CN112436988B - 一种标准以太网转ncuc现场总线协议的装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种标准以太网转NCUC现场总线协议的装置及实现方式，装置包括：标准以太网接口、协议转换模块、NCUC输出接口和NCUC输入接口，实现方式包括：标准以太网接口接收计算机网口输出的标准以太网帧并发送给协议转换模块，协议转换模块对标准以太网帧进行处理并输出NCUC数据帧，通过NCUC输出接口，发送给NCUC从站，NCUC输入接口回传NCUC从站返回来的NCUC数据帧给协议转换模块，协议转换模块对NCUC数据帧进行处理并输出标准以太网帧，标准以太网接口将标准以太网帧发送给计算机网口，实现计算机与NCUC从站的数据通信。装置与通用计算机网口通过网线连接就可以实现与现有NCUC主站相同的功能，实现与NCUC从站的通信，应用于数控***中，可促进数控***核心单元的模块化及标准化。

Description

一种标准以太网转NCUC现场总线协议的装置及实现方法

技术领域

本发明涉及总线控制技术领域，具体涉及一种标准以太网转NCUC现场总线协议的实现装置及方式。

背景技术

NCUC现场总线协议是机床数控***现场总线技术联盟专门为机床数控***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协议规范。其通过采用网络的环形回路，以主从总线访问控制方式实现强实时性、高同步性和高可靠性的以太网数据传输，保证了各站点的有序通信。现有的NCUC主站实现方式是基于CPU+FPGA+PHY的硬件架构，CPU与FPGA之间通过PCIe总线通信，整个协议的转换都在FPGA中实现。现在的这种实现方式导致数控装置需要采用专用的工业计算机，除了具有通用计算机所有的单元结构之外，还必须集成NCUC总线协议转换模块及NCUC输入输出接口单元。这使得数控装置的核心单元可替换性差、不易维护、成本高，不利于其标准化及模块化。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种标准以太网转NCUC现场总线协议的实现装置及方式，具体方案如下：

作为本发明的第一方面，提供一种标准以太网转NCUC现场总线协议的装置，其特征在于，所述装置包括标准以太网接口、协议转换模块、NCUC输出接口和NCUC输入接口，所述以太网接口、NCUC输出接口和NCUC输入接口均与协议转换模块连接；

所述标准以太网接口通过网线与计算机网口相连，用于将计算机网口输出的标准以太网帧传输给协议转换模块，或将协议转换模块输出的标准以太网帧传输给计算机网口；

所述协议转换模块用于实现标准以太网帧与NCUC数据帧之间的转换，将接收到的来自标准以太网接口的标准以太网帧转换成NCUC数据帧并通过NCUC输出接口输出给NCUC从站，或将接收到来自NCUC输入接口的NCUC数据帧转换成标准以太网帧输出给标准以太网接口；

所述NCUC输出接口及NCUC输入接口与各NCUC从站采用环形网络回路连接，NCUC输出接口用于将协议转换模块输出的NCUC数据帧传输给NCUC从站，从NCUC从站返回的NCUC数据帧经过NCUC输入接口，传输给协议转换模块；

其中，计算机网口以T1为一个周期发送标准以太网帧，所述协议转换模块在接收到第一个有效的标准以太网帧时刻开始计时，将接收到的标准以太网帧转换成NCUC数据帧，并以T2为一个周期发送NCUC数据帧至NCUC输出接口。

进一步地，所述协议转换模块通过FPGA实现，且内部包含三个RAM模块，分别为RAM1模块、RAM2模块及RAM3模块；

所述RAM1模块用于写入周期内的第一个有效标准以太网帧；

所述RAM2模块用于写入周期内的其它有效标准以太网帧，防止RAM1模块中的有效标准以太网帧未发送出去前被刷新导致数据丢失；

所述RAM3模块用于备份RAM1模块或RAM2模块中的有效标准以太网帧，以及将NCUC从站返回的NCUC数据帧写入标准以太网帧的对应位置。

进一步地，所述RAM1模块及RAM2模块不会同时工作，且RAM1模块工作的优先级高于RAM2模块，只有当RAM1模块中的数据帧未发送出去前，而FPGA接收到下一个有效标准以太网帧时，RAM2模块才会工作。

进一步地，所述协议转换模块还包括参数提取模块；

所述参数提取模块用于提取RAM1模块或RAM2模块中标准以太网帧的相应参数值，以判定RAM1模块或RAM2模块中的标准以太网帧是否有效。

进一步地，所述协议转换模块还包括SYNC模块，所述SYNC模块用于在FPGA收到有效的标准以太网帧时间t(t<T2)后，发出sync有效的信号，且由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离周期时间T1，为防止累计偏移时间过大影响到NCUC从站电机的稳定性，SYNC模块还用于校准及微调协议处理模块的每一个发送周期。

进一步地，所述协议转换模块还包括NCUC输出模块，所述NCUC输出模块用于将从RAM1模块或RAM2模块读取到的NCUC数据帧前加入前导符之后依次发送到NCUC从站。

进一步地，所述协议转换模块还包含两个CRC模块，分别为CRC1模块和CRC2模块：

所述CRC1模块用于计算返回的所有NCUC数据帧的CRC校验数据，并写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置；

所述CRC2模块用于计算整个标准以太网帧的FCS校验序列，并写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置。

作为本发明的第二方面，提供一种标准以太网转NCUC现场总线协议的实现方法，所述方法包括：

步骤1，计算机网口以T1为周期发送标准以太网帧，FPGA收到前导符发送结束的标志值时，说明开始发送标准以太网帧，并进入步骤2；

步骤2，FPGA优先开启RAM1模块的写入功能，RAM1模块写入周期内第一个标准以太网帧，RAM3模块同时备份RAM1模块中的标准以太网帧，参数提取模块提取相应参数值，以判定RAM1模块中的标准以太网帧是否为通信有效帧，若有效，则进入步骤3，否则丢弃该帧；

步骤3，SYNC模块在FPGA收到有效标准以太网帧时间t(t<T2)后，发出sync有效的信号，且发送周期为T2；

步骤4，RAM1模块收到sync有效的信号后，打开读功能，NUCU输出模块依次读取RAM1模块中对应的NCUC数据帧，并在各个NCUC数据帧前加入前导符后经过NCUC输出接口依次发送到NCUC从站；

步骤5，NCUC从站接收到NCUC数据帧后更新数据，然后通过NCUC输入接口返回NCUC数据帧至FPGA；

步骤6，FPGA收到NCUC输入接口对应的RXDV有效时，去检测前导符的值，以判定NCUC数据帧是否为有效返回帧，若有效，RAM3模块打开写功能，返回的NCUC数据帧写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置；同时CRC1模块计算CRC校验数据，然后填入标准以太网帧的对应位置，直至当前周期的所有NCUC数据帧全部返回并替换写入RAM3模块中，并进入步骤7；

步骤7，打开RAM3模块的读功能，CRC2模块计算整个标准以太网帧的FCS校验序列，然后通过标准以太网接口将对应的标准以太网帧发送给计算机。这样就实现了通用计算机与NCUC从站的数据通信。

进一步地，由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离周期时间T1，导致可能出现RAM1模块上一周期的数据还未发送出去，FPGA就会收到计算机网口发来的下一周期的标准以太网帧，步骤2中，为了防止RAM1模块中数据被刷新导致数据丢失，此时会开启RAM2模块的写入功能，将该标准以太网帧写入RAM2模块中，对应的参数提取模块提取RAM2模块中标准以太网帧的相应参数值，以判定该标准以太网帧是否有效，若有效则保留，同时RAM3模块备份RAM2模块中的标准以太网帧，并进入步骤3，否则，丢弃对应的标准以太网帧。

进一步地，由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离周期时间T1，所述步骤3中，为了防止累计偏移时间过大影响到NCUC从站电机等的稳定性，SYNC模块会去校准及微调协议转换模块的每一个发送周期，具体包括：

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量大于0时，则通信周期调整为T2+△t；

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量等于0时，则通信周期调整为T2；

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量小于0时，则通信周期调整为T2-△t。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种标准以太网转NCUC现场总线协议的方案，将NCUC主站功能模块从数控装置专用计算机中独立出来，从而使数控装置专用计算机可以采用通用计算机来替换，有利于数控装置的标准化及模块化，增强了数控装置核心单元的可替换性及可维护性，从而大大缩减了成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种标准以太网转NCUC现场总线协议装置的内部框图；

图2为本发明实施例提供的一种标准以太网转NCUC现场总线协议装置的内部线路连接图；

图3为本发明实施例提供的一种标准以太网转NCUC现场总线协议的实现方式的数据传输处理流程图；

图4为本发明实施例提供的标准以太网帧的格式图。

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，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，作为本发明的第一实施例，提供的一种标准以太网转NCUC现场总线协议装置包括标准以太网接口、协议转换模块、NCUC输出接口、NCUC输入接口。

所述标准以太网接口通过网线与计算机网口相连，用于发送计算机网口及协议转换模块输出的标准以太网帧，其中计算机网口以1ms为一个周期发送标准以太网帧。

所述协议转换模块用于实现标准以太网帧与NCUC数据帧之间的转换，在接收到第一个有效标准以太网帧时刻开始计时，并以1ms为一个周期发送NCUC数据帧。

所述NCUC输出接口及NCUC输入接口与各NCUC从站采用环形网络回路连接，NCUC输出接口将协议转换模块输出的NCUC数据帧发送给NCUC从站，NCUC从站返回的NCUC数据帧经过NCUC输入接口，发送给协议转换模块。

如图2所示，为本发明实施例一提供的一种标准以太网转NCUC现场总线协议装置的内部线路连接图，其中，电源接口输入所需电压，内部通过DC-DC电源芯片输出各芯片需要的电压值；标准以太网接口通过网线与计算机网口相连，输入或输出标准以太网帧；NCUC输出接口及NCUC输入接口与各NCUC从站采用环形网络回路连接，实现NCUC主从站间的通信。PHY与FPGA之间采用RMII连接，PHY的时钟源都由FPGA提供。FPGA的时钟源由外部晶振提供，用于实现标准以太网帧与NCUC数据帧之间的转换并调整及校准通信周期。

如图3所示，所述协议转换模块通过FPGA实现，内部包含RAM模块、参数提取模块、SYNC模块、NCUC输出模块及CRC模块。

其中，所述RAM模块包含RAM1模块、RAM2模块及RAM3模块。

所述RAM1模块用于写入周期内的第一个有效标准以太网帧。

所述RAM2模块用于写入周期内的其它有效标准以太网帧，防止RAM1模块中的有效标准以太网帧未发送出去前被刷新导致数据丢失。

所述RAM3模块用于备份RAM1模块或RAM2模块中的有效标准以太网帧，以及将NCUC从站返回的NCUC数据帧写入标准以太网帧的对应位置。

其中，所述RAM1模块及RAM2模块不会同时工作，且RAM1模块工作的优先级高于RAM2模块，只有当RAM1模块中的数据帧未发送出去前，而FPGA接收到下一个有效标准以太网帧时，RAM2模块才会工作。

所述参数提取模块用于提取RAM1模块或RAM2模块中标准以太网帧的相应参数值，以判定RAM1模块或RAM2模块中的标准以太网帧是否有效。

所述SYNC模块用于在FPGA收到有效的标准以太网帧200us后，发出sync＝1的信号，且由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离1ms，为防止累计偏移时间过大影响到NCUC从站电机的稳定性，SYNC模块还用于校准及微调每一个发送周期。

所述NCUC输出模块用于将从RAM1模块或RAM2模块读取到的NCUC数据帧前加入64bit的前导符之后依次发送到NCUC从站。

所述CRC模块包括CRC1模块和CRC2模块：

所述CRC1模块用于计算返回的所有NCUC数据帧的32bit CRC，并写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置。

所述CRC2模块用于计算整个标准以太网帧的FCS校验序列，并写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置。

作为本发明的第二实施例，提供一种标准以太网转NCUC现场总线协议的实现方法，实现方式流程具体如下：

步骤1，计算机网口以1ms为周期发送标准以太网帧，FPGA收到前导符传输结束的标志值时，开始传输标准以太网帧，标准以太网帧格式具体如图4所示，包含标准UDP头、NCUC数据帧数据段等。

步骤2，FPGA优先开启RAM1模块的写入功能，RAM1模块写入周期内第一个标准以太网帧，RAM3模块同时备份RAM1模块中的标准以太网帧，参数提取模块提取相应参数值，以判定RAM1模块中的标准以太网帧是否为通信有效帧。

其中，由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离1ms，导致可能出现RAM1模块上一周期的数据还未发送出去，FPGA就会收到计算机网口发来的下一周期的标准以太网帧。为了防止RAM1模块中数据被刷新导致数据丢失，此时会开启RAM2模块的写入功能，将该标准以太网帧写入RAM2模块中，对应的参数提取模块提取RAM2模块中标准以太网帧的相应参数值，以判定该标准以太网帧是否为通信有效帧，若有效则保留，同时RAM3模块备份RAM2模块中的标准以太网帧，并进入步骤3，否则，丢弃对应的标准以太网帧。

步骤3，SYNC模块在FPGA收到有效标准以太网帧200us后，发出sync＝1的信号，且发送周期为1ms；由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离1ms，防止累计偏移时间过大影响到NCUC从站电机的稳定性，SYNC模块会去校准及微调每一个发送周期，具体包括：

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量大于0时，则通信周期调整为1ms+1us；

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量等于0时，则通信周期调整为1ms；

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量小于0时，则通信周期调整为1ms-1us。

步骤4，RAM1模块收到sync＝1的信号后，打开读功能，NUCU输出模块依次读取RAM1模块中对应的NCUC数据帧，并将在各个NCUC数据帧前加入64bit的前导符后经过NCUC输出接口依次发送到NCUC从站。

步骤5，NCUC从站接收到NCUC数据帧后更新数据，然后通过NCUC输入接口返回NCUC数据帧至FPGA。

步骤6，FPGA收到NCUC输入接口对应的RXDV＝1时，去检测64位前导符的值，以判定NCUC数据帧是否为有效返回帧，若有效，RAM3模块打开写功能，返回的NCUC数据帧写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置；同时CRC1模块计算32bit CRC校验数据，然后填入标准以太网帧的对应位置，直至当前周期的所有NCUC数据帧全部返回并替换写入RAM3模块中，并进入步骤7。

步骤7，打开RAM3模块的读功能，CRC2模块计算整个标准以太网帧的FCS校验序列，然后通过标准以太网接口将对应的标准以太网帧发送给计算机，这样就实现了通用计算机与NCUC从站的数据通信。

需要说明的是，本发明所述的连接均表示电性连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (2)

1.一种标准以太网转机床数控***现场总线NCUC现场总线协议的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，计算机网口以T1为周期发送标准以太网帧，FPGA收到前导符发送结束的标志值时，说明开始发送标准以太网帧，并进入步骤2；

步骤2，FPGA优先开启RAM1模块的写入功能，RAM1模块写入周期内的第一个标准以太网帧，RAM3模块同时备份RAM1模块中的标准以太网帧，参数提取模块提取相应参数值，以判定RAM1模块中的标准以太网帧是否为通信有效帧，若有效并进入步骤3；

步骤3，同步命令SYNC模块在FPGA收到有效标准以太网帧时间t后，发出SYNC有效的信号，其中，t＜T2，发送周期为T2；

步骤4，RAM1模块收到SYNC有效的信号后，打开读功能，NCUC输出模块依次读取RAM1模块中对应的NCUC数据帧，并在各个NCUC数据帧前加入前导符后经过NCUC输出接口依次发送到NCUC从站；

步骤5，NCUC从站接收到NCUC数据帧后更新数据，然后通过NCUC输入接口返回NCUC数据帧至FPGA；

步骤6，FPGA收到NCUC输入接口对应的接收数据有效信号RX_DV有效时，去检测前导符的值以判定NCUC数据帧是否为有效返回帧，若有效，RAM3模块打开写功能，返回的NCUC数据帧写入RAM3模块中标准以太网帧的对应位置；同时CRC1模块计算CRC校验数据，然后填入标准以太网帧的对应位置，直至当前周期的所有NCUC数据帧全部返回并替换写入RAM3模块中，并进入步骤7；

步骤7，打开RAM3模块的读功能，CRC2模块计算整个标准以太网帧的FCS校验序列，然后通过标准以太网接口将对应的标准以太网帧发送给计算机；

其中，由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离周期时间T1，导致可能出现RAM1模块上一周期的数据还未发送出去，FPGA就会收到计算机网口发来的下一周期的标准以太网帧，步骤2中，为了防止RAM1模块中数据被刷新导致数据丢失，此时会开启RAM2模块的写入功能，将该标准以太网帧写入RAM2模块中，对应的参数提取模块提取相应参数值，以判定该标准以太网帧是否有效，若有效，则保留，同时RAM3模块备份RAM2模块中的标准以太网帧，并进入步骤3，否则，丢弃对应的标准以太网帧。

2.根据权利要求1所述的标准以太网转NCUC现场总线协议的实现方法，其特征在于，由于计算机网口周期性发送的数据时刻会偏离周期时间T1，所述步骤3中，为了防止累计偏移时间过大影响到NCUC从站电机的稳定性，SYNC模块还用于校准及微调协议转换模块的每一个发送周期，具体包括：

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量大于0时，则通信周期调整为T2+△t；

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量等于0时，则通信周期调整为T2；

若接收到当前帧的总时间整体偏移量减去之前帧的总时间调整量小于0时，则通信周期调整为T2-△t，其中，△t为预设的微调值。

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