CN202362658U - 基于光纤的高速现场总线控制*** - Google Patents

Abstract

一种基于光纤的高速现场总线控制***，属于自动控制技术领域。由一个主站、一个或多个从站、连接各主从站的高速现场总线及其协议组成，特点：高速现场总线使用光纤连接各主站和从站，高速现场总线使用的光纤从主站出发，连接到一个从站，再从该从站连接到下一个从站，并按此方式重复直到连接到最后一个从站；高速现场总线以环形逻辑拓扑结构处理其中传输的数据帧，数据帧从主站出发，以边传输边处理的方式，按连接顺序经过高速现场总线连接的各从站，直到最后一个从站，然后按相反顺序经各从站返回到主站。优点：保证了数据传输的可靠性；可确保高速现场总线的低延时和高实时性；实现了灵活配置的需要，降低成本，传输速度快。

Description

基于光纤的高速现场总线控制***

技术领域

本实用新型公开了一种基于光纤的高速现场总线控制***，属于自动控制技术领域。

背景技术

高精密高速运动控制***要求控制***总线具有很低的延时。分布式运动控制***可以部分避免这一问题，就是将位置环和内插等运算放到数字伺服驱动器里实现，以便降低***对时延的要求，但是这样增加了成本。在多轴联动的时候，***总线延时依然对***整体性能产生影响。

运用于半导体自动化封装设备的高精密高速运动控制***通常需要控制十几个伺服电机和几十个输入输出模块（IO），对于复杂的设备需要控制几十个伺服电机和上百个IO，这类设备通常采用PC作为主处理器，协调各个运动部件和IO运作。这种集中式的控制要求控制***的现场总线具有低延时、高实时性、高可靠性的特点，已有技术中的设备通常采用RS422、RS485作为总线的物理层，但这类总线传输速率低，传输距离近，已经无法满足高速设备的要求。

现有的通用总线如CAN总线、Profibus总线等都有特定的应用场合，CAN总线多应用于汽车监控、开关量控制、制造业等，Profibus总线多用于制造行业从站之间的通讯，这些通用总线并不是针对半导体自动化封装设备的高精密高速运动控制***设计的，不能满足高精密高速运动控制***对实时性、低延时和低成本的要求。

高实时性的现场总线，例如SERCOS 和 EtherCAT等高速总线，这些总线具有低抖动、高实时性和高可靠性等特点，能满足实时性要求，但这些总线不是开发性的，需要授权才能使用，因而成本较高；同时，需要使用专门的ASIC总线接口芯片，技术被垄断，不能满足个性化需求，不能灵活定制，软件实现也较为复杂。

发明内容

本实用新型的任务是要给出一种基于光纤的高速现场总线控制***，该***能以较低的成本同时满足高精密高速运动控制***对低延时、高实时性、高可靠和灵活定制等需求。

本实用新型的任务是这样来完成的，一种基于光纤的高速现场总线控制***，由一个主站、一个或多个从站、连接各主从站的高速现场总线及其协议组成，其特征在于：所述的高速现场总线使用光纤连接各主站和从站，所述的高速现场总线使用的光纤从主站出发，连接到一个从站，再从该从站连接到下一个从站，并按此方式重复直到连接到最后一个从站；所述的高速现场总线以环形逻辑拓扑结构处理其中传输的数据帧，所述的数据帧从主站出发，以边传输边处理的方式，按连接顺序经过所述的高速现场总线连接的各从站，直到最后一个从站，然后按相反顺序经各从站返回到主站。

在本实用新型的一个具体的实施例中，所述的数据帧的结构由数据帧编号、设备标识、光纤接口配置地址、翻转指示、读写标志、读响应标志、控制数据和若干个固定大小的数据单元数据成员组成，所述的数据帧的结构同时带有若干CRC校验域。

在本实用新型的另一个具体的实施例中，所述的数据帧以固定的频率从所述的主站发出，经过所述的高速现场总线的环形逻辑拓扑结构中的各从站到达最后一个从站，然后从最后一个从站再以相反顺序经各从站返回到主站，所述的各从站在数据帧经过本站时根据需要存取数据帧；所述的主站和从站通过设定数据帧中的相关信息向指定的主站和从站传输数据。

在本实用新型的又一个具体的实施例中，所述的各主站和从站在数据帧经过所述高速现场总线控制***时存取数据帧并向指定的各主、从站传输数据的控制，均使用带有并串行与串并行转换器(Serdes）接口的现场可编程门阵列（FPGA）实现，所述的并串行与串并行转换器的电信号直接连接到光模块，提供光纤输入输出接口。

在本实用新型的再一个具体的实施例中，在所述的各从站的寄存器空间被映射到主站的内存空间中，当主站需要配置从站的寄存器时，通过存取本地内存空间，然后由数据帧传输到指定的从站。

在本实用新型的还有一个具体的实施例中，在所述的高速现场总线的环形逻辑拓扑结构中，当一个从站的后续从站断开时，该从站自动作为新的最后一个从站，形成新的封闭环形逻辑拓扑结构，保证断开的从站之前的各主、从站正常工作。

本实用新型所公开的技术方案采用了基于光纤和现场可编程门阵列（FPGA）的环形逻辑拓扑结构设计，数据帧结构简单并带有校验域，保证了数据传输的可靠性。光纤的快速传输和低延时特性，使数据帧发送频率和传输速度可以达到很高的水平，从而可确保高速现场总线的低延时和高实时性。同时，由于***采用现场可编程门阵列（FPGA）来实现光纤高速现场总线的数据收发控制，在技术上完全可控，不像SERCOS和EtherCAT等高速总线受制于特定用途集成电路（ASIC），既实现了灵活配置的需要，又降低了成本，而且实验表明，其实际传输速度比这些高速总线还要快10倍。

附图说明

图1为高速现场总线控制***框图

图2为数据帧结构图

图3为从站FPGA实现框图

图4为主站FPGA实现框图

图5为主站软件初始化流程图

图6为主站软件时序中断处理流程图。

具体实施方式

为了更清楚地介绍本实用新型的技术实质及其带来的实施效果，下面结合附图详细描述本实用新型的一个具体实施例。

参见图1，这是一个本实用新型所述的基于光纤的高速现场总线控制***的具体实施例框图，包括1个主站（即图中的PC）、5个从站（即图中的从站光纤节点1、2、3、4和从站光纤节点5）。图中PC机中的PCI-E控制板实现总线接口卡的功能，插在PC机的PCI-E插槽上，在环形拓扑结构中充当主站，其余光纤节点充当从站。从站光纤节点可以是数字伺服驱动器，可以驱动各种伺服电机、步进电机、音圈电机等；从站光纤节点还可以是编码器与IO模块，连接各种位置编码器，各种数字和模拟输入输出量。

本实用新型所公开的高速现场总线，用光纤将各模块以环形逻辑拓扑结构连接起来，以边传输边处理的方式，按照顺序将数据帧发送给各个节点，然后再回到主站。为了便于描述和理解数据帧的传输过程，在本具体实施例中数据帧被称为“数据列车”，而这一数据传输方式则被称为“数据列车”方式。这种“数据列车”方式很好地解决了低延时、低成本、高可靠性的问题。

在本实施例中，数据列车从主站PCI-E控制板发出，通过前向链路经过每一个从站光纤节点，在最后一个从站光纤节点，数据列车自动掉头，通过后向链路再次经过每个从站光纤节点，最终回到主站。为了便于描述和理解数据帧的传输过程，数据链路上的每个主、从站在本实施例中称为车站，在这些车站上，数据都可以上车或下车。每个车站都有前向链路和反向链路两条数据链路，每条数据链路上数据也都可以上下车。

图2描述了数据帧的结构，其中“Header”是数据帧编号，取值为0-255；“Node ID”为8位设备标识，主站的设备标识为0xFF，其余各从站的设备标识按照连接顺序递增；“CtrlAddr”为21位的光纤接口地址，“CtrlToggle”为1位的反转指示，1表示有新的光纤接口配置命令，“CtrlWen”为1位读写标志，“CtrlAck”为1位读响应标志，“CtrlData”为32位的读写数据，“DataX”和“DataY”为两个32位数据，共同构成一个数据单元，这个数据单元在本实施例中被称为“数据车厢”，是一个最小的数据上下车单位。

在本具体实施例中，主站每秒钟发出1024K次数据帧/数据列车，对应256个不同编号的数据帧/数据列车，这样，每个具体编号的列车的频率就是4KHz。例如在从站光纤节点1有数字IO需要更新，更新周期是8KHz，那就需要将数据装载到两趟列车。对于数字输出，需要在主站的前向链路列车0和列车127上车，在从站的前向链路列车0和列车127下车；对于数字输入，需要在从站的反向链路列车0和列车127上车，在主站的反向链路列车0和列车127下车。

由于列车经过所有从站光纤节点，所以从站节点间也是可以传输数据的，同样是配置好上下车的时间表就可以。从站光纤节点的数据上下车的时间表是通过主站配置的。数据列车帧结构里的CtrlAddr和CtrlData就是实现主站配置从站的功能。当主站需要读写一个从站光纤节点的数据时，只需要填入从站光纤节点的Node ID号和读写数据的地址，而组帧、拆帧等操作则由下面将要描述FPGA完成。从站收到每趟列车都会检查命令配置域，如果是本节点有读写操作，则从CtrlData域取数或填入数据，并更新对应的CRC校验域。

在本具体实施例中，主从站都使用带有Serdes（并串行与串并行转换器）接口的FPGA实现上述的数据帧协议。Serdes的电信号直接连接到光模块，提供光纤输入输出接口。

请见图3，该图所示为从站FPGA的实现框图，其中主要包括下面模块：

1)      两个通道Serdes模块，对输出信号进行并串行转换，对其输入信号进行串并行转换。

路由选择模块，根据光纤的物理连接情况自动识别出两个Serdes通道中，哪个是前向链路，哪个是后向链路，对于最后一个节点，只有一个Serdes通道工作。

前向链路访问模块，用于解析帧结构，当发现有本节点配置命令时，通过配置命令读写接口访问内存；解析帧结构的数据车厢部分，根据配置表里面的配置，对主内存进行读写；如果是读操作，则重新组帧，否则透传数据。

反向（即后向）链路访问模块，和前向链路访问模块功能几乎一致，只是少了配置命令的处理，只有前向链路需要处理配置命令。

配置表模块，细分成前向链路配置表和后向链路配置表，配置表里面保存的是数据车厢对应操作的主内存模块地址和上下车标志。例如一个数据车厢CRC校验正确，然后查配置表得到这个数据车厢对应下车操作，地址是0x200，则将数据车厢里面的数据写到主内存0x200的位置。

主内存模块，实现一个多端口的RAM，提供多个端口同时读写操作。

如果从站是编码器或IO模块，只需要加入编码器或IO的相关接口逻辑，并封装成一个多端口RAM的形式即可；如果从站是数字伺服驱动器，只需要加入数字伺服控制相关逻辑，并封装成一个多端口RAM的形式即可。从站通信接口都是可以复用的。

图4所示为主站FPGA的实现框图，其中主要包括以下模块：

1)        列车时序发生器：负责产生各趟列车的发车时序。

一个通道Serdes模块，对输出信号进行并串行转换，对其输入信号进行串并行转换。发送方向是前向链路，接收方向是反向链路。

配置表模块，和从站FPGA的功能类似。

前向链路模块，和从站FPGA的功能类似，但只有组帧功能，只有上车操作，即对应主内存读操作，配置命令帧的组帧操作也在这里完成。

反向链路模块，和从站FPGA的功能类似，但只有解析帧功能，只有下车操作，即对应主内存写操作，配置命令帧的解析帧操作也在这里完成。

配置表模块，从站FPGA的功能类似，前向链路配置表只有上车操作，后向链路配置表只有下车操作。

主内存模块，实现一个多端口的RAM，提供多个端口同时读写操作；一个读写端口给前向和反向链路模块，其余的读写端口给板卡上的处理器使用，包括板卡的各个DSP处理器和PCI-E总线接口。

在本具体实施例中，主、从站的FPGA已经实现了数据链路层的所有功能，所以主站处理器只需通过配置寄存器初始化各个从站，将需要访问的从站寄存器空间映射到主站的内存空间，然后开启数据列车。请见图5，图5描述了主站软件的***初始化流程图。主站处理器直接访问主站内存空间即等效于访问从站的寄存器空间，从程序员的角度看，整个***里的IO、编码器和伺服驱动器的寄存器都在主站的主内存空间，相当于处理器的外设，所以，其编程方式和通用控制型处理器是一样的，仅仅增加了初始化各个从站和主站的FPGA的工作。从站的数量和编码器、伺服驱动器的通道数有关，需要根据***配置决定，由上层软件配置。

请见图6，由于数据列车是定时更新数据，所以将控制算法放在数据列车中断处理函数里，获得最新的控制通道信息，计算出最新的控制通道的输出信息并写入，这样可以将***延时减到最小，从而提高***响应速度。图6描述了主站软件的时序中断处理流程图。

本实用新型由于采用FPGA设计，技术上完全可控，不像SERCOS 和 EtherCAT等高速总线受制于特定ASIC。而且，实验表明本实用新型技术方案所达到的传输速率比SERCOS 和 EtherCAT等高速总线还要快10倍，循环周期比SERCOS 和 EtherCAT等高速总线更短。同时，数据链路层和以上的协议层完全采用可编程技术，可以根据个性化需求灵活配置，并支持在线升级。

本实用新型通过本具体实施例的样机实验测试，验证了基于光纤的高速现场总线控制***的低延时、可靠性，样机可同时控制64个伺服电机和几百个IO。位置环采样率最高可达64KHz。实验表明，基于光纤的高速现场总线控制***实时性优良，整机布线简单可靠。

Claims (2)

1.一种基于光纤的高速现场总线控制***，由一个主站、一个或多个从站、连接各主从站的高速现场总线，其特征在于：所述的高速现场总线使用光纤连接各主站和从站，所述的高速现场总线使用的光纤从主站出发，连接到一个从站，再从该从站连接到下一个从站，并按此方式重复直到连接到最后一个从站。

2.根据权利要求1所述的基于光纤的高速现场总线控制***，其特征在于所述的各主站和从站在数据帧经过所述高速现场总线控制***时存取数据帧并向指定的各主、从站传输数据的控制，均使用带有并串行与串并行转换器接口的现场可编程门阵列实现，所述的并串行与串并行转换器的电信号直接连接到光模块，提供光纤输入输出接口。

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