CN108199822A - 一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法及装置 - Google Patents

一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种EtherCAT‑NCUC的总线同步方法及装置，属于总线控制技术领域。所述方法包括：定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使同步时间差值满足一定条件；根据同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；根据同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒。所述装置包括调整时间差值模块、控制发送时间模块和调节通信周期模块。本方案可应用于EtherCAT‑NCUC主站，实现EtherCAT‑NCUC主站在不同阶段的总线同步控制。

Description

一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法及装置
技术领域
本发明涉及总线控制技术领域，尤其涉及一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法及装置。
背景技术
NCUC-Bus(NC Union of China Field Bus)是机床数控系统现场总线技术联盟专门为机床数控系统等包含运动控制的工业自动化控制过程制定的现场总线通信规范。NCUC-Bus基于100MB网络，通过采用网络的环形回路，实现高速、高可靠实时以太网的数据传输。
EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是以以太网为基础，具有高精度的设备同步、灵活的拓扑结构的高实时性的开放架构的现场总线系统。
随着EtherCAT总线系统在我国的逐渐普及，因为其高精度的设备同步，灵活的拓扑结构以及高实时性等诸多优点而被众多用户使用。大部分用户选择了EtherCAT总线系统与其他总线系统组合工作的模式，对不同总线设备之间的同步要求较高。
NCUC的设备同步靠的是数据帧到达时间来进行同步，而EtherCAT的设备同步靠的是分布式时钟产生的sync信号来进行同步。两者同步方式不一样，所以在同时使用NCUC设备和EtherCAT设备的时候，它们之间无法进行同步，导致加工出来的产品有瑕疵。
发明内容
本发明实施例提供了一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法及装置，实现EtherCAT从站设备与NCUC从站设备之间的同步。
其中，第一方面，本发明实施例提供的一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法，所述方法包括：
定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
根据所述同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；
根据所述同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒。
第二方面，本发明实施例还提供了一种EtherCAT-NCUC的总线同步装置，所述装置包括调整时间差值模块、控制发送时间模块和调节通信周期模块；
所述调整时间差值模块，由定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
所述控制发送时间模块，根据所述同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；
所述调节通信周期模块，根据所述同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒，使得所述EtherCAT与所述NCUC的总线同步。
第三方面，本发明实施例提供了一种主控系统，所述主控系统包括局域总线控制模块、EtherCAT同步帧解析模块、定时器模块、EtherCAT总线主站模块和NCUC总线主站模块；
所述局域总线控制模块，为CPU访问FPGA提供存储接口和IO接口，向NCUC主站模块和EtherCAT主站模块写入或者读取数据；
所述EtherCAT同步帧解析模块，在每个通信周期接收从EtherCAT从站返回的数据和数据有效信号，并解析得到系统时间和下次SYNC产生时间，根据所述下次SYNC产生时间与系统时间确定时间间隔；
所述定时器模块，控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
所述EtherCAT总线主站模块，用于存储发送的NCUC数据帧，根据CPU所发的参数，接收到周期帧的使能信号和非周期帧的发送信号时，产生数据信号和发送有效信号，数据从从站返回时，处理后存储在NCUC总线主站模块的RAM中；
所述NCUC总线主站模块，用于存储发送的EtherCAT数据帧，根据CPU所发的参数，接收到周期帧的使能信号和非周期帧的发送信号时，产生数据信号和发送有效信号，数据从从站返回时，处理后存储在EtherCAT总线主站模块的RAM中。
有益效果如下：
本方案可应用于EtherCAT-NCUC主站，实现EtherCAT-NCUC主站在不同阶段的总线同步控制，能够为两种不同工业总线的同步提供了一种实现方法以及具体的解决方案。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：
图1示出了本发明实施例一中EtherCAT-NCUC的总线同步方法流程图；
图2示出了本发明实施例一中EtherCAT-NCUC的总线同步方法的另一流程图；
图3示出了本发明实施例二中EtherCAT-NCUC的总线同步装置结构示意图；
图4示出了本发明实施例二中EtherCAT-NCUC的总线同步装置另一结构示意图；
图5示出了本发明实施例三中EtherCAT-NCUC主站实现的内部结构框图。
图6示出了本发明实施例三中总线主站控制系统结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
实施例一
图1示出了本发明实施例提供的一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法，所述方法包括：
步骤101：定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使同步时间差值满足一定条件；
步骤102：根据同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；
步骤103：根据同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒。
该部分主要针对通信阶段，提供了EtherCAT-NCUC的总线同步方法，实际应用中，EtherCAT-NCUC的总线同步时，还需要经过配置阶段，即先经过配置阶段，再进行通信阶段。
其中，在配置阶段，由CPU控制EtherCAT数据帧(包含周期数据和同步数据)发送，对EtherCAT从站进行配置,调控同步时间差值Δt＇(系统时间与同步发生时间差值)在一固定值T1；由CPU控制NCUC数据帧发送对NCUC从站进行配置，获取从站个数以及从站类型。
在通信阶段，由定时器产生使能信号，定时控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，进一步调控同步时间差值Δt＇使其稳定在T2(T2<T1)；根据Δt＇动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送时间；根据Δt＇动态调节通信周期。
下面具体结合两个阶段对本发明中EtherCAT-NCUC的总线同步方法进行描述，参见图2所示，
步骤201：CPU控制EtherCAT数据帧和NCUC数据帧的发送，获取从站个数及从站类型；
其中，该步骤为配置阶段，由CPU控制EtherCAT数据帧(包含周期数据和同步数据)和NCUC数据帧发送，获取从站个数以及从站类型等信息，配置各个从站，在此阶段，无固定通信周期，以检测到数据帧返回为依据进行下一步操作。
步骤202：CPU对EtherCAT数据帧和NCUC数据帧进行解析，调整同步时间差值，且当同步时间差值满足一定条件时，由定时器控制EtherCAT数据帧和NCUC数据帧的发送；
CPU对收回的帧进行解析，调控同步时间差值Δt＇(系统时间与同步发生时间差值)到100us时，将EtherCAT数据帧和NCUC数据帧的发送控制权转交由定时器控制，进入通信阶段。
具体的，当同步时间差值满足一定条件时，由定时器控制所述EtherCAT数据帧和所述NCUC数据帧的发送时，转入通信阶段。
下面对通信阶段的流程进行详细说明。
步骤203：定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
其中，在通信阶段，由定时器产生使能信号，定时控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，进一步调控同步时间差值Δt＇使其稳定在20us。
步骤204：根据同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；
具体的，根据同步时间差值Δt＇动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送时间。
步骤205：根据同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒。
其中，根据同步时间差值Δt＇动态调节通信周期，调整幅度为1us，通信周期默认为1ms(comperiod＝999)，即comperiod计数为999时表示周期为1ms。
由于EtherCAT-NCUC主站和从站的时钟都是独立的，虽然主站发送数据包的时刻在每一个通信周期内都是固定的，但是相对于从站的时钟却会有一个偏移，这个偏移会不停的累积，当累积到通信周期的整数倍的时候，数据包到达从站的时刻和从站本身的SYNC产生时刻就会重叠。此时，就会导致从站会读取上一个周期的数据或者从站本周期的数据会被覆盖，导致数据重复或者丢失。为了使主站发送数据包的时间和从站的SYNC信号同步，所以对通信周期进行微调节，每个周期调整幅度为1us。
下面提出具体的调整方式：
同步时间差值Δt＇等于20微秒时，通信周期为1毫秒，即comperiod计数为999时表示通信周期为1ms；
同步时间差值Δt＇小于20微秒时，将通信周期调整为999微秒，即comperiod计数为998时表示通信周期为999ms；
同步时间差值Δt＇大于20微秒时，将通信周期调整为1001微秒，即comperiod计数为1000时表示通信周期为1001ms。
本方案通过调节时间差值、动态调节数据帧发送时间和调节通信周期共同作用实现调整总线同步的效果，使得EtherCAT与NCUC的总线同步。
本方案提供的EtherCAT与NCUC总线同步方法，该方法可应用于EtherCAT-NCUC主站，实现EtherCAT-NCUC主站在不同阶段的总线同步控制。
实施例二
基于同一发明构思，本实施例提供了一种EtherCAT-NCUC的总线同步装置，该EtherCAT-NCUC的总线同步装置解决问题的原理与一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法相似，因此该EtherCAT-NCUC的总线同步装置实施可以参见EtherCAT-NCUC的总线同步方法的实施，重复之处不再赘述。
下面结合图3，给出本方案的EtherCAT-NCUC的总线同步装置，包括调整时间差值模块301、控制发送时间模块302和调节通信周期模块303；
调整时间差值模块301，由定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使同步时间差值满足一定条件；
控制发送时间模块302，根据所述同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；
调节通信周期模块303，根据同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒，使得所述EtherCAT与所述NCUC的总线同步。
其中，调节通信周期模块303具体包括第一调整单元和第二调整单元；
第一调整单元，用于在同步时间差值小于20微秒时，将通信周期调整为999微秒；
第二调整单元，用于在同步时间差值大于20微秒时，将通信周期调整为1001微秒。
其中，本发明实施例中，默认通信周期为1ms，在同步时间差值大于20微秒或小于20微秒时，以一微秒的幅度分别调大一微秒或调小一微秒。
本发明的方案，通过调节时间差值、动态调节数据帧发送时间和调节通信周期共同作用达到调整总线同步的效果，使得EtherCAT与NCUC的总线同步。
另外，参加图4，本发明实施例提供一种EtherCAT-NCUC的总线同步装置的另一个结构示意图；所述装置还包括配置模块304，该配置模块304由CPU控制EtherCAT数据帧和NCUC数据帧的发送，获取从站个数及从站类型；CPU对所述EtherCAT数据帧和所述NCUC数据帧进行解析，调整同步时间差值；当所述同步时间差值满足一定条件时，由定时器控制所述EtherCAT数据帧和所述NCUC数据帧的发送。
本方案提供的方案，实现EtherCAT-NCUC主站在不同阶段的总线同步控制，能够为两种不同工业总线的同步提供了一种实现方法以及具体的解决方案。
实施例三
本发明实施例中，EtherCAT-NCUC主站由FPGA实现，其内部功能实现包括局域总线控制模块、定时器模块、EtherCAT总线主站模块、NCUC总线主站模块和EtherCAT同步帧解析模块，具体可参见图5；
局域总线控制模块，为CPU访问FPGA提供存储接口和IO接口，向NCUC主站模块和EtherCAT主站模块写入或者读取数据；
实际应用中，局域总线控制模块为CPU访问FPGA提供存储接口和IO接口，存储接口为CPU读写大批量网络数据提供了访问通道，而IO接口则提供了CPU配置数据链路层相关参数和读取相关状态的快速通道。当检测CPU检测到IRQ中断信号时，通过局域总线访问局域总线控制模块，通过该模块向NCUC主站模块和EtherCAT主站模块写入或者读取数据。
EtherCAT同步帧解析模块，在每个通信周期接收从EtherCAT从站返回的数据和数据有效信号，并解析得到系统时间和下次SYNC产生时间，根据所述下次SYNC产生时间与系统时间确定时间间隔；
具体的，EtherCAT同步帧解析模块，每个周期都接收从EtherCAT从站返回的数据Rxd3和数据有效信号Rxdv3，对数据进行解析，提取出地址910存放的系统时间systime和地址990存放的下个SYNC产生时间syntime，计算出下次SYNC产生时间与系统时间的时间间隔Δt。
定时器模块，控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
其中，整个通信周期为comperiod，系统计数器为glb_cnt，计数器计数范围为0-comperiod。在glb_cnt＝time1时产生ecat_sbuf1_en信号，发送EtherCAT通讯帧；在glb_cnt＝time4时产生ecat_sbuf2_en信号，发送EtherCAT同步帧。根据EtherCAT同步帧解析模块计算出的SYNC产生时间与系统时间的时间间隔Δt，则NCUC周期数据帧与EtherCAT通信帧发送的时间间隔为
Δt＇＝Δt-(comperiod-time4)-time1，在glb_cnt＝time1+Δt＇时产生ncuc_sbuf1_en，发送NCUC周期帧；在glb_cnt＝time2+Δt＇时产生ncuc_sbuf2_en信号，发送NCUC非周期帧；在glb_cnt＝time3+Δt＇时产生IRQ信号。控制两种总线之间的数据发送时间来达到两种总线从站之间的同步。
EtherCAT总线主站模块，用于存储发送的NCUC数据帧，根据CPU所发的参数，接收到周期帧的使能信号和非周期帧的发送信号时，产生数据信号和发送有效信号，数据从从站返回时，处理后存储在NCUC总线主站模块的RAM中；
具体的，EtherCAT总线主站模块，用以存储所需发送的EtherCAT数据帧，根据CPU所发的参数，在接收到ecat_sbuf1_en、ecat_sbuf2_en信号时，产生Txen3发送有效信号和Txd3数据信号，通过火线口发送出去，数据从从站返回时通过Rxdv3接收有效信号和Rxd3数据信号，经过处理转换成一定格式存储在EtherCAT总线主站模块的RAM中。
NCUC总线主站模块，用于存储发送的EtherCAT数据帧，根据CPU所发的参数，接收到周期帧的使能信号和非周期帧的发送信号时，产生数据信号和发送有效信号，数据从从站返回时，处理后存储在EtherCAT总线主站模块的RAM中。
具体的，NCUC总线主站模块，用以存储所需发送的NCUC数据帧，根据CPU所发的参数，在接收到ncuc_sbuf1_en、ncuc_sbuf2_en时，产生Txen2发送有效信号和Txd2数据信号，通过火线口发送出去，数据从从站返回时通过Rxdv1接收有效信号和Rxd1数据信号，经过处理转换成一定格式存储在NCUC总线主站模块的RAM中。
另外，如图6所示，NCUC总线主站模块与EtherCAT总线主站模块之间串接有多个NCUC从站与EtherCAT从站设备。
其中，本发明的主控系统包括三个网络接口；
第一网络接口用于接收NCUC数据帧，与NCUC从站的火线口相连；
第二网络接口用于发送NCUC数据帧，与NCUC从站的网络接口相连；
第三网络接口用于EtherCAT帧的收发，与EtherCAT从站相连，为双向数据端口。
本方案提供的主控系统，实现EtherCAT-NCUC主站在不同阶段的控制，能够为两种不同工业总线的同步提供了一种实现方法以及具体的解决方案。
为了描述的方便，以上装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (9)

1.一种EtherCAT-NCUC的总线同步方法，其特征在于，所述方法包括：
定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
根据所述同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送；
根据所述同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述同步时间差值动态调整通信周期，具体包括：
所述同步时间差值等于20微秒时，所述通信周期为1毫秒；
所述同步时间差值小于20微秒时，将所述通信周期调整为999微秒；
所述同步时间差值大于20微秒时，将所述通信周期调整为1001微秒。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送之前，所述方法还包括对所述EtherCAT和NCUC进行配置，具体包括：
CPU控制EtherCAT数据帧和NCUC数据帧的发送，获取从站个数及从站类型；
CPU对所述EtherCAT数据帧和所述NCUC数据帧进行解析，调整同步时间差值；
当所述同步时间差值满足一定条件时，由定时器控制所述EtherCAT数据帧和所述NCUC数据帧的发送。
4.一种EtherCAT-NCUC的总线同步装置，其特征在于，所述装置包括调整时间差值模块、控制发送时间模块和调节通信周期模块；
所述调整时间差值模块，由定时器控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调节同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
所述控制发送时间模块，根据所述同步时间差值动态控制NCUC周期帧和非周期帧的数据发送时间；
所述调节通信周期模块，根据所述同步时间差值动态调整通信周期，调整幅度为一微秒。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述调节通信周期模块具体包括第一调整单元和第二调整单元；
所述第一调整单元，用于在所述同步时间差值小于20微秒时，将所述通信周期调整为999微秒；
所述第二调整单元，用于在所述同步时间差值大于20微秒时，将所述通信周期调整为1001微秒。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括配置模块，所述配置模块由CPU控制EtherCAT数据帧和NCUC数据帧的发送，获取从站个数及从站类型。
7.一种主控系统，其特征在于，所述主控系统包括局域总线控制模块、EtherCAT同步帧解析模块、定时器模块、EtherCAT总线主站模块和NCUC总线主站模块；
所述局域总线控制模块，为CPU访问FPGA提供存储接口和IO接口，向NCUC主站模块和EtherCAT主站模块写入或者读取数据；
所述EtherCAT同步帧解析模块，在每个通信周期接收从EtherCAT从站返回的数据和数据有效信号，并解析得到系统时间和下次SYNC产生时间，根据所述下次SYNC产生时间与系统时间确定时间间隔；
所述定时器模块，控制EtherCAT通信帧和同步帧的发送，调整同步时间差值，使所述同步时间差值满足一定条件；
所述EtherCAT总线主站模块，用于存储发送的NCUC数据帧，根据CPU所发的参数，接收到周期帧的使能信号和非周期帧的发送信号时，产生数据信号和发送有效信号，数据从从站返回时，处理后存储在NCUC总线主站模块的RAM中；
所述NCUC总线主站模块，用于存储发送的EtherCAT数据帧，根据CPU所发的参数，接收到周期帧的使能信号和非周期帧的发送信号时，产生数据信号和发送有效信号，数据从从站返回时，处理后存储在EtherCAT总线主站模块的RAM中。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述NCUC总线主站模块与EtherCAT总线主站模块之间串接有多个NCUC从站与EtherCAT从站设备。
9.如权利要求7所述的主控系统，其特征在于，所述主控系统包括三个网络接口；
第一网络接口用于接收NCUC数据帧，与NCUC从站的火线口相连；
第二网络接口用于发送NCUC数据帧，与NCUC从站的网络接口相连；
第三网络接口用于EtherCAT帧的收发，与EtherCAT从站相连，为双向数据端口。
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