高速协调控制网络及节点芯片制造技术

一种高速协调控制网络及节点芯片，包括主控计算机、主节点和从节点；所述主控计算机与主节点通过局部总线连接；所述主节点与一个或多个从节点通过总线通信；所述从节点连接控制一个或多个执行机构。１）先由主控计算机把多点运动控制指令数据传送给主节点；２）然后主节点通过所述总线把指令数据传给各个从节点；３）最后由从节点根据所述指令数据控制一个或多个执行机构。所述从节点采用无ＣＰＵ结构；所述步骤２）中，主节点先对收到的主控计算机传来的指令数据进行处理，再把处理得到的指令数据传给相应的从节点；步骤３）中，由从节点接收所述指令数据，根据指令数据，独立控制执行机构之间协调动作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业控制领域，具体是一种高速协调控制网络及节点芯片。
技术介绍
目前，使运动控制技术与网络技术有机结合，即基于网络的运动控制技术研 究，在国内外尚处于发展阶段。通过对基于网络的运动控制技术进一步深入研究和开发 应用，以形成在网络环境下的运动控制所需的开放性、同步性、可重构性、可移植性、 可裁剪性、实时网络性以及高可靠性的控制系统，将有助于充分利用现有丰富的PC软/ 硬件资源、低成本且可共享的网络资源，改造传统数控装备制造业，并为许多高科技产 品的开发奠定关键技术基础。 高性能运动网络要求严格管理的同步体制来保证多个轴之间的同步和实时更 新。尽管以太网为采用分布控制的一般用途的应用提供足够的性能，但它的实时性差， 难以满足多机构协调动作的要求。在这些情况下，就需要一个快速同步网络，将集中运 动处理器的指令实时送到协调动作的多个执行机构。 现有技术中，Synqnet网络已经被用于工业控制，Synqnet网络中，控制计算机 完成人机交互、刀具补偿、译码、校验等工作，将运算结果通过Synqnet总线传给电机控 制器，各运动参数再由电机控制器通过Synqnet传至各运动轴，从而实现各轴的运动。运 动中的粗插补与各轴的运动控制协调由电机控制器(主节点)完成，Synqnet各节点只完 成单轴的运动控制及参数传递。这样，造成电机控制器的负荷太重，网络中传输的数据 太多，易造成网络阻塞等故障，实时性不高。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出一种新的高速协调控制网络 及节点芯片，具体技术方案如下 —种高速协调控制网络，包括主控计算机、主节点和从节点；所述主控计算机 与主节点通过局部总线连接；所述主节点与一个或多个从节点通过总线通信；所述从节 点连接控制一个或多个执行机构； l)先由主控计算机把多点运动控制指令数据传送给主节点；2)然后主节点通过 所述总线把指令数据传给各个从节点；3)最后由从节点根据所述指令数据控制一个或多 个执行机构， 所述从节点采用无CPU结构； 所述步骤2)中，主节点先对收到的主控计算机传来的指令数据进行处理，再把 处理得到的指令数据传给相应的从节点；步骤3)中，由从节点接收所述指令数据，根据 指令数据，独立控制执行机构之间协调动作。 所述总线的物理介质是基于以太网的物理层结构，即主节点与从节点之间采用 IEEE802协议的物理层介质接口 PHY，数据线缆是以太网线缆。 所述主节点完成指令数据的发送和从节点接收状态的接收；所述从节点采用FPGA;所述从节点的FPGA完成指令数据的接收与接收状态的发送，并根据指令数据对 执行机构进行协调动作控制。 所述步骤2)中，主节点先对收到的主控计算机的指令数据进行处理，转换得到4 位数据，同时响应数据发送时钟TXC，在TXC的上升沿把数据发送到所述网络上； 步骤3)中，从节点接收来自主节点的4位数据，先转化为16位数据，再进行循 环冗余码校验；如果数据出错，则向主控芯片发出重发请求；反之，根据指令协调控制 执行机构的动作。 所述步骤2)中，主节点发送数据和从节点接收数据依据先入先出FIFO存入指令 队列。 所述步骤2)中，所述总线上的数据传输的通信协议是 数据发送过程分为两个阶段参数设置与数据发送。参数设置阶段，发送模块 检测FIFO状态，计算FIFO中的数据个数，并作为数据封包长度通过PHY发出；数据发 送阶段，发送模块响应发送时钟TCK的下降沿，根据模块状态与FIFO状况依次将发送 FIFO中的数据发出。 数据接收对应于发送过程，分为参数设置与数据接收两个阶段。参数设置阶 段，接收模块检测接收队列FIFO的状态，计算FIFO中的空余存储空间，根据设置封包 所传参数确定是否开始数据传送；数据发送阶段，接收模块响应接收时钟RCK的上身 沿，根据模块状态与FIFO状况依次取走RXD上的4位数据，经校验无误后送入接收队列 FIFO，供运动控制模块读取。 所述步骤3)中，从节点控制被控器件的动作是，先根据指令类型分别初始化运 动参数，再进行运动插补，最后送出指令脉冲给相应驱动器；所述运动插补包括直线插 补和圆弧插补。 所述主节点的控制器是主控芯片；主控芯片连接有PHY;主控芯片的数据通过 PHY传送到所述网络上；主控芯片包括CPU读写逻辑控制模块、FIFO模块、16-4位数 据转换模块、FIFO状态监控模块，数据发送模块和发送状态监控模块； 所述CPU读写逻辑控制模块得到主控计算机传来的16位指令数据，再把该指令 数据传到FIFO模块；16-4位数据转换模块把FIFO模块中的指令数据进行转换，然后由 数据发送模块根据FIFO状态监控模块得到的FIFO模块中的数据情况，把16-4位数据转 换模块得到的指令数据通过PHY传送到所述网络上；同时，数据发送模块通过发送状态 监控模块对从节点中的重发请求进行监控。 所述从节点的控制器包括运动控制芯片；运动控制芯片连接有PHY ;所述运动控制芯片通过PHY接收所述网络上的数据；运动控制芯片包括数据接收模块、转换模块、校验模块、FIFO模i央、FIFO状态控制模块、指令读取控制模块、初始化、直线插补 模块、圆弧插补模块和输出控制模块； 所述数据接收模块接收所述网络上的指令数据，再由转换模块把4位指令数据 转换成16位指令数据，转换得到的16位指令数据进入校验模块进行校验，校验合格的指 令数据进入FIFO模块，如果校验出错，则向主节点发送重发请求；所述指令读取控制模 块通过FIFO状态控制模块监控FIFO模块中的数据情况，并接收FIFO模块中的指令数6据；再把指令数据在初始化模块中进行初始化运动参数，然后相应地驱动直线插补模块或圆弧插补模块，最终由直线插补模块或圆弧插补模块通过输出控制模块输出控制。 所述主节点可以采用有CPU或无CPU结构。有CPU结构中，CPU采用MCU;无CPU结构中，主节点采用FPGA。 与现有技术相比，本网络的有益效果如下 1、本网络的物理介质是基于以太网的物理层结构，利用现有的成熟技术可以大大降低研发时间和风险；同时可以实现本网络的高速传输。 2、主节点的工作主要是进行指令数据的转换和发送/接收，从节点在接收/发送数据的基础上完成对多运动机构(执行机构可以是多个运动装置)的协调控制，主、从节点分担了运动控制工作，这样两个节点的控制器无需采用CPU而仅仅采用FPGA即可实现运动控制的全部功能。 3、主、从节点分担了数据传输和运动控制工作，网络上的通信量少，有利于提高网络速度和效率。网络通信的协议和方法使通信的准确性和快速性都得到了保障。 4、 FPGA的资源丰富、运算由硬件完成速度快，本方法提供了一个开放的IP核，本网络的节点控制器的开发和成本也更加便宜。附图说明 图1是Synqnet的运动控制网络结构； 图2是本工业运动控制网络结构图； 图3是本工业运动控制网络主节点及节点芯片的逻辑结构图； 图4是本工业运动控制网络从节点及节点芯片的逻辑结构图； 图5是本工业运动控制网络数据发送流程图； 图6是本工业运动控制网络数据接收流程图； 图7是数字积分法直线插补基本原理图； 图8是采用数字积分法流程图； 图9是逐点比较法圆弧插补原理图； 图10是逐点比较法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速协调控制网络，包括主控计算机、主节点和从节点；所述主控计算机与主节点通过局部总线连接；所述主节点与一个或多个从节点通过总线通信；所述从节点连接控制一个或多个执行机构；　　１）先由主控计算机把多点运动控制指令数据传送给主节点；２）然后主节点通过所述总线把指令数据传给各个从节点；３）最后由从节点根据所述指令数据控制一个或多个执行机构，　　其特征是所述从节点采用无ＣＰＵ结构；　　所述步骤２）中，主节点先对收到的主控计算机传来的指令数据进行处理，再把处理得到的指令数据传给相应的从节点；步骤３）中，由从节点接收所述指令数据，根据指令数据，独立控制执行机构之间协调动作。

【技术特征摘要】
一种高速协调控制网络，包括主控计算机、主节点和从节点；所述主控计算机与主节点通过局部总线连接；所述主节点与一个或多个从节点通过总线通信；所述从节点连接控制一个或多个执行机构；1)先由主控计算机把多点运动控制指令数据传送给主节点；2)然后主节点通过所述总线把指令数据传给各个从节点；3)最后由从节点根据所述指令数据控制一个或多个执行机构，其特征是所述从节点采用无CPU结构；所述步骤2)中，主节点先对收到的主控计算机传来的指令数据进行处理，再把处理得到的指令数据传给相应的从节点；步骤3)中，由从节点接收所述指令数据，根据指令数据，独立控制执行机构之间协调动作。2. 根据权利要求1所述的高速协调控制网络，其特征是所述总线的物理介质是基于以 太网的物理层结构，即主节点与从节点之间采用IEEE802协议的物理层介质接口 PHY， 数据线缆是以太网线缆。3. 根据权利要求1或2所述的高速协调控制网络，其特征是所述从节点采用FPGA ; 所述主节点完成指令数据的发送和从节点接收状态的接收；所述从节点的FPGA完成指 令数据的接收与接收状态的发送，并根据指令数据对执行机构进行协调动作控制。4. 根据权利要求3所述的高速协调控制网络，其特征是所述步骤2)中，主节点先 对收到的主控计算机的指令数据进行处理，转换得到4位数据，同时响应数据发送时钟 TXC，在TXC的上升沿把数据发送到所述网络上；步骤3)中，从节点接收来自主节点的4位数据，先转化为16位数据，再进行循环冗 余码校验；如果数据出错，则向主控芯片发出重发请求；反之，根据指令协调控制执行 机构的动作。5. 根据权利要求4所述的高速协调控制网络，其特征是所述步骤2)中，主节点发送 数据和从节点接收数据依据先入先出FIFO存入指令队列。6. 根据权利要求5所述的高速协调控制网络，其特征是步骤2)中，所述总线上的数 据传输的通信协议是`l)在发送端，数据发送包括参数设置段和数据传送段，分别发送设置封包和数据封 包，具体步骤如下`1.1) 参数设置段发送设置封包，是以字为单位通知接收端本次传输数据长度与传输地址；发送中，先采样发送脉冲TXC，如果发送队列FIFO不空，则根据FIFO的读写指针 计算队列中的数据数量、备份FIFO的读写指针、发起始字及其校验码；如果接收端无错误产生，则计算数据长度反码作为发送数据的低16位，同时传输数 据长度作为发送数据的高16位发至接收端；如果接收无误，则发结束字及其校验码，设置封包发送成功，结束；反之，如果过 程中接收端出错，发送模块初始化，发起始字，重发设置封包；`1.2) 数据传送段先发送起始字与校验码，置位TXEN(发送使能)启动数据封包发送，校验无误后， 发送模块从FIFO中取一字作为发送数据的高16位，同时计算循环冗余码作为发送数据的低16位，从高到低，依次从发送数据中截取4位，在TXC降沿上送至TXD，同时置位 TXEN ;发送中，如果接收端出错，则结束，在下一个TXC降沿重发数据封包起始字，重新 开始数据封包的传送；数据发送结束，发送结束标志字及其校验码，完成整个数据包的发送，同时完成一次完整的数据发送过程；所述步骤l.l)中，参数设置段采用反码校验，即在传送数据的同时传送数据的反 码，分别作为32位数据的高16位与低16位，接收端对二者做异或运算即可判断数据是 否有效；所述步骤1.2)中，数据传送段采用循环冗余码校验CRC方式校验，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建华，李宏胜，方力，葛红宇，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：84[]