CN113760811B - 数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法，用于实现数控系统与多种现场总线的互联互通，其中数控系统为主站，多种现场总线对应的设备为从站，该数控系统多种现场总线的混联总线协议架构包括应用数据交换模块、状态机模块、映射模块、协议模块和驱动模块；所述应用数据交换模块用于与数控系统进行数据交互；所述状态机模块中定义有总线的通讯状态，用于控制系统的通讯过程；所述映射模块用于实现从站数据对象与相应总线的匹配；所述协议模块用于实现特定的总线协议，对数据帧进行打包封装使其能与相关从站设备正确通信，以及完成数据的差异性转化；所述通信卡驱动模块用于负责各逻辑主站与从站之间的通信。本发明实现了数控系统与多种现场总线的互联互通。

Description

数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域，尤其涉及一种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法。

背景技术

截止目前，已被成功运用到工业现场的总线不下百种，但由于各总线在不同层次上基于不同的技术和协议，包括NCUC、EtherCAT、安川M3等，每种技术的背后都有不同的厂商阵营在支持，这就决定了多种实时以太网技术并存的局面，并且该局面短期内不会改变。

目前的数控系统只能同时连接一种总线协议设备，无法将不同协议的设备混联使用，即使混联使用，也很难保证设备间的同步性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法，旨在用于解决现有的目前的数控系统只能同时连接一种总线协议设备，无法将不同协议的设备混联使用以及混联使用难以保证设备间的同步性问题。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构，用于实现数控系统与多种现场总线的互联互通，其中数控系统为主站，多种现场总线对应的设备为从站，该数控系统多种现场总线的混联总线协议架构包括应用数据交换模块、状态机模块、映射模块、协议模块和驱动模块；

所述应用数据交换模块用于与数控系统进行数据交互；

所述状态机模块中定义有总线的通讯状态，用于控制系统的通讯过程；

所述映射模块用于实现从站数据对象与相应总线的匹配；

所述协议模块用于实现特定的总线协议，对数据帧进行打包封装使其能与相关从站设备正确通信，以及完成数据的差异性转化；

所述通信卡驱动模块用于负责各逻辑主站与从站之间的通信。

进一步地，所述应用数据交换模块中定义有从站数据对象，其属性包括总线类型、总线指针、设备信息以及对象字典，其中总线类型用来标识从站所属的总线，总线指针用来对该从站设备进行操作，设备信息描述了从站的基本信息，对象字典记录了从站与数控系统的数据交互。

进一步地，所述状态机模块中的状态机的状态包括：INIT、PROBE、IDENTIFY、CONFIG、OP、STOP、RESET；在INIT状态下混联总线完成各主站数据对象的初始化并创建主站数据对象；在PROBE状态下各种协议主站扫描从站，获取建立连接的从站个数并为各从站设定站点地址；在IDENTIFY状态下主站通过从站地址来获取连接从站的基本信息，并完成从站数据对象的初始化；在CONFIG状态下主站对各从站的数据传输通道进行配置，配置工作完成之后激活主站，进入OP状态；在OP状态下主站和从站进行周期性数据通讯；当通讯出现异常时进入STOP状态且总线报警。

进一步地，所述映射模块中定义有主站数据对象，其属性包括从站数目和从站数据对象，其中从站数目指出了各主站连接的从站个数，主站数据对象以此来关联从站数据对象。

进一步地，所述映射模块的映射过程如下：建立主站数据对象，关联各主站数据对象到对应的通信卡驱动接口；经由各逻辑主站的总线协议接口发送广播报文，获取各自的从站个数和类型，根据获得的从站个数为各逻辑主站配置等数目的逻辑从站，并设置逻辑从站的总线类型，完成映射。

另一方面，本发明提供一种基于上述任一所述的数控系统多种现场总线的混联总线协议架构的数据通信方法，包括：

系统上电后，各设备进入INIT初始态，根据总线配置文件建立相应总线的逻辑主站，并加载通信卡驱动模块，使通信卡驱动模块接口与各总线逻辑主站相关联；依次对各总线的数据结构进行初始化；初始化完成后进入PROBE态，PROBE态时各主站发送广播报文，扫描连接从站，获取从站数目和网络拓扑结构，并为各逻辑主站分配相同数目的从站数据对象；之后进入IDENTIFY态，各逻辑主站读取各从站的基本信息，总线驱动模块根据获取的相关信息来定义从站数据对象，完成主、从数据对象间的映射；之后进入CONFIG态，在CONFIG态为各从站配置通讯参数和工作模式信息，各逻辑主站发送配置信息给各从站；至此，通讯前的配置工作完成，进入OP态，系统内各设备间正常进行数据通信。

进一步地，应用于多种现场总线包括NCUC、EtherCAT和安川M3三种总线，该方法还包括微调各个总线周期，具体如下：

将EtherCAT参考时钟作为系统的时间基准，CPU获取EtherCAT参考时钟从站的周期时间，并且对自己的处理周期进行微调，使其跟上EtherCAT通讯周期的节拍；另外，CPU对NCUC的通讯周期进行微调，使得NCUC也跟上EtherCAT节拍，而安川M3将跟随NCUC，至此保证各个周期节拍一致。

进一步地，还方法还包括设置各通信卡定时器中断时间，具体如下：

NCUC协议SYNC信号产生时间与主站发送数据帧时间相差100us，EtherCAT主站自主设定SYNC信号产生时间，以NCUC通信卡的定时器中断时间为参考，去设定EtherCAT通信卡的中断时间，安川M3则通过设置外部中断，将NCUC总线产生的IRQ中断直接引到安川M3总线，实现三者的SYNC信号在限定差值范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法，数控系统多种现场总线的混联总线协议架构采用基于主从站映射模型的方法解决数控系统内部无差别的数据信息到各从站差异性数据的转化以及定向问题，实现数控系统与多种现场总线的互联互通；通过微调各个总线周期以及设置各通信卡定时器中断时间的方法，保证了三种总线的同步性；本发明的数控系统多种现场总线的混联总线协议架构可扩展性，可在此架构上增加其他协议的总线。

附图说明

图1为本发明实施例提供的混联总线的系统平台；

图2为本发明实施例提供的数控系统多种现场总线的混联总线协议架构图。

图3为本发明实施例提供的从站数据对象示意图；

图4为本发明实施例提供的主站数据对象示意图；

图5为本发明实施例提供的混联总线通讯状态定义示意图；

图6为本发明实施例提供的混联总线同步原理示意图；

图7为本发明实施例提供的周期微调原理示意图；

图8为本发明实施例提供的定时器中断设定示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为混联总线的系统平台，混联总线协议在混联总线驱动模块中实现，在操作系统中运行，该操作系统嵌入到工控计算机IPC中，控制数控系统通过多种现场总线与各个从站进行实时的数据交互。工控计算机IPC的通用接口与各现场总线的通信卡进行连接，通信卡将与网段内的从站进行数据交互。

如图2所示，本发明实施例提供一种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构，应用于如图1所示的混联总线的系统平台的总线驱动模块中，用于实现数控系统与多种现场总线的互联互通，本实施例中多种现场总线包括NCUC、EtherCAT和安川M3三种总线，为了便于混联总线协议的管理，提高总线的可扩展性，对总线协议进行分块，该混联总线架构包括应用数据交换模块、状态机模块、映射模块、协议模块和驱动模块。

所述应用数据交换模块用于与数控系统进行数据交互；如图3所示，所述应用数据交换模块中定义有三种总线的从站数据对象，其属性包括总线类型、总线指针、设备信息以及对象字典，这些对象为各从站设备的逻辑抽象，从站对象中的总线类型用来标识从站所属的总线，总线指针用来对该从站设备进行操作，设备信息描述了从站的基本信息，对象字典记录了从站与数控系统的数据交互。三种总线的从站数据对象继承了混联总线的从站数据对象，均增设了标志性的属性，以符合各总线的协议。

所述状态机模块中定义有总线的通讯状态，用于控制系统的通讯过程；本发明实施例的状态机模块兼容三种总线内部的状态转换，总线的状态转换有一个共通之处，即先配置后通讯，基于此特点，此模块中的状态机的状态包括：INIT、PROBE、IDENTIFY、CONFIG、OP、STOP、RESET。在INIT状态下混联总线完成各主站数据对象的初始化并创建主站数据对象；在PROBE状态下各种协议主站扫描从站，获取建立连接的从站个数并为各从站设定站点地址；在IDENTIFY状态下主站通过从站地址来获取连接从站的基本信息，并完成从站数据对象的初始化；在CONFIG状态下主站对各从站的数据传输通道进行配置，包括配置各从站的PDO映射数据，配置各从站的DC寄存器，完成时钟同步，配置工作完成之后将激活主站，进入OP状态；在OP状态下主站和从站进行周期性数据通讯；当通讯出现异常时会进入STOP状态且总线报警。

如图5所示为混联总线通讯状态定义，具体如下：

E1：init向probe转化

混联总线将完成各主站数据对象的初始化，分配主站内存，创建主站数据对象。

E2：probe向identify转化

在EtherCAT总线内部，主站发送广播报文，获取连接的从站个数并为各从站设定站点地址。

在NCUC总线内部，主站以广播通信的方式发送扫描帧，获取网段内的拓扑结构和从站个数并为各从站设定站点地址。

在安川M3总线内部，用户在初始态设定了连接站地址。在扫描态，主站使用CONNECT命令检查网络上是否存在相同站地址的从站，以此来建立连接，并根据响应数据来判断从站数目。

E3：identify向config转化

在EtherCAT总线内部，主站发送报文，读取连接从站的基本信息，并完成从站数据对象的初始化。

在NCUC总线内部，主站使用SL_PA命令读取连接从站的基本信息，并完成从站数据对象的初始化。

在安川M3总线内部，主站使用ID_RD命令读取连接从站的基本信息，并完成从站数据对象的初始化。

E4：config向op转化

在EtherCAT总线内部，主站通过读取到的从站基本信息，对各从站的数据传输通道进行配置，配置各从站的PDO映射数据，配置各从站的DC寄存器。配置完成之后将激活主站。

在NCUC总线内部，主站使用SL_WM命令来配置从站工作模式，使用CCT命令来配置通信周期，使用NDTC、NCTT命令来设置各从站的网络时延。

在安川M3总线内部，主站使用CONFIG命令来配置从站相关信息。

所述映射模块用于实现从站数据对象与相应总线的匹配；如图4所示，在映射模块中定义有主站数据对象，它们为各总线的逻辑主站。其属性包括从站数目和从站数据对象，其中从站数目指出了各主站连接的从站个数，主站数据对象以此来关联从站数据对象。映射过程如下：建立三类主站数据对象，关联各主站数据对象到对应的通信卡驱动接口；经由各逻辑主站的总线协议接口发送广播报文，获取各自的从站个数和类型，根据获得的从站个数为各逻辑主站配置等数目的逻辑从站，并设置逻辑从站的总线类型，完成映射。

所述协议模块实现特定的总线协议，数据帧将在该模块内进行打包封装，使其能与相关从站设备正确通信，数据的差异性转化在此模块中完成。

所述通信卡驱动模块用于负责各逻辑主站与从站之间的通信。

本实施例中还包括总线配置文件，用于建立各总线逻辑主站，通过该配置文件，用户可根据需要选择总线。

本发明实施例还提供一种基于上述数控系统多种现场总线的混联总线协议架构的数据通信方法，包括：

系统上电后，各设备进入INIT初始态，混联总线驱动模块将根据总线配置文件建立相应总线的逻辑主站，并加载通信卡驱动模块，使通信卡驱动模块接口与各总线逻辑主站相关联。混联总线驱动模块将依次对各总线的数据结构进行初始化；初始化完成后进入PROBE态，PROBE态时各主站发送广播报文，扫描连接从站，获取从站数目和网络拓扑结构，并为各逻辑主站分配相同数目的从站数据对象；之后进入IDENTIFY态，各逻辑主站将读取各从站的基本信息，总线驱动模块将根据获取的相关信息来定义从站数据对象，完成主、从数据对象间的映射；之后进入CONFIG态，在CONFIG态用户通过总线驱动模块为各从站配置通讯参数和工作模式等信息，各逻辑主站将发送配置信息给各从站。至此，通讯前的配置工作就完成了，进入OP态，系统内各设备间正常进行数据通信。

所述方法还包括如何微调各个总线周期，消除抖动，以及如何设置各通信卡定时器中断时间。

本发明微调各个总线周期方法为：EtherCAT协议以主站连接的第一个具备DC功能的从站作为参考时钟从站，该从站为所有EtherCAT网段内的从站设备提供时间基准，为了兼容这一特性，本发明将EtherCAT参考时钟作为系统的时间基准，以此来设定各通信卡定时器中断。CPU无法干预EtherCAT周期的运行，但是能够获取EtherCAT周期时间，并且可以对自己的处理周期进行微调，使其跟上EtherCAT通讯周期的节拍。EtherCAT主从站间进行通讯时，存在一个通讯周期，CPU获取该周期时间，并且对自己的处理周期进行微调，使其跟上EtherCAT通讯周期的节拍。另外，CPU对NCUC的通讯周期进行微调，使得NCUC也跟上EtherCAT节拍，而安川M3将跟随NCUC，至此保证各个周期节拍一致，图6为混联总线的同步原理，图7为周期微调原理。

本发明设置各通信卡定时器中断时间的方法为：理论上各总线驱动的从站SYNC信号应该在同一时刻产生，但由于各总线协议的差异性、内部的复杂性，很难保证混联总线的所有从站都在同一时刻产生SYNC信号，本发明提出一个方法，让不同类型从站的SYNC信号产生时间在限定的差值范围内，实现所有从站设备之间的相对同步。由于此前已经设置各个总线的周期节拍一致，相对同步对于连续加工的系统来说将不会产生误差，定时器中断设置过程如图8所示。

设置各通信卡SYNC信号在限定差值范围内的方法为：NCUC协议SYNC信号产生时间与主站发送数据帧时间相差100us，EtherCAT主站自主设定SYNC信号产生时间，因此以NCUC通信卡的定时器中断时间为参考，去设定EtherCAT通信卡的中断时间，安川M3则通过设置外部中断，将NCUC总线产生的IRQ中断直接引到安川M3总线，即可实现三者的SYNC信号在限定差值范围内。

综上所述，本发明实施例提供的这种数控系统多种现场总线的混联总线协议架构及其通信方法，数控系统多种现场总线的混联总线协议架构采用基于主从站映射模型的方法解决数控系统内部无差别的数据信息到各从站差异性数据的转化以及定向问题，实现数控系统与多种现场总线的互联互通；通过微调各个总线周期以及设置各通信卡定时器中断时间的方法，保证了三种总线的同步性；本发明的数控系统多种现场总线的混联总线协议架构可扩展性，可在此架构上增加其他协议的总线。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于数控系统多种现场总线的混联总线协议架构的数据通信方法，其特征在于，所述混联总线协议架构用于实现数控系统与多种现场总线的互联互通，其中数控系统为主站，多种现场总线对应的设备为从站，其特征在于：该数控系统多种现场总线的混联总线协议架构包括应用数据交换模块、状态机模块、映射模块、协议模块和通信卡驱动模块；

所述应用数据交换模块用于与数控系统进行数据交互；

所述状态机模块中定义有总线的通讯状态，用于控制系统的通讯过程；

所述映射模块用于实现从站数据对象与相应总线的匹配；

所述协议模块用于实现特定的总线协议，对数据帧进行打包封装使其能与相关从站设备正确通信，以及完成数据的差异性转化；

所述通信卡驱动模块用于负责各逻辑主站与从站之间的通信；

所述数据通信方法包括：

系统上电后，各设备进入INIT初始态，根据总线配置文件建立相应总线的逻辑主站，并加载通信卡驱动模块，使通信卡驱动模块接口与各总线逻辑主站相关联；依次对各总线的数据结构进行初始化；初始化完成后进入PROBE态，PROBE态时各主站发送广播报文，扫描连接从站，获取从站数目和网络拓扑结构，并为各逻辑主站分配相同数目的从站数据对象；之后进入IDENTIFY态，各逻辑主站读取各从站的基本信息，总线驱动模块根据获取的相关信息来定义从站数据对象，完成主、从数据对象间的映射；之后进入CONFIG态，在CONFIG态为各从站配置通讯参数和工作模式信息，各逻辑主站发送配置信息给各从站；至此，通讯前的配置工作完成，进入OP态，系统内各设备间正常进行数据通信；

所述数据通信方法应用于多种现场总线包括NCUC、EtherCAT和安川M3三种总线，该方法还包括微调各个总线周期，具体如下：

将EtherCAT参考时钟作为系统的时间基准，CPU获取EtherCAT参考时钟从站的周期时间，并且对CPU自己的处理周期进行微调，使CPU跟上EtherCAT通讯周期的节拍；另外，CPU对NCUC的通讯周期进行微调，使得NCUC也跟上EtherCAT节拍，而安川M3将跟随NCUC，至此保证各个周期节拍一致。

2.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于：所述应用数据交换模块中定义有从站数据对象，其属性包括总线类型、总线指针、设备信息以及对象字典，其中总线类型用来标识从站所属的总线，总线指针用来对该从站设备进行操作，设备信息描述了从站的基本信息，对象字典记录了从站与数控系统的数据交互。

3.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于：所述状态机模块中的状态机的状态包括：INIT、PROBE、IDENTIFY、CONFIG、OP、STOP、RESET；在INIT状态下混联总线完成各主站数据对象的初始化并创建主站数据对象；在PROBE状态下各种协议主站扫描从站，获取建立连接的从站个数并为各从站设定站点地址；在IDENTIFY状态下主站通过从站地址来获取连接从站的基本信息，并完成从站数据对象的初始化；在CONFIG状态下主站对各从站的数据传输通道进行配置，配置工作完成之后激活主站，进入OP状态；在OP状态下主站和从站进行周期性数据通讯；当通讯出现异常时进入STOP状态且总线报警。

4.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于：所述映射模块中定义有主站数据对象，其属性包括从站数目和从站数据对象，其中从站数目指出了各主站连接的从站个数，主站数据对象以此来关联从站数据对象。

5.如权利要求4所述的数据通信方法，其特征在于，所述映射模块的映射过程如下：建立主站数据对象，关联各主站数据对象到对应的通信卡驱动接口；经由各逻辑主站的总线协议接口发送广播报文，获取各自的从站个数和类型，根据获得的从站个数为各逻辑主站配置等数目的逻辑从站，并设置逻辑从站的总线类型，完成映射。

6.如权利要求1至5中任一所述的数据通信方法，其特征在于，还方法还包括设置各通信卡定时器中断时间，具体如下：

NCUC协议SYNC信号产生时间与主站发送数据帧时间相差100us，EtherCAT主站自主设定SYNC信号产生时间，以NCUC通信卡的定时器中断时间为参考，去设定EtherCAT通信卡的中断时间，安川M3则通过设置外部中断，将NCUC总线产生的IRQ中断直接引到安川M3总线，实现三者的SYNC信号在限定差值范围内。