CN106209539A - 一种用于数控系统的n-bus总线网络 - Google Patents

一种用于数控系统的n-bus总线网络 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于数控系统的N‑BUS总线网络，其特征在于：所述的N‑BUS总线网络涉及三部分内容：总线硬件组成、总线网络拓扑方式、总线协议。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：N‑BUS总线采用CAN总线与高速IO信号结合的方式，实现了对从设备信号的高速响应的同时，在通讯失效的情况下也能够保证数控系统安全运行，N‑BUS总线采用级联方式的拓扑结构，布线简单、灵活。

Description

一种用于数控系统的N-BUS总线网络
技术领域
本发明涉及现场总线领域，尤其涉及一种用于数控系统中，控制单元与外设模块之间数据传输的实现方法。
背景技术
CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，由德国Bosch公司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达10Km时CAN仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。
鉴于CAN具有十分优越的特点，它被广泛应用到汽车电子、工业自动化等对可靠性和传输速率要求较高的场合。
CAN总线的最高传输速率虽然可以达到1Mbit/s，但其每一条指令都会有一定的协议开销，根据协议的长短，传输时间并不相同。
CAN总线采用了非破坏性总线仲裁技术，可以保证冲突发生的时候，具有较高优先级的节点在竞争中胜出，获得数据发送权，然后发送数据。低优先级的节点则需要等待高优先级节点的数据发送完成后才能发送。因此，低优先级的节点数据传输的时间会延长，特别是在总线上节点数目较多的情况。因此，总线上每个节点数据能可靠传输的最短时间超过1ms。在高速数控系统中，这个传输延迟时间决定了数控机床的检测精度。以最高速度为18米/秒的机床来说，在这个延时时间内机床移动了18毫米，也就意味着机床的最高检测精度只能达到18毫米。
当通讯信息由于干扰等原因遭到破坏后，数据需要多次重新发送，当重复次数超过一定数量后，总线就会自动关闭。因此只通过CAN总线并不能可靠的传输关键信息，数控系统也无法对通讯失败的关键信息做出及时响应。
发明内容
针对上述所述现有现场总线所存在的问题与不足之处，本发明提供一种N-BUS总线网络，实现数控系统信号的高速、可靠的检测，信号检测响应时间为1微秒；本发明的另一目的是提供一种简化数控系统总线的连接方式。
本发明所述的N-BUS总线技术包括三部分内容：总线硬件组成、总线网络拓扑方式、总线协议。
(1)总线硬件组成
N-BUS总线硬件由隔离电源、CAN总线和直选信号三部分组成。
隔离电源使N-BUS总线信号与主设备(控制单元)信号隔离。N-BUS总线信号与从设备是否信号隔离不做强制要求，如果需要隔离，则使用N-BUS总线的隔离电源。
CAN总线负责主设备(控制单元)与外设单元之间的数据传输。
直选信号分为3路输入信号和1路输出信号。
外设单元采用线或方式驱动输入信号，使得每个从设备使能输入信号时，主设备都可以检测到。
外设单元采用独立并联的结构接收输出信号，使得主设备(控制单元)驱动输出信号时，所有从设备均可以检测到。
直选信号根据从设备需要实现的功能可以自行裁剪，数量不做强制要求。
(2)总线网络拓扑方式
N-BUS总线网络包括一个主设备、多个从设备和一个终端适配器；设备之间采用级联方式连接；在最后一个从设备处连接终端适配器。
(3)总线协议
直选输出信号为使能信号，即只有直选输出信号有效时，从设备才能执行其自身的输出操作；直选输出信号无效时，从设备只能执行与检测相关的操作。
直选输入信号按照功能分为急停信号、暂停信号和其它信号。即实现从设备输入信号的分类处理。当主设备检测到直选输入信号有效时，则立即执行数控系统的相应操作，然后通过CAN总线查询哪一路信号申请的此类操作，用以提示操作者处理。
波特率：1MBits。
通讯方式：主从应答方式。
数据格式：29位帧头+数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
N-BUS总线采用CAN总线与高速IO信号结合的方式，实现了对从设备信号的高速响应的同时，在通讯失效的情况下也能够保证数控系统安全运行。
N-BUS总线采用级联方式的拓扑结构，布线简单、灵活。
附图说明：
图1为本发明的N-BUS总线输入信号示意图；
图2为本发明的N-BUS总线输出信号示意图；
图3为本发明的N-BUS总线拓扑结构示意图；
图4为本发明的N-BUS总线终端适配器示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明书，但不应以此限制本发明的保护范围。
1.总线硬件组成
N-BUS总线硬件由隔离电源、CAN总线和直选信号三部分组成。
隔离电源：5V直流电源，由主设备提供，用于主设备控制系统与N-BUS总线的信号隔离。从设备的控制系统与N-BUS总线是否信号隔离不做强制要求，如果信号隔离，需使用此路电源。
CAN总线为标准总线，由两根信号线组成CAN_H和CAN_L。
直选信号线：由3路输入信号和1路输出信号组成。输入、输出方向均以主设备方向确定。输入信号分别定义为急停信号、暂停信号和其它信号。输出信号功能定义为使能信号。
输入信号在主设备端采用高速光耦隔离，信号传输时间小于1微秒，从设备端常态输出高电平，有效信号时输出低电平。从设备端电路结构不限，但要求采用线或输出，使得每个从设备使能输入信号时，主设备都可以检测到。图1所示为一种电路结构，采用集电极开路输出。
输出信号在主设备端采用集电极开路输出，常态为高电平，有效信号为低电平。从设备端电路结构不限，但要求信号独立，不会影响到并联在此线路上的其它从设备，使得主设备(控制单元)驱动该路信号时，所有从设备均可以检测到。要求从设备信号传输时间小于1微秒。图2所示为一种电路结构，采用高速光耦输入。
直选信号根据从设备需要实现的功能可以自行裁剪，数量不做强制要求。
2.总线网络拓扑结构
图3描述了N-BUS总线网络拓扑结构。由一个主设备、多个从设备和一个终端适配器组成。设备之间采用级联方式连接，在最后一个从设备处连接终端适配器。
在N-BUS总线网络中，只有一台主设备(控制单元)。主设备只有一个N-BUS总线接口，在该接口内部CAN总线两根信号线之间并联120欧姆电阻。
在N-BUS总线网络中，可以有多个从设备(驱动器、激光器电源、I/O设备等)。每一个从设备有两个N-BUS总线接口，这两个总线接口内部为直接连接。一个接口与前一个设备连接，另一个接口与下一个设备连接，如果该从设备为最后一个设备，则与终端适配器连接。
图4描述了终端适配器的原理及连接方式。终端适配器内部为一个120欧姆电阻并联在CAN_H和CAN_L信号两端。
3.总线协议
N-BUS总线协议需要直选信号与CAN总线信号配合完成。
(1)CAN总线报文格式
波特率：1MBits。
数据格式：29位帧头+数据。
ID.28传输方向：0，控制卡发出；1，控制卡接收。
ID.7～ID.0目标地址：0x00，广播帧；0x01，控制单元。从设备顺序排列。
要求各从设备根据传输方向和目标地址进行硬件滤波。
ID.27～ID.24执行结果：0，成功；1，失败；2，命令号错误；3，功能号错误；4，数据错误。
数据：低字节在前，每一字节的高位在前。
(2)CAN总线命令定义
命令号：表示协议类型，0x01，基本命令，所有从设备必须遵循；0x02，驱动器从设备专用协议；0x03，激光器电源从设备专用协议；0x04，编码器从设备专用协议；0x05，I/O从设备专用协议。
功能号：根据命令号执行相应的功能。
(3)通信管理
通信方式：主从应答方式。主设备为通信的发起者，从设备收到发送给自己的协议后，做相应应答。
通信管理分为四个阶段：设备初始化、扫描配置、更新配置、实时通信。
设备初始化：当控制系统(主设备+从设备)初次上电时，从设备自身完成初始化工作后，即准备就绪后，开始应答主设备发送过来的一切报文。主设备根据系统配置，对从设备逐个发送命令号0x01、功能号0x01的报文检验从设备是否存在。如果在规定时间内接收不到从设备应答报文，则断定从设备不存在，报警；如果在规定时间内接收到从设备的应答报文，则断定从设备存在，标记为在线从设备。
扫描配置：设备初始化阶段完成后，主设备开始对在线从设备逐个发送配置查询报文来获取从设备的配置信息。
命令号0x01，功能号0x02：查询从设备ID信息。
命令号0x01，功能号0x03：查询从设备版本信息。
命令号0x01，功能号0x04：查询从设备开机总时间和运行总时间。
命令号0x01，功能号0x82：查询从设备状态信息。
更新配置：主设备根据从设备的ID和版本信息，对在线从设备逐个发送配置报文，对从设备的信号进行配置。
命令号0x01，功能号0x89：配置从设备信号为急停类信号。
命令号0x01，功能号0x8B：配置从设备信号为暂停类信号。
命令号0x01，功能号0x8D：配置从设备信号为其它类信号。
实时通信：经过上述三个阶段，主设备已经掌握在线从设备个数及设备信息，并完成对从设备信号的配置，可以对从设备进行实时查询与控制。
主设备对从设备的使能控制有两种方式：直选输出信号和CAN总线报文。
直选输出信号定义为使能信号，即只有直选输出信号有效时，从设备使能。
主设备需要逐个对在线从设备发送命令号0x01和功能号0x81的控制报文来使能从设备。
直选输出信号和CAN总线使能报文为“与”的逻辑，即只有两个同时有效时，从设备使能。
从设备只有在使能状态才能执行其自身的输出操作(如驱动器电机控制、激光器电源的激光器两端电压输出、I/O设备的输出信号等)；否则，从设备只能执行与检测相关的操作。
主设备对从设备的实时查询有两种方式：CAN总线报文和直选输入信号与CAN总线报文结合。
直选输入信号按照功能分为急停信号、暂停信号和其它信号。即实现从设备输入信号的分类处理。当主设备检测到直选输入信号有效时，则立即执行数控系统的相应操作，然后对在线从设备逐一发送命令号0x01、功能号0x86信号事件查询报文来获取信号事件，结合从设备急停类、暂停类和其它类信号配置信息来判断是哪一路信号申请的此类操作，用以提示操作者处理。例如在数控机床加工过程中，从设备I/O模块检测到X轴正限位，则立即使能N-BUS总线的急停输入信号，控制单元检测到N-BUS总线的急停信号有效后，立即进行急停操作，然后通过N-BUS总线的CAN通讯查询是哪一路信号申请的急停操作，然后在HMI人机交互界面中进行提示用户。
对于未归类为急停信号、暂停信号和其它类信号的信号状态查询，只使用CAN总线报文即可。
(4)故障诊断
N-BUS总线提供了故障触发和周期性查询两种方式检测总线是否发生故障。
故障触发方式是指主设备发送命令报文，在规定接收时间内未收到从设备的应答报文，且经过规定的重发次数后仍未收到从设备的应答报文，则断定与该从设备的通讯故障。
周期性查询是指主设备周期性的发送命令号0x01、功能号0x01的报文检验从设备是否存在，在规定接收时间内未收到从设备的应答报文，且经过规定的重发次数后仍未收到从设备的应答报文，则断定与该从设备的通讯故障。
在从设备通讯故障后，根据从设备的类型级别，主设备判断是否将直选输出信号设置为无效来禁止所有从设备的输出功能，以防止危险发生。
从设备应周期性检查是否接收到命令号0x01、功能号0x01的报文，以判断是否与主设备通信故障。如果在规定时间内未收到该报文，则断定通信故障，禁止设备的输出功能。

Claims (10)

1.一种用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述的N-BUS总线网络涉及三部分内容：总线硬件组成、总线网络拓扑方式、总线协议；
(1)总线硬件组成：
N-BUS总线硬件由隔离电源、CAN总线和直选信号三部分组成；隔离电源使N-BUS总线信号与主设备信号隔离；CAN总线负责主设备与外设单元之间的数据传输；直选信号分为3路输入信号和1路输出信号；外设单元采用线或方式驱动输入信号，使得每个从设备使能输入信号时，主设备都可以检测到；外设单元采用独立并联的结构接收输出信号，使得主设备驱动输出信号时，所有从设备均可以检测到；
直选信号根据从设备需要实现的功能可以自行裁剪，数量不做强制要求；
(2)总线网络拓扑方式：
N-BUS总线网络由一个主设备、多个从设备和一个终端适配器组成；设备之间采用级联方式连接；在最后一个从设备处连接终端适配器。
(3)总线协议：
直选输出信号为使能信号，即只有直选输出信号有效时，从设备才能执行其自身的输出操作；直选输出信号无效时，从设备只能执行与检测相关的操作；直选输入信号按照功能分为急停信号、暂停信号和其它信号；即实现从设备输入信号的分类处理；当主设备检测到直选输入信号有效时，则立即执行数控系统的相应操作，然后通过CAN总线查询哪一路信号申请的此类操作，用以提示操作者处理。
2.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述主设备单元为控制单元。
3.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述N-BUS总线的波特率为1MBits。
4.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述N-BUS总线的通讯方式为主从应答方式。
5.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述N-BUS总线的数据格式为29位帧头加数据；所述隔离电源为5V直流电源，由主设备提供。
6.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：CAN总线为标准总线，由两根信号线组成CAN_H和CAN_L。
7.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述输入信号在主设备端采用高速光耦隔离，信号传输时间小于1微秒，从设备端常态输出高电平，有效信号时输出低电平。
8.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线，其特征在于：所述输出信号在主设备端采用集电极开路输出，常态为高电平，有效信号为低电平。
9.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：所述主设备只有一个N-BUS总线接口，在该接口内部CAN总线两根信号线之间并联120欧姆电阻；每一个从设备有两个N-BUS总线接口，这两个总线接口内部为直接连接；一个接口与前一个设备连接，另一个接口与下一个设备连接，如果该从设备为最后一个设备，则与终端适配器连接。
10.根据权利要求1所述的用于数控系统的N-BUS总线网络，其特征在于：N-BUS总线提供了故障触发和周期性查询两种方式检测总线是否发生故障；故障触发方式是指主设备发送命令报文，在规定接收时间内未收到从设备的应答报文，且经过规定的重发次数后仍未收到从设备的应答报文，则断定与该从设备的通讯故障；周期性查询是指主设备周期性的发送报文检验从设备是否存在，在规定接收时间内未收到从设备的应答报文，且经过规定的重发次数后仍未收到从设备的应答报文，则断定与该从设备的通讯故障。
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