CN107888508B - 一种基于pc-nc的数控系统及其抗干扰弱实时通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供了一种基于PC‑NC的数控系统及其抗干扰弱实时通讯方法，基于PC‑NC的数控系统克服了传统基于PC的数控系统和嵌入式CNC数控系统的缺点，集中和融合了二种传统数控系统的优势，形成了一种新的数控系统技术方案。其中基于PC‑NC的数控系统中联接PC和CNC通信使用的抗干扰弱实时通讯方法是基于UDP协议，包括以下步骤：发送端和接收端共用同一个UDP端口，发送端向接收端发送数据包，接收端根据接收的数据反馈应答控制包，发送端根据应答控制包调整发送速率。抗干扰弱实时通讯方法在UDP协议的基础上增加拥塞控制和可靠性控制算法，来保证网络数据传输的可靠性和实时性，为基于PC‑NC的数控系统提供了可靠的传输协议。

Description

一种基于PC-NC的数控系统及其抗干扰弱实时通讯方法

技术领域

本发明涉及一种基于PC-NC的数控系统及其抗干扰弱实时通讯方法。

背景技术

目前公知有两种技术模式的数控系统，一种是基于工控PC的数控系统，另一种是嵌入式数控系统：

(1)基于工控PC的数控系统采用工控PC主板插接运动控制卡，运动控制卡接伺服驱动器控制电机工作。该工控PC采用带实时内核补丁的WINDOWS操作系统，为数控提供实时的响应环境。该种数控系统的主要优点是基于PC平台的数控相关工艺应用辅助软件很多，数控系统使用方法普及，操作方便易学。但是由于使用的是Winows操作系统打实时补丁，基于工控PC机的数控系统易受病毒侵袭和非强实时的操作系统不确定性延时困扰，稳定可靠性不足。

(2)嵌入式数控系统使用专用的嵌入式数控系统主机硬件和嵌入式实时操作系统，具有系统功能专一，操作控制实时性强，性能稳定可靠。但是操作使用必须用专用的嵌入式硬件，普及性不高，而且需要经过长期专业培训的技术人员才能正常操作使用，系统配套的辅助软件非常少。

现作出的改进方式是将工控PC和嵌入式数控系统主机有机结合在一起，即PC-NC数控系统，同时具备两种优点，消除彼此缺点。传统的工业设备采用以太网通过通讯协议进行连接，工控环境相对干扰较严重，传统的通讯方法并不适用于PC-NC数控系统，实时性和抗干扰能力不足以使系统稳定可靠地工作。

TCP传输控制协议是面向连接的协议，在建立连接和断开连接时，需要进行多次握手，保证数据传输的可靠稳定。但是在网络干扰严重的情况下，TCP会频繁地断开连接和建立连接，造成数据通信阻塞。

UDP用户数据报协议是一个非连接协议，传输数据前的源端和终端不建立连接，不需要维护连接状态。由于UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，但是不能保证数据可靠传输，会出现丢包的现象。

因此，有必要对现有的通讯方法进行改进。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供了一种基于PC-NC的数控系统及其抗干扰弱实时通讯方法，解决了传统通讯方法的实时性和抗干扰能力不足的问题，为PC-NC的数控系统提供了可靠的连接协议。

本发明的第一发明目的，提供了一种抗干扰弱实时通讯方法，该方法基于UDP协议，包括以下步骤：

发送端和接收端共用同一个UDP端口，发送端向接收端发送数据包，接收端根据接收的数据反馈应答控制包，发送端根据应答控制包调整发送速率：

(1)当发送端接收到接收端应答控制包的正反馈信号时，获取带宽平均速率B和当前带宽速率C，根据x＝x+α(x)更新发送速率x,函数α(x)包括：

带宽平均速率B小于等于当前带宽速率C时，

带宽平均速率B大于当前带宽速率C时，α(x)＝10^{ceil(lg((V-x)×P×8))}×N÷P，

其中，P为最大数据包的字节数，V为网络带宽，N为常数，ceil()函数为返回大于或等于表达式的最小整数；

(2)当发送端接收到接收端应答控制包的负反馈信号时，发送速率x＝(1-β)×x,其中，β为常量因子，0＜β＜1。

优选地，所述发送端和接收端为双向数据传输机制。

优选地，所述带宽平均速率B的计算方式是，发送端以发送CWND个数据包为一个周期，计算一个周期内的带宽速率的平均值；所述的CWND为实时拥塞窗口大小：

CWND＝A×(RTT+SYN)+D₀

其中，A为当前接收速率，RTT为从发送端到接收端的往返时间，SYN为数据包发送间隔时间，D₀为初始拥塞窗口大小。

优选地，所述的初始拥塞窗口D₀大小为16。

优选地，所述的最大数据包的字节数P为1500，常数N为1.5×10^-6。

优选地，所述的

根据本发明的第二发明目的，提供了一种基于PC-NC的数控系统，包括通过以太网连接的工控PC机和嵌入式数控系统主机，所述的工控PC机和嵌入式数控系统主机之间的通讯方法，共用同一个UDP端口，所述通讯方法为抗干扰弱实时通讯方法，工控PC机和嵌入式数控系统主机均能够发送数据包和接收应答控制包，并根据接收的应答控制包实时调整数据包发送速率：

作为进一步的改进，所述的工控PC机采用带实时内核补丁的windows操作系统。

作为进一步的改进，所述的工控PC机上运行数控操作界面软件和辅助软件，通过抗干扰弱实时通讯方法与嵌入式数控系统主机的数控软件实时通讯连接。

作为进一步的改进，所述的数控软件实时性高于操作界面软件与辅助软件。

本发明具有以下有益效果：

1、基于UDP协议的抗干扰通讯方法继承的UDP协议的延迟低，数据传输速度快的特点，同时采用了抗拥塞控制算法，智能调速和可靠性控制，提高了抗干扰能力和实时性。

2、抗干扰弱实时通讯方法为PC-NC数控系统提供了连接基础，满足PC-NC系统通讯的实时性和稳定性要求。

3、基于PC-NC数控系统融合基于工控PC的数控系统和嵌入式数控系统两种技术模式的优势，应用辅助软件资源丰富、易学易操作使用和嵌入式数控系统的强实时、强稳定可靠性的优点，克服了基于工控PC的数控系统的弱实时性、弱稳定性缺点，同时也弥补了嵌入式数控系统操作复杂、配套辅助软件少、使用成本高的缺陷。这种基于PC-NC的技术架构将为展开专用数控系统操作界面软件的二次开发和各类配套数控工艺辅助软件开发、运行使用提供极大的便利性和可行性，为研发实现无需编程的从图纸设计直接到产成品数控控制的STEP-NC数控系统打下坚实的技术基础。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为本发明与TCP协议的发送速率变化对比图；

图3为本发明中抗干扰弱实时通讯方法的发送速率随时间变化图；

图4为发明基于PC-NC的数控系统的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细描述。

图1为本发明的步骤流程图，本发明的第一发明目的提供了一种抗干扰弱实时通讯方法，该方法基于UDP协议，包括以下步骤：

发送端和接收端共用同一个UDP端口，发送端向接收端发送数据包，接收端根据接收的数据反馈应答控制包，发送端根据应答控制包调整发送速率：

(1)当发送端接收到接收端应答控制包的正反馈信号时，获取带宽平均速率B和当前带宽速率C，根据x＝x+α(x)更新发送速率x,函数α(x)包括：

带宽平均速率B小于等于当前带宽速率C时，

带宽平均速率B大于当前带宽速率C时，α(x)＝10^{ceil(lg((V-x)×P×8))}×N÷P，

其中，P为最大数据包的字节数，V为网络带宽，N为常数，ceil()函数为返回大于或等于表达式的最小整数；

(2)当发送端接收到接收端应答控制包的负反馈信号时，发送速率x＝(1-β)×x,其中，β为常量因子，0＜β＜1。

本发明抗干扰弱实时通讯方法是在UDP协议的基础上，加入了拥塞和可靠性控制策略，保证了数据传输的可靠性和提高了传输速率，所述的拥塞和可靠性控制策略是发送端根据接收端的应答数据包的反馈做出相应的动作：在网络拥塞也即是负反馈时，包括一些NAK、丢包、渐增延迟等，发送端会实时调整降低发送速率，减少发送数据的冗余，实现数据传输的稳定性和可靠性控制；发送端接到正反馈(ACK)时，发送端根据带宽平均速率B和当前带宽速率C实时调整发送速率，每次都相应地增加增量α(x)，增量α(x)会随着带宽平均速率B和当前带宽速率C的相对大小而变化，C为上一个发送的数据包的大小除以包的发送时间，B为周期内的带宽速率平均值。在带宽平均速率B小于或等于当前带宽速率C时，增量α(x)的数值为与最大数据包的字节数P相关的定值，P默认为1500；在带宽平均速率B大于当前带宽速率C时，增量α(x)为变化值，N为常数，优选为1.5×10^-6，由公式可知α(x)随着发送速率x的增大而减小，且

在优选的方案中，发送端和接收端为双向数据传输机制，即接收端既可以是接收方，也可以是接收方，能够接发数据和执行拥塞和可靠性控制策略。

在优选的实施例中，所述带宽平均速率B的计算方式是，发送端接以收到正反馈信号之前发送的CWND个数据包为一个周期，计算一个周期内的带宽速率的平均值；所述的CWND为实时拥塞窗口大小：

CWND＝A×(RTT+SYN)+D₀

其中，A为当前接收速率，为上一个接收到数据包的大小除以包的接收时间；RTT为从发送端到接收端的往返时间，SYN为数据包发送间隔时间，D₀为初始拥塞窗口大小，初始拥塞窗口D₀优选为16.

带宽平均速率B计算周期随着拥塞窗口CWND的大小变化，对发送速率增量α(x)的计算具有更好的实时性。拥塞窗口CWND大小为正整数，在具体计算过程中，计算机会进行取整操作。

如图2，本发明在网络畅通下对比TCP通讯方法的速率调整方式，即是正反馈的情况下，可以看出TCP协议的发送速率增量是不变的，本发明协议中发送速率增量α(x)的值随着发送速率的值变化，低速的情况下，本申请通讯方法速度增长远远大于TCP，使系统快速进入高速传输状态，或在经历了减速后对系统起到了快速调整的作用；在发送速率达到一定速度时，工业环境的干扰比较严重，发送速率过大容易造成丢包现象，本申请采用降低发送速率的增量，在发送速率依然保持增长的情况下，延长速度增长期，有效地保证数据的可靠性，同时不失传输的效率。如图3，为抗干扰弱实时通讯方法发送速率随时间变化图，横轴为时间T，纵轴表示发送速率，纵轴上标有网络极限带宽L线，图中的点为对应时间点上的发送速率，图中可见发送速率的变化平滑，发送速率增长快，在接近极限带宽时，发送速率依然保持增长。

常量因子N和常量因子β可以根据网络需求进行设置，常量因子N的值会影响发送速率的增量，过大会影响系统的可靠性，出现丢包现象，过小又影响发送速率，N一般默认设置为1.5×10^-6；常量因子β主要影响发送速率的降低速率，反应系统的可靠性调整速度，β值越大，系统恢复稳定的时间越短，但传输的速率会变得很低，β值过小又会导致系统稳定恢复慢，所以β一般设置为

本发明的另一发明目的提供了一种基于PC-NC的数控系统，如图4，包括通过以太网连接的工控PC机和嵌入式数控系统主机，所述的工控PC机和嵌入式数控系统主机之间的通讯方法，共用同一个UDP端口，所述通讯方法为抗干扰弱实时通讯方法，工控PC机和嵌入式数控系统主机均可发送数据包和接收应答控制包，并根据接收的应答控制包实时调整数据包发送速率：

以工控PC机为发送端为例，

(1)当工控PC机接收到嵌入式数控系统主机应答控制包的正反馈信号时，获取带宽平均速率B和当前带宽速率C，根据x＝x+α(x)更新发送速率x,函数α(x)包括：

带宽平均速率B小于等于当前带宽速率C时，

带宽平均速率B大于当前带宽速率C时，α(x)＝10^{ceil(lg((V-x)×P×8))}×N÷P，

其中，P为最大数据包的字节数，V为网络带宽，N为常数，ceil()函数为返回大于或等于表达式的最小整数。优选地P为1500，N为1.5×10^-6。

(2)当工控PC机接收到嵌入式数控系统主机应答控制包的负反馈信号时，工控PC机执行重传机制，并根据x＝(1-β)×x更新发送速率x,其中，β为常量因子，0＜β＜1。优选地，β设置为

在优选的实施例中，所述带宽平均速率B的计算方式是，工控PC机以接收到正反馈信号之前发送的CWND个数据包为一个周期，计算一个周期内的带宽速率的平均值；所述的CWND为实时拥塞窗口大小：

CWND＝A×(RTT+SYN)+D₀

其中，A为当前接收速率，为上一个接收包的大小除以包的接收时间；RTT为从发送端到接收端的往返时间，SYN为数据包发送间隔时间，D₀为初始拥塞窗口大小，初始拥塞窗口D₀优选为16.

在优选的方案中，基于PC-NC的数控系统的工控PC机上采用带实时内核补丁的windows操作系统，运行实时性较弱的操作界面软件和辅助软件；嵌入式数控系统主机上运行实时性较高的数控软件。工控PC机上的软件和嵌入式数控系统主机上的软件通过抗干扰弱实时协议进行传输数据，能够智能调节数据传输的速度，降低数据传输的冗余，数控系统可靠性和实时性的要求。

本发明中功能工控PC机和嵌入式数控系统主机通过抗干扰弱实时协议连接通讯，有机融合了传统的PC数控系统和嵌入式数控系统，使具有两者的优点，同时能够保证PC-NC数控系统内部数据传输的稳定性和可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗干扰弱实时通讯方法，其特征在于，该方法基于UDP协议，包括以下步骤：

发送端和接收端共用同一个UDP端口，发送端向接收端发送数据包，接收端根据接收的数据反馈应答控制包，发送端根据应答控制包调整发送速率：

(1)当发送端接收到接收端应答控制包的正反馈信号时，获取带宽平均速率B和当前带宽速率C，根据x＝x+α(x)更新发送速率x,函数α(x)包括：

带宽平均速率B小于等于当前带宽速率C时，

带宽平均速率B大于当前带宽速率C时，α(x)＝10^{ceil(lg((V-x)×P×8))}×N÷P，

其中，P为最大数据包的字节数，V为网络带宽，N为常数，ceil()函数为返回大于或等于表达式的最小整数；

(2)当发送端接收到接收端应答控制包的负反馈信号时，发送速率x＝(1-β)×x,其中，β为常量因子，0＜β＜1。

2.根据权利要求1所述的一种抗干扰弱实时通讯方法，其特征在于，所述发送端和接收端为双向数据传输机制。

3.根据权利要求1所述的一种抗干扰弱实时通讯方法，其特征在于，所述带宽平均速率B的计算方式是，发送端以接收到正反馈信号之前发送的CWND个数据包为一个周期，计算一个周期内的带宽速率的平均值；所述的CWND为实时拥塞窗口大小：

CWND＝A×(RTT+SYN)+D₀

其中，A为当前接收速率，RTT为从发送端到接收端的往返时间，SYN为数据包发送间隔时间，D₀为初始拥塞窗口大小。

4.根据权利要求3所述的一种抗干扰弱实时通讯方法，其特征在于，所述的初始拥塞窗口大小D₀为16。

5.根据权利要求1所述的一种抗干扰弱实时通讯方法，其特征在于，所述的最大数据包的字节数P为1500，常数N为1.5×10^-6。

6.根据权利要求1所述的一种抗干扰弱实时通讯方法，其特征在于，所述的

7.一种基于PC-NC的数控系统，其特征在于，包括通过以太网连接的工控PC机和嵌入式数控系统主机，所述的工控PC机和嵌入式数控系统主机之间的通讯方法，共用同一个UDP端口，所述通讯方法为权利要求1-6任一项所述的抗干扰弱实时通讯方法，工控PC机和嵌入式数控系统主机均能够发送数据包和接收应答控制包，并根据接收的应答控制包实时调整数据包发送速率。

8.根据权利要求7所述的一种基于PC-NC的数控系统，其特征在于，所述的工控PC机采用带实时内核补丁的windows操作系统。

9.根据权利要求7所述的一种基于PC-NC的数控系统，其特征在于，所述的工控PC机上运行数控操作界面软件和辅助软件，通过抗干扰弱实时通讯方法与嵌入式数控系统主机的数控软件实时通讯连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于PC-NC的数控系统，其特征在于，所述的数控软件实时性高于操作界面软件与辅助软件。

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