CN103281229A - 一种基于以太网物理层的运动控制总线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于以太网物理层的运动控制总线通信方法。本发明利用以太网作为运动控制总线标准，基于环状结构实现以太网组网方式。主站的输出连接第一个从站的输入，第一个从站的输出连接第二个从站的输入，直到最后一个从站的输出连接到主站的输入。从站接收到数据帧，根据自身的地址从数据帧中提取自己需要接收的数据，同时将自己需要发送的数据替换进数据帧对应的位置，然后发送出去。提取和替换是同步进行的。每个从站都依次进行相同的处理。本发明能够为高精度、高速度的运动控制***，提供一种控制器和驱动器之间的通信手段，实现多轴***的运动控制。

Description

一种基于以太网物理层的运动控制总线通信方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，具体涉及一种基于以太网物理层的运动控制总线通信方法。

背景技术

随着制造业对加工技术要求的不断提高，数控机床、工业机器人等核心制造工具的运动控制性能不断提高，传统的基于模拟信号和脉冲信号的运动控制器接口已经不能满足新时代的需求。而基于运动控制总线的运动控制***与基于模拟信号和脉冲信号的运动控制***相比，具有以下优点：

（1）硬件配置修改方便，当控制轴数和I/O点数变化时，对控制器硬件结构没有影响，便于控制***的扩充和裁减；

（2）控制功能分散化，实现了分布式的电机控制，提高了***的性能、开放性和健壮性；

（3）用数字信号取代模拟信号，传输速度和精度大大提高，保证了***的可靠性和控制精度。

运动控制总线是建立在某一种物理层通信协议基础上的，在众多物理层通信标准中，以太网物理层以其成本低廉、通信速率高而得到了众多运动控制总线标准的青睐。近年来，国际知名大公司和工业组织纷纷推出了各自的基于以太网物理层的运动控制总线标准，这些总线协议都较为复杂、使用不便，并且需要购买专用的芯片来实现。

因此，如果能够基于以太网物理层技术，发明一种新型的运动控制总线，不但可以为高精度、高速度的运动控制***提供一种控制器和驱动器之间的通信手段，而且与传统技术相比，还会具有传输精度高、速度快、抗干扰性、成本低等优点。

发明内容

本发明的目的是，针对传统运动控制***中模拟信号和脉冲信号接口在传输精度、传输速度、成本等方面的不足，在以太网物理层基础上，设计了一种基于以太网物理层的运动控制总线通信方法，该通信机制及协议简单高效，实现成本低廉，性能优良，硬件自动化程度高，软件接口友善，扩展能力强。

本发明包括以下步骤：

步骤(1)数据通信过程由主站发起，数据帧从主站发出后，进入第一个从站。

步骤(2)从站接收到数据帧，根据自身的地址从数据帧中提取自己需要接收的数据，同时将自己需要发送的数据替换进数据帧对应的位置，然后发送出去。

步骤(3)如果从站发现接收的数据帧的CRC校验数据出错，或者有总线命令，需要保证后续从站不能收到正确的CRC校验数据，那么破坏发送数据帧的CRC校验数据。

步骤(4)每个从站都依次进行相同的处理；当主站接收到数据帧的时候，需要发给从站的数据都已经被从站接收，而接收到的数据帧是从站需要发送给主站的数据。

步骤(5)重复进行步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)，完成基于以太网物理层的运动控制总线通信，实现多轴运动控制。

本发明与现有同类的基于以太网的运动控制总线相比，特点包括：

(1)实时性好：环状结构，单个从站延迟平均610ns，误差±10ns。

(2)同步性好：最大同步误差±10ns，由从站的中断处理模块负责，减轻处理器负担。

(3)效率高：6个从站时有效数据占84%；16个从站时有效数据占93%。

(4)底层协议简单：主从结构，只规定了总线复位、建立、从站信息、数据通信4种包类型。

(5)扩展行强：协议的帧长度、总线周期数据域预留大量空间，带有帧编号的数据域。

(6)自动重发功能：提高了可靠性，减轻了处理器负担。

附图说明

图1为本发明网络拓扑结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。本发明从硬件上来说，分为主站、从站两种，主站和从站、从站和从站之间使用环状连接方式，主站和从站都具有输入和输出接口。主站的输出连接第一个从站的输入，第一个从站的输出连接第二个从站的输入，直到最后一个从站的输出连接到主站的输入。网络拓扑结构如图1所示。

本发明具体实现方法是：

（1）数据通信过程由主站发起，数据帧从主站发出后，进入第一个从站。

（2）从站接收到数据帧，对数据帧采用直通转发机制，即从站根据自身的地址从数据帧中提取自己需要接收的数据，同时将自己需要发送的数据替换进数据帧对应的位置，然后发送出去。提取和替换是同步进行的，因此，从该从站发送出去的数据帧比接收的数据帧只晚一个物理层芯片的时钟周期。

（3）如果从站发现接收的数据帧的CRC校验数据出错，或者有总线命令，需要保证后续从站不能收到正确的CRC，那么破坏发送数据帧的CRC校验数据。

（4）每个从站都依次进行相同的处理。因此，当主站接收到数据帧的时候，需要发给从站的数据都已经被从站接收，而接收到的数据帧是从站需要发送给主站的数据。

本发明能够为高精度、高速度的运动控制***，提供一种控制器和驱动器之间的通信手段，实现多轴***的运动控制，可广泛应用于数控机床、机器人、工业钢板无损探伤等应用场合。

其中本发明采用独特的总线机制和数据帧结构。数据帧格式如下：

8字节	2字节	2字节	2字节	不定	4字节
						以太网前导	帧长度	帧类型	帧编号	有效数据	CRC校验

以太网前导为标准以太网结构中的前导。

帧长度为从帧长度数据域到有效数据域的所有数据的字节数。

帧类型表示该数据帧的类型，有以下3种定义：

（1）0x0000：空操作。用以检查网络是否闭合，或者用于等待从站做出应答。

（2）0x0001：复位操作，所有从站的地址复位为0地址。长度为2个字节，主机发出数据帧时，数据域为0xFFFF，所有从站将自身网络基本状态，与接收包的数据域相与操作以后发出。这样，当主站接收到包为0xFFFF时，说明从站网络基本状态良好，可以进行后续操作。

（3）0x0002：分配地址，地址信息在有效数据的前2个字节中。如果从站自身地址为0，并且收到这样的帧，那么自身地址就是有效数据中的地址。并且破坏CRC校验值，防止后续从站收到该地址。

（4）0x0003：读取从站设备信息，每个从站的有效数据域为16个字节。从站在该数据帧中返回自身的硬件设备信息和网络状态信息，用于识别从站设备。从站的硬件设备信息在返回数据帧的有效数据域的第1、2个字节，网络状态信息在返回数据帧的有效数据域的第3、4个字节。

（5）0x0004：正常数据，每个从站的有效数据域为16个字节。

帧编号由主站负责编码，编码为二进制形式，从0x0000到0xFFFF，每次通信过程中增加1，从站可根据帧编号来确定收到的数据帧是否连续，主站可根据帧编号来确定通信***中从站数量是否过多。

有效数据表示该数据帧的数据域，长度最小是2个字节，最大长度由实际传输的数据决定。有效数据的格式定义如下：有效数据域的前两个字节为命令（发往从站）/状态（发往主站），后14个字节为数据区。针对不同类型的从站，命令/状态的信息以及数据区的定义也不同。

CRC校验为从帧长度数据域到有效数据域的所有数据的CRC校验值，CRC多项式为标准以太网的CRC多项式。

Claims (2)

1. 一种基于以太网物理层的运动控制总线通信方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)数据通信过程由主站发起，数据帧从主站发出后，进入第一个从站；

步骤(2)从站接收到数据帧，根据自身的地址从数据帧中提取自己需要接收的数据，同时将自己需要发送的数据替换进数据帧对应的位置，然后发送出去；

步骤(3)如果从站发现接收的数据帧的CRC校验数据出错，或者有总线命令，需要保证后续从站不能收到正确的CRC校验数据，那么破坏发送数据帧的CRC校验数据；

步骤(4)每个从站都依次进行相同的处理；当主站接收到数据帧的时候，需要发给从站的数据都已经被从站接收，而接收到的数据帧是从站需要发送给主站的数据；

步骤(5)重复进行步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)，完成基于以太网物理层的运动控制总线通信，实现多轴运动控制。

2.根据权利要求1所述的运动控制总线通信方法，其特征在于：所述的运动控制总线采用环状结构以太网。

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