为数据封装在以太网帧中传送的，即对ICMP报文的接收解析和发送，应务必使DSP主程序中接收和发送全局缓冲区遵从{以太网帧头+IP首部+ICMP报文}的存储结构。

对本地收到的IP数据报需要进行解析，在arp.c文件中定义了远程计算机的ARP表项，存有远程计算机的IP地址和MAC地址全局变量，程序中每当控制器收到以太网帧都会用帧的源IP地址和源MAC地址刷新远程计算机的ARP表项，用以在控制器随后的发送操作中填写目的IP地址和目的MAC地址；必须根据IP首部的协议字段确定本地接收到的是ICMP数据包还是UDP数据包，以进行不同处理。IP包解析函数流程如图15所示：

即步骤2）所述的ICMP和UDP报文处理包括如下步骤：

1）保存IP数据包的总长度和IP首部长度；

2）保存数据包的源IP和MAC地址作为回送地址；

3）判断IP首部的协议字段的长度，当长度为17时进入步骤5），当长度为1时进入步骤4）；

4）判断ICMP报文中的类型字段是否为8，是则发送类型字段＝0的Ping回送报文后返回主循环；否则直接返回主循环；

5）对UDP包的数据部分进行用户自定义查询，或修改指令解析；

传输层主要提供两台主机间端到端的数据传输，该层包含TCP协议和UDP协议。TCP虽能提供面向连接的可靠数据传输，但复杂的TCP协议会导致数据传输的效率和实时性受到很大影响；UDP虽然仅提供面向非连接的数据传输，但UDP协议简单高效，易于在微处理器上实现，多用于对实时性要求较高的、数据量不是特别大的传输场合。基于以上分析，本发明中在传输层仅实现UDP协议。

由UDP协议，在数据前添加UDP首部构成UDP包。UDP数据包是作为数据封装在IP数据包中传送的，而IP数据包又是作为数据封装在以太网帧中传送的，即对UDP数据包的接收解析和发送，应务必使DSP主程序中接收和发送全局缓冲区遵从{以太网帧头+IP首部+UDP首部+数据Data}的存储结构。

6）本地回送一个包含状态信息的UDP包给远程计算机后返回主循环。

如图16所示，所述的PID控制算法包括依次进行的初始公DSP、设置PID参数、计算偏差、由偏差值计算响应值以及响应值输出。具体运算过程如下：

$u\left(\mathrm{kT}\right)=K_p\{e\left(\mathrm{kT}\right)+(T/T_i)\underset{0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)+(T_d/T)[e\left(\mathrm{kT}\right)-e(\mathrm{kT}-T)\left]\right\}$

$u\left[(k-1)T\right]=K_{p}e\left[(k-1)T\right]+K_i\underset{0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)+K_d\left\{e\right[(k-1)T]-e[(k-2)T\left]\right\}$

$u\left(\mathrm{kT}\right)=K_{p}e\left(\mathrm{kT}\right)+K_i\underset{0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)+K_d[e\left(\mathrm{kT}\right)-e(\mathrm{kT}-T)]\}$

Δu(kT)=u(kT)-u[(k-1)T]

=K_p{e(kT)-e[(k-1)T]}+K_ie(kT)+K_d{e(kT)-2e[(k-1)T]+e[(k-2)T]}

那么有：u(kT)=u[(k-1)T]+Δu(kT)，

其中，e(kT)表示第k个采样周期中的误差值，K_p表示比例系数，T_i表示积分时间常数，T_d表示微分时间常数，u(kT)表示第k次采样周期后的控制输入。

Claims (10)

1.一种基于以太网的液压机运动控制器，其特征在于，包括逻辑电路转换单元（1），连接在逻辑电路转换单元（1）的模拟量信号输入端的模拟量输入电路单元（6），连接在逻辑电路转换单元（1）的数字量信号输入端的SSI总线数字信号输入单元（5），连接在逻辑电路转换单元（1）的模拟量信号输出端的模拟量输出电路（7），所述的逻辑电路转换单元（1）的数字量信号输入输出端通过16位并行总线连接数字信号处理器（2），所述的DSP数字信号处理器（2）依次通过数字量信号调理电路（8）及数字量输入输出模块（9）连接液压机的伺服阀，所述的逻辑电路转换单元（1）的数字信号输入输出端还依次通过16位并行总线和以太网通信单元（3）连接工业以太网（4），所述的逻辑电路转换单元（1）和DSP数字信号处理器（2）还分别各连接一个JTAG调试接口电路（10、11）。

2.根据权利要求1所述的基于以太网的液压机运动控制器，其特征在于，所述的模拟量输入电路单元（6）包括有依次连接的采集液压机电压信号的电压传感器（61）、模拟量输入电压变换电路（62）、A/D转换电路（63）和数字隔离电路（64），其中，所述的数字隔离电路（64）的输出通过SPI总线连接逻辑电路转换单元（1）的模拟量信号输入端，所述的模拟量输入电路单元（6）由独立电源供电路模块（12）供电。

3.根据权利要求1所述的基于以太网的液压机运动控制器，其特征在于，所述的数字信号输入单元（5）包括有依次连接的采集液压机运动信号的光栅尺（51）和数字信号电平转换模块（52），所述的数字信号电平转换模块（52）的输出端通过8路SSI总线连接逻辑电路转换单元（1）的数字量信号输入端。

4.根据权利要求1所述的基于以太网的液压机运动控制器，其特征在于，所述的模拟量输出电路（7）包括有依次连接的数字隔离电路（71）、D/A转换电路（72）及模拟量输出电压放大电路（73），其中，所述的数字隔离电路（71）的输入端通过SPI总线连接逻辑电路转换单元（1）的模拟量信号输出端，所述的模拟量输出电压放大电路（73）的输出端连接液压机的伺服阀，所述的模拟量输出电路（7）由独立电源供电路模块（12）供电。

5.一种用于权利要求1所述的基于以太网的液压机运动控制器的控制系统，其特征在于，包括有接收外部数字信号电平转换模块（52）输出信号的8路SSI采集模块（101）和连接外部DSP数字信号处理器（2）的DSP接口与数据存储模块（104），所述的DSP接口与数据存储模块（104）具有快速共享区（1041）、数据读写区（1042）、位置与速度数据区（1043）和SPI数据区（1044），所述的8路SSI采集模块（101）的速度量输出分别通过M法（102）和T法（103）连接DSP接口与数据存储模块（104），所述的8路SSI采集模块（101）还直接连接DSP接口与数据存储模块（104），所述的DSP接口与数据存储模块（104）还通过数据总线连接外部的以太网通信单元（3），以及通过两路SPI串行总线分别连接外部的模拟量输入电路单元（6）和模拟量输出电路（7）。

6.权利要求5所述的用于基于以太网的液压机运动控制器的控制系统，其特征在于，所述的8路SSI采集模块（101）包括有外部晶振（16）接入的时钟产生模块（1011）、接收数字信号电平转换模块（52）的输出信号的数据接收模块（1012）和数据转换模块（1013），所述的时钟产生模块（1011）的输出分别连接数据接收模块（1012），所述的数据接收模块（1012）的输出连接数据转换模块（1013），所述的数据转换模块（1013）的输出构成8路SSI采集模块（101）的输出。

7.一种权利要求1所述的基于以太网的液压机运动控制器的控制方法，其特征在于，包括依次进行：DSP时钟初始化、计时器初始化、模拟量输入输出初始化、数字量输入输出初始化、以太网和SPI串口通信初始化和中断向量初始化，然后对各模块的功能进行巡检后，进入主循环，所述的主循环包括进行A/D数据采集及格式转换、PID控制算法的运行、D/A数据格式转换及输出、DSP与FPGA的中断数据通讯以及以太网通讯处理。

8.根据权利要求7所述的基于以太网的液压机运动控制器的控制方法，其特征在于，所述的DSP与FPGA的中断数据通讯包括如下步骤：

1）中断开始，依次进行取读/写偏移地址、取读/写控制标志和取读/写个数；

2）判断中断标志是否为FF，是进入步骤3），否则进入步骤4）；

3）数据从DSP的XINTE ZONE0转移到XINTE ZONE2后进入步骤6）；

4）判断中标志是否为00，是进入步骤5），否则进入步骤6）；

5）数据从DSP的XINTE ZONE2转移到XINTE ZONE0后进入步骤6）；

6）清中断标志位，中断程序结束。

9.根据权利要求7所述的基于以太网的液压机运动控制器的控制方法，其特征在于，所述的以太网通讯处理，包括如下步骤：

1）底层以太网通讯模块接收数据；

2）判断是否接收到数据帧，是进入步骤3），否则返回主循环；

3）判断上层报文的协议类型，当类型是ARP报文时，进入步骤4），当类型是ICMP报文时，进入步骤5），当类型是UDP报文时，进入步骤6）；

4）进行ARP报文处理及回送后返回主循环；

5）进行ICMP报文处理及回送后返回主循环；

6）进行UDP报文处理及回送后返回主循环。

10.根据权利要求9所述的基于以太网的液压机运动控制器的控制方法，其特征在于，步骤2）中所述的接收到数据帧包括如下步骤：

1）判断CURR是否等于BNRY＋1，不是则进入下一步骤，是则为无正确数据包接收返回0；

2）将RSAR1＝BNRY＋1、RSAR0＝0、RBCR1＝0，RBCR0=4

3）DMA读数据包前为4Byre；暂存本数据包的长度和下一个包的起始页地址；

4）判断数据包是否被正确接收，是则进入下一步骤，否则为无正确数据包接收返回0；

5）将RevLength=本数据包长度－4；RSAR1=BNRY+1；RSAR0＝4；RBCR1/0＝RevLength；

6）DMA读整个有效数据包；将RevLength个字节存入DSP的接收数据缓冲区RevBuffer[500]；

7）BNRY指向下一个包的起始页地址－1；

8）判断以太网帧所携带的上层数据类型；

9）ARP报文返回1；IP数据包返回2；

步骤2）中所述的报文回送包括如下步骤：

1）判断TXP是否等于0，是进入下一步骤，否则继续判断；

2）判断发送包长度Count是否小于60，是则将Count＝60后进入下一步骤，否则进入下一步骤；

3）设置RSAR1和RSAR0为发送缓冲区地址，RBCR1和RBCR0为本地DMA传送数据长度Count；

4）远程DMA写网卡RAM；CR＝0×12；

5）设置TPAR为发送缓冲区起始页地址，TBCR1和TBCR0为本地DMA传送数据长度Count；

6）CR＝0×3E，将TXP位置高，以启动数据包发送，并返回主循环；

步骤2）中所述的ARP报文处理包括如下步骤：

1）判断ARP报文中目标IP是否为本地IP，是进入下一步骤，否则返回主循环；

2）判断ARP报文类型，当报文是应答报文时，将应答报文中的源MAC地址存入计算机的ARP表项后返回主循环，当报文是请求报文时，进入下一步骤；

3）刷新远程计算机的ARP表项；

4）将ARP请求帧改为ARP应答帧后返回主循环；

步骤2）中所述的ICMP和UDP报文处理包括如下步骤：

1）保存IP数据包的总长度和IP首部长度；

2）保存数据包的源IP和MAC地址作为回送地址；

3）判断IP首部的协议字段的长度，当长度为17时进入步骤5），当长度为1时进入步骤4）；

4）判断ICMP报文中的类型字段是否为8，是则发送类型字段＝0的Ping回送报文后返回主循环；否则直接返回主循环；

5）对UDP包的数据部分进行用户自定义查询，或修改指令解析；

6）本地回送一个包含状态信息的UDP包给远程计算机后返回主循环。

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