專利名稱：在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的專用芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種芯片，更具體地說，涉及在特定全數(shù)字環(huán)形總線數(shù)控 系統(tǒng)中用于實現(xiàn)總線控制器功能的芯片。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)，是由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的形式?jīng)Q定的。市場上能夠
見到的不外乎如下幾種模擬量數(shù)據(jù)(如圖1)、數(shù)字脈沖式(如圖2)、總線式 (如圖3)。這3種結(jié)構(gòu)各有各的特點。目前，國內(nèi)市場上模擬量傳輸數(shù)據(jù)的居 多，以脈沖命令傳送速度數(shù)據(jù)的這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)在在低端的數(shù)控系統(tǒng)中常見，高端 的已經(jīng)是模擬量和數(shù)字總線式的市場。
在脈沖式和模擬量傳送數(shù)據(jù)的兩種數(shù)控結(jié)構(gòu)中，都存在一個叫做數(shù)控控制 器的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的工作方式簡單概括如下上位機的數(shù)控軟件傳過來的速 度或者位置信號，通過某種總線傳送到數(shù)控控制器。數(shù)控控制器將這個信號轉(zhuǎn) 化成伺服驅(qū)動器能夠識別的模擬量(通常是± IOV)或者脈沖命令(通過計數(shù)和 定時實現(xiàn))伺服驅(qū)動器接收到這種命令之后進行相關(guān)運算，控制功率部分使伺 服電機按照要求運轉(zhuǎn)；同時伺服驅(qū)動器的實際運轉(zhuǎn)位置通過位置檢測裝置反饋 給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)反饋的信號計算電機的實際速度和位置，調(diào)整 控制精度，完成一個控制循環(huán)；與此同時位置檢測裝置的數(shù)據(jù)也反饋給數(shù)控控 制器，并通過數(shù)控控制器將位置檢測裝置反饋數(shù)據(jù)送到上位機的數(shù)控軟件，參
與位置環(huán)的運算，達到位置環(huán)控制的目的。
由上述結(jié)構(gòu)不難看出脈沖命令式和模擬量式的數(shù)控結(jié)構(gòu)中間都要加一個數(shù) 控控制器對來自上位機和數(shù)控軟件的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化。這樣的話中間環(huán)節(jié)比較復(fù) 雜，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和傳輸過程由于模擬-數(shù)字和其他環(huán)節(jié)的存在，容易造成傳輸過 程中的精度損失和傳輸轉(zhuǎn)換誤差。同時由于中間環(huán)節(jié)的增加，系統(tǒng)受干擾的概 率也會增加，系統(tǒng)不穩(wěn)定因素提高。還有一點，數(shù)控控制器環(huán)節(jié)的存在，本身 會使成本增高。
數(shù)字伺服裝置的出現(xiàn)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。采用數(shù)字伺 服裝置，所有指令值和實際值都在一個微控制器內(nèi)完成處理。這種伺服裝置不 但能實現(xiàn)傳統(tǒng)的電流環(huán)和速度環(huán)控制，還能在極短的時間內(nèi)完成精插補，實現(xiàn) 位置環(huán)控制。
總線式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是將來數(shù)控發(fā)展的趨勢，各大數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家 都在這個反面進行了大量的投入，并為之設(shè)計了諸多的總線系統(tǒng)。
絕大部分的總線式數(shù)控都采用如圖3所示的類似結(jié)構(gòu)。通常這種結(jié)構(gòu)是開 放式的，采用工業(yè)級別的計算機，然后在計算機上插上為系統(tǒng)所采用的總線協(xié) 議特別開發(fā)的總線控制器板卡；通過總線控制器板卡連接帶有總線接口的伺服 驅(qū)動器。工作過程大概如下在固定時間的插補周期內(nèi)，數(shù)控軟件將要控制的 數(shù)據(jù)通過主板上的總線接口發(fā)送到總線控制器板卡，總線控制器板卡將這些數(shù) 據(jù)根據(jù)相應(yīng)的總線協(xié)議需要打包發(fā)送到總線網(wǎng)絡(luò)上去；數(shù)字總線式伺服驅(qū)動器 接收到這些數(shù)據(jù)包，將有效的位置插補數(shù)據(jù)和速度以及其他數(shù)據(jù)提取出來，進 行控制算法運算，進而控制伺服電機。同時伺服驅(qū)動器根據(jù)電機的位置檢測裝 置反饋數(shù)據(jù)，針對速度和位置進行調(diào)整，完成自己的控制循環(huán)；位置檢測裝置 的反饋信號同時通過數(shù)字伺服驅(qū)動器的總線通道反饋給數(shù)控軟件，數(shù)控軟件提
取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)控算法進行位置插補以及其他的控制算法的運算，進入下個插 補周期，發(fā)出該插補周期的命令。
目前，有主板開發(fā)實力的廠家在開放性和可靠性方面希望獲得較佳的關(guān)系，
針對工業(yè)環(huán)境開發(fā)自己的主板，并將總線控制器坐在CPU主板上。但是由于時 代和當(dāng)時硬件條件的限制，這些集成了總線控制器的主板通常采用多CPU的接
口，相對來說資源比較浪費，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為了減少重復(fù)開發(fā)的費用，這種 結(jié)構(gòu)一直被保留至今。
數(shù)控系統(tǒng)作為一個獨立的過程數(shù)字控制器應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中，其多 任務(wù)性表現(xiàn)在它的管理軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。其中系統(tǒng)管理包括
輸入，1/0處理，通信，顯示，診斷以及加工程序的編制管理等。系統(tǒng)的控制部 分包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制等。因此，現(xiàn)代的開放 式數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)通常比較龐大，需要有高性能的計算機硬件作為依托，而 目前的高速發(fā)展的X86結(jié)構(gòu)的CPU系統(tǒng)可以很好的滿足這種需求。此外，數(shù)控 系統(tǒng)開放性的一個重要表現(xiàn)是其操作系統(tǒng)的通用性。該結(jié)構(gòu)設(shè)計為采用windows NT和Debian Linux兩種多任務(wù)操作系統(tǒng)，到目前為止支持X86結(jié)構(gòu)的CPU。 在該結(jié)構(gòu)中，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)對實時性的苛刻要求，對操作系統(tǒng)進行了實時性改 造。
此外，如圖4所示一種全數(shù)字環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)的拓樸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)， 在申請人同日提交的中國專利申請"一種總線式數(shù)控系統(tǒng)及其控制方法"中予 以描述。為了實現(xiàn)這種架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，需要選用硬件設(shè)備，選用現(xiàn)有的通訊 協(xié)議或自行設(shè)定數(shù)據(jù)格式、傳輸時序等要求(屬智力活動的范圍)。而在上述硬 件設(shè)備中，以插卡獨立方式或集成于主板方式的總線控制器，是系統(tǒng)必需設(shè)備。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型為圖4所示這類全數(shù)字環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)(下文詳述)，提供 了一種實現(xiàn)總線控制器功能的專用芯片，在配合必要的存儲器、傳輸介質(zhì)以及 接口電路或設(shè)備即可實現(xiàn)一個集成于主板或通過插卡方式連接主板的總線控制 器。其目的是保證上述數(shù)控系統(tǒng)更加適合于實際應(yīng)用，在節(jié)省成本、增強兼容 性的同時，兼具操作的筒單、易用，在保證高速、實時的前提下，增強了系統(tǒng) 的可靠性。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型一種在全數(shù)字環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總 線控制器功能的專用芯片，包括電源監(jiān)控模塊66、數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊72、 用于與上位機主板總線通訊控制的PC總線控制模塊62、根據(jù)總線協(xié)議解析傳 輸數(shù)據(jù)的總線協(xié)議解析模塊63、控制傳輸數(shù)據(jù)在物理層收發(fā)的物理層控制模塊 64以及機床數(shù)據(jù)存儲控制模塊71。其中，來自芯片外部上位機的數(shù)據(jù)通過PC 總線控制模塊62依靠數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊72寫入芯片外部的數(shù)據(jù)緩存區(qū) 61;總線協(xié)議解析模塊63依靠讀寫控制模塊72讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)61 ，獲得數(shù)據(jù) 并將其轉(zhuǎn)化為符合總線協(xié)議的指令數(shù)據(jù)，再通過物理層控制模塊64將數(shù)據(jù)發(fā)往 從設(shè)備。來自從設(shè)備的反饋信息，依次通過所述物理層控制模塊64、總線協(xié)議 解析模塊63、數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊72寫入芯片外部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)61，上 位機通過PC總線控制模塊2依靠數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊72讀取所述數(shù)據(jù)緩 存區(qū)61獲得數(shù)據(jù)。上位機通過還PC總線控制模塊62依靠機床數(shù)據(jù)存儲控制模 塊71從位于芯片外部的機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)67讀取或向機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)67寫入數(shù) 據(jù)。
本實用新型實現(xiàn)總線控制器功能的專用芯片，其改進在于，還包括數(shù)控系 統(tǒng)監(jiān)控和使能控制模塊65,用于開機上電時對系統(tǒng)設(shè)備電源狀況、軟件硬件狀
態(tài)、設(shè)備狀態(tài)作出檢測以便在系統(tǒng)正常前提下直接發(fā)出使能信號。使能模塊65 依次通過物理層控制模塊64、總線協(xié)議解析模塊63接收來自從設(shè)備的數(shù)據(jù)，同 時數(shù)控系統(tǒng)使能模塊65還通過PC總線控制模塊62接收來自上位機的數(shù)據(jù)。
本實用新型實現(xiàn)總線控制器功能的專用芯片，其改進還在于，物理層控制 模塊64控制傳輸數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)物理層的收發(fā)。
本實用新型總線控制器功能的專用芯片，其特點還在于，物理層控制模塊 設(shè)置三個物理層接口，包括三種傳輸控制功能，依次為用于上位機發(fā)送數(shù)據(jù) 到從設(shè)備的發(fā)送控制、用于從設(shè)備返回數(shù)據(jù)到上位機的接受控制以及用于上位 機與機床鍵盤之間的收發(fā)控制。
而本實用新型的專用芯片，專用于一種全數(shù)字環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)，這種數(shù) 控系統(tǒng)包括主設(shè)備和從設(shè)備；主設(shè)備包括裝有數(shù)控軟件的上位機1和總線控制 器；從設(shè)備包括數(shù)字總線式伺服驅(qū)動器3和PLC;主設(shè)備依次串接1-24個從設(shè) 備并連接回主設(shè)備從而構(gòu)成一個閉合環(huán)路，主設(shè)備和從設(shè)備之間通過以物理層 和傳輸介質(zhì)連接的鏈路傳輸數(shù)據(jù)；在正常工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)單向傳輸。
通過上述技術(shù)方案，本實用新型的專用芯片可以集成到如X86 CPU體系結(jié) 構(gòu)的主板上，配合其他集成器件如數(shù)據(jù)緩存(存儲器)、物理接口 (以太網(wǎng)接口 ) 等，最終實現(xiàn)集成總線控制器的主板設(shè)備，以便特定全數(shù)字環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng) 使用，從而具有本申請人同日提交的中國專利申請"基于全數(shù)字環(huán)形總線式集 成型數(shù)控系統(tǒng)"的有益效果。
當(dāng)然，利用本實用新型的專用芯片也可以集成插卡式總線控制器，從而具 有本申請人同日提交的中國專利申請"基于全數(shù)字環(huán)形總線式通用型數(shù)控系統(tǒng)"
的有益效果。
此外，單就本實用新型的芯片而言，還具有如下有益效果
1、 芯片中集成了主板總線控制器和數(shù)控總線協(xié)議解析以及物理層控制等主 要部分，具有高集成度的特點。
2、 采用FPGA設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，重新規(guī)劃板圖，提高集成度，優(yōu)化元器 件資源，從而達到降低功耗的效果。
3、 有效的簡化電路設(shè)計
4、 降低調(diào)試復(fù)雜度
5、 由于芯片的簡化，設(shè)計的相對集中，成本有效降低。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)選用模擬量數(shù)據(jù)實現(xiàn)的一種數(shù)控系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是現(xiàn)有技術(shù)一種數(shù)字脈沖式數(shù)控系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是現(xiàn)有技術(shù)一種總線式數(shù)控系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是專用本實用新型總線控制器的數(shù)控系統(tǒng)一種拓樸結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5.是總線控制器用于圖4所示全數(shù)字環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本實用新型實現(xiàn)總線控制器專用芯片的內(nèi)部模塊框圖； 圖7是一種lt據(jù)傳輸線組成示意圖，所示傳輸線尤為適用于使用了本實用 新型芯片的數(shù)控系統(tǒng)；
圖8是在本實用新型所涉及的特定數(shù)控系統(tǒng)中示例性的循環(huán)時序圖9是與圖8同一示例中實現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖IO是與圖9同一示例中實現(xiàn)的寫入部分?jǐn)?shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖11是與圖9同一示例中實現(xiàn)的讀出部分?jǐn)?shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式一、全數(shù)字環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)
如圖4所示一種全數(shù)字環(huán)形總線式凄t控系統(tǒng)的拓樸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)，在申 請人同日提交的中國專利申請"一種總線式數(shù)控系統(tǒng)及其控制方法，，中予以描 述。本實用新型是在上述申請的基礎(chǔ)上，做了進一步的限定和完善，旨在提高 此類全數(shù)字環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、高速性以及通用性。因此上述申請 通過引用結(jié)合于本文，將更有助于理解本實用新型的要點和特性。
為此，下文先對此類數(shù)控系統(tǒng)作以詳述。
為了實現(xiàn)此類數(shù)控系統(tǒng)，可以在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個方面定義一種傳 輸協(xié)議或直接選用當(dāng)前流行的協(xié)議如，主要內(nèi)容包括拓樸結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸線 的組成、信號編碼格式、電報結(jié)構(gòu)、工作時序、非周期性數(shù)據(jù)傳輸、接口初始 化、周期數(shù)據(jù)的配置和傳輸、伺服裝置運行模式的設(shè)置以及故障診斷和處理等。 在此，本文提供一種可行方案，旨在示意性的表示本實用新型所需的協(xié)議結(jié)構(gòu)， 而本實用新型的保護范圍并非限定在此協(xié)議結(jié)構(gòu)上。結(jié)合具體情況，協(xié)議的定
義會發(fā)生變化。
1、 物理層
物理層位于通信系統(tǒng)的最低層，是整個通訊的基礎(chǔ)，為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通 訊提供傳輸媒介(電纜、光纖等)及互聯(lián)設(shè)備(插頭、插座等)，為數(shù)據(jù)傳輸提 供通路，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸及相關(guān)的管理工作。系統(tǒng)的物理層協(xié)議主要定義了拓樸 結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸線的組成和信號編碼格式等。
2、 拓樸結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)使用環(huán)路結(jié)構(gòu)作為最基本的拓樸，環(huán)路由主、從設(shè)備和傳輸線組成， 每個環(huán)路只有一個主設(shè)備，其余都為從設(shè)備。各設(shè)備之間通過以太網(wǎng)物理層連
接的鏈路傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在傳輸線上單向流動。
如圖4所示，主設(shè)備(包括總線控制器)和從設(shè)備(包括全數(shù)字總線式伺 服控制器)的連接形式。 一個主設(shè)備可以帶多個從設(shè)備，目前設(shè)計最大可連如 環(huán)路的從設(shè)備為24個，留有可擴展余地。
注意雖然各個從設(shè)備之間是通過5類雙絞線互聯(lián)的，但是各個從設(shè)備之 間不能直接進行數(shù)據(jù)通訊，從設(shè)備只能接收主設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)以及根據(jù)相應(yīng) 命令作出相應(yīng)的反應(yīng)并返回數(shù)據(jù)。各個從設(shè)備的地址，按照鏈路上的連接順序 依次由低到高排列。
3、 數(shù)據(jù)傳輸線的組成
以以太網(wǎng)物理層為例，具體到單條數(shù)據(jù)傳輸線，共由3部分組成。正向發(fā) 送端的以太網(wǎng)物理層芯片，接收到上位控制芯片發(fā)送過來的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將該數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)進行傳送，如圖7所示，正向數(shù)據(jù)和反向數(shù)據(jù)同時發(fā)送，在 從設(shè)備沒有出現(xiàn)故障的情況下，只使用正向數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)遇到斷線或 者其他從設(shè)備不能通信的故障的時候，反向數(shù)據(jù)起到回傳數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)作用， 以供處理故障使用。
4、 信號編碼格式
與所采用的物理層傳輸介質(zhì)和協(xié)議有關(guān)，目前支持以太網(wǎng)物理層，1394物 理層，USB物理層。采用以太網(wǎng)物理層為例在物理層完成4B-5B碼制轉(zhuǎn)換， 5類雙絞線上實現(xiàn)差分曼徹斯特編碼傳輸。
5、 電報基本結(jié)構(gòu)
在系統(tǒng)接口中，所有的數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)電報的形式進行傳輸。具體情況如 下所述。
5.1傳輸協(xié)議的循環(huán)時序結(jié)構(gòu)
由圖8可以看出一個協(xié)議的循環(huán)由2次有間隔的數(shù)據(jù)發(fā)送組成
962字節(jié)的數(shù)據(jù)幀、8字節(jié)的快速字節(jié)幀。其中，962字節(jié)的數(shù)據(jù)幀功能包括主 設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的命令以及從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)。8字節(jié)快速字節(jié)幀的功能包括主 設(shè)備發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)的同步使能，即指示命令執(zhí)行的信息。 具體幀結(jié)構(gòu)描述如下
962 (962 = 2 + 40x24)字節(jié)數(shù).據(jù)幀以16進制AA, BB作為起始字節(jié)，之后 跟隨24個從設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)幀，每個設(shè)備分配40個字節(jié)空間。 5.2從設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
如圖9所示從設(shè)備數(shù)據(jù)共分配40字節(jié)空間，其中前16字節(jié)是來自主設(shè)備 的寫入數(shù)據(jù)，后24字節(jié)是返回到主設(shè)備的數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如 圖IO所示，讀出部分?jǐn)?shù)4居組織結(jié)構(gòu)如圖11所示。
6、 接口初始化和從設(shè)備的初始配置
上電后所有從設(shè)備的基地址都將置為F8H。為了避免地址沖突，所有從設(shè) 備以環(huán)形形式連接，也就是說配置前上位機只能訪問第 一個從設(shè)備。
配置的第一步是識別從設(shè)備，上位機訪問第一個從設(shè)備，若上位機讀取了 正確的標(biāo)識碼。然后上4立4幾給該A人i史備重新分配基:l也址。配置后該/人i殳備在向 下一級傳輸?shù)男盘栔凶饕粯?biāo)志，以便下一個從設(shè)備根據(jù)這個標(biāo)志進行配置，而 后依次完成后續(xù)的從設(shè)備初始配置。
7、 數(shù)控系統(tǒng)協(xié)議的工作時序
如圖11所示一個循環(huán)的時序結(jié)構(gòu)，長數(shù)據(jù)幀的接收開始的頭字節(jié)為16進 制數(shù)據(jù)AA和BB,然后是第0個設(shè)備的第0個字節(jié)(從設(shè)備編號從0開始)， 以第2號從設(shè)備(物理地址是02)為例，在這個從設(shè)備傳遞轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的過程中， 對當(dāng)前傳遞的數(shù)據(jù)量進行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到 2 *40 +2 =82 ( 52 HEX )時，開始接 收(復(fù)制，但是同時轉(zhuǎn)發(fā))數(shù)據(jù)，計數(shù)到82+24=106 (6AHEX)時，停止接收， 開始向數(shù)據(jù)流填充數(shù)據(jù)，邊填充邊轉(zhuǎn)發(fā)。計數(shù)到106+24=138時，自身填充轉(zhuǎn)發(fā) 結(jié)束，繼續(xù)傳遞轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)流結(jié)束。
然后主設(shè)備發(fā)送一個8字節(jié)的快速字節(jié)幀，從設(shè)備接收到開始標(biāo)志之后， 開始計數(shù)；收到這個字節(jié)幀中對應(yīng)于自己位置的命令數(shù)據(jù)，鎖定長數(shù)據(jù)幀傳過 來的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作。
長數(shù)據(jù)幀和快速幀操作都結(jié)束，完成一個循環(huán)。 8、故障i貪斷和處理
本系統(tǒng)的協(xié)議定義了專門的數(shù)據(jù)位對系統(tǒng)電源電壓異常，編碼器斷線，鏈 路斷路，通信數(shù)據(jù)錯誤，伺服裝置報警，PLC報警等都有相應(yīng)的檢測和處理。
根據(jù)上述描述，本實用新型所涉及的這類總線式數(shù)控系統(tǒng)，可以歸納如下
該系統(tǒng)包括裝有數(shù)控軟件的上位機1、全數(shù)字伺服驅(qū)動器3、電機4以及可 編程序控制器PLC。上位機和總線控制器構(gòu)成主設(shè)備；從設(shè)備包括伺服驅(qū)動器 和PLC。伺服驅(qū)動器向電機發(fā)送驅(qū)動信號，同時電機通過線路將位置檢測裝置 反饋的信號送回伺服驅(qū)動器。本實用新型數(shù)控系統(tǒng)的特點在于，主設(shè)備依次串 接多個從設(shè)備并最終連接回主設(shè)備從而構(gòu)成一個閉合環(huán)路，而主設(shè)備和從設(shè)備 之間通過以物理層和傳輸介質(zhì)連接的鏈路傳輸數(shù)據(jù)。信息的傳輸過程中，主設(shè) 備僅向與之直接連接的第一級從設(shè)備發(fā)出主信息，這個主信息包括與所有從設(shè) 備相關(guān)的信息，如命令信息、數(shù)據(jù)信息以及觸發(fā)某一級從設(shè)備執(zhí)行命令的信息。 而且主信息將根據(jù)串接從設(shè)備的順序僅能夠依次單向傳送到各個從設(shè)備。相應(yīng) 地，某一級從設(shè)備接收、響應(yīng)主信息中與之相關(guān)的信息并給出反饋信息；各個 從設(shè)備的反饋信息根據(jù)串接從設(shè)備的順序依次單向通過下級每一個從設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā) 回主設(shè)備。上述數(shù)據(jù)通信只在主設(shè)備和從設(shè)備之間進行，傳輸過程中從設(shè)備只 接收主設(shè)備對自身的命令和操作數(shù)據(jù)并進行處理，對其他從設(shè)備的數(shù)據(jù)只進行
轉(zhuǎn)發(fā)，不進行處理，從設(shè)備之間不進行單獨數(shù)據(jù)交換。 二、總線控制器
上文說明了將使用本實用新型總線控制器的全數(shù)字環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)一 種代表性實施例，下文將針對本實用新型的要點作以詳述。
如圖5所示，上文所述環(huán)形總線式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中表示了總線控制 器的位置及一種插卡式的使用狀態(tài)?？偩€控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括 以下幾個模塊
1、 PC總線控制模塊62
主要根據(jù)采用的主板總線類型，將上位機發(fā)送過來的插補數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng) 配置數(shù)據(jù)，PLC控制數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)解析并按照既定格式放到高速數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等 待數(shù)控總線協(xié)議部分進行讀??；同時從該高速數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀取上個總線插補周 期返回的系統(tǒng)狀態(tài)實際位置反饋數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài) 反饋數(shù)據(jù)，系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)通過主板總線接口反饋給上位運動 控制軟件。優(yōu)選方式下，選用PCI接口。
2、 數(shù)控總線協(xié)議解析模塊63
主要將從高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取來的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，配置到實時數(shù)控總 線的報文中去，并發(fā)送給下位的從設(shè)備；并把從從設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)按照既定格 式存放到告訴緩存區(qū)，等待上位機總線讀取。
3、 高速緩存區(qū)61
這個部分主要由高速存儲器組成，該部分主要用來交換高速插補和PLC控 制數(shù)據(jù)，以及位置數(shù)據(jù)反饋，還有其他狀態(tài)信息。
4、 物理層控制模塊64
主要完成物理層芯片的控制，將并行的實時總線協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成高速實時
串行總線協(xié)議數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)發(fā)送到總線網(wǎng)絡(luò)上去；同時接收總線網(wǎng)絡(luò)反饋 的高速實時串行數(shù)據(jù)并把它們轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)送給數(shù)控總線協(xié)議解析部分。
5、 物理層接口 68
主要負(fù)責(zé)并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化、發(fā)送、接收。優(yōu)選方式下，本 控制器物理層基于100M以太網(wǎng)物理層，傳輸介質(zhì)為5類雙絞線，接口采用以太 網(wǎng)物理層接口 RJ-45，并設(shè)計了嚴(yán)格的差錯控制。
6、 數(shù)控系統(tǒng)使能模塊65
其功能主要是加強系統(tǒng)的可靠性和安全性。在可靠性方面主要考慮數(shù)控系 統(tǒng)的狀態(tài)是否正常，是否出現(xiàn)故障。安全性方面主要針對數(shù)控系統(tǒng)的搮作人員 是否存在潛在危險。除需要檢測主設(shè)備、從設(shè)備電源的情況外，還要檢測上位 機軟、硬件兩方面的運行情況，以及檢測從設(shè)備各個部分的情況。因此，信息 的傳送方式為1、依次通過物理層接口、物理層控制模塊、總線協(xié)議解析模塊 接收來自從設(shè)備的數(shù)據(jù)；2、通過所述PC總線控制模塊接收來自上位機的數(shù)據(jù)。 當(dāng)上位機和從設(shè)備檢測都通過時，使能模塊65直接通過接口發(fā)出伺服系統(tǒng)使能 信號。同時，該模塊還能在檢測狀態(tài)下，對檢測的強電設(shè)備，發(fā)出切斷電源的 信號。從而本模塊便于機床的設(shè)計者更好的提高數(shù)控機床體系的可靠性和安全 性。
7、 機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)67
主要存儲機床當(dāng)前最新的配置數(shù)據(jù)。為了讀寫該存儲區(qū)，設(shè)置機床數(shù)據(jù)存 儲控制模塊71。
圖中還表示了必要的電源管理模塊，為常規(guī)模塊不再予以贅述。 此外，機床鍵盤是作為一個標(biāo)準(zhǔn)PLC設(shè)備進行控制，這個PLC和數(shù)控系統(tǒng) 軟件的軟PLC管理程序之間遵循數(shù)控系統(tǒng)支持的總線，通過上述總線控制器實
現(xiàn)實時通信。由于機床鍵盤對響應(yīng)速度要求比較高，因此在本實用新型使用的 總線控制器上針對這一方面做了特殊設(shè)計，為機床鍵盤預(yù)留 一個單獨的總線接
口，并為該接口i殳計最高的響應(yīng)和處理的優(yōu)先級，保i正機床4定盤和上位機之間 的數(shù)據(jù)交互的實時性。因此如圖6所示，物理層接口 68至少包括用于數(shù)據(jù)發(fā)送 的接口、數(shù)據(jù)返回的接口和用于直接連接機床鍵盤的物理層接口，連接機床鍵 盤的接口用來進行機床鍵盤PLC的10控制。
三、本實用新型的芯片
通過以上說明，可以明確本實用新型所涉及的總線控制器的具體結(jié)構(gòu)。而 本實用新型所涉及的芯片，恰恰是將上述總線控制器上部分功能電路集成到一 個芯片上，以達到方便使用、易于調(diào)試、降低成本的目的。如圖6中，本實用 新型的芯片取編號GDS06B，其中，傳輸數(shù)據(jù)的通路包括
1、 來自芯片外部上位機的數(shù)據(jù)通過PC總線控制模塊62依靠數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀 寫控制模塊72寫入芯片外部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)61;總線協(xié)議解析模塊63依靠讀寫 控制模塊72讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)61,獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為符合總線協(xié)議的指令數(shù) 據(jù)，再通過物理層控制模塊64將數(shù)據(jù)發(fā)往從設(shè)備。
2、 來自從設(shè)備的反饋信息，依次通過所述物理層控制模塊64、總線協(xié)議解 析模塊63、數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊72寫入芯片外部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)61，上位 機通過PC總線控制模塊2依靠數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊72讀取所述數(shù)據(jù)緩存 區(qū)61獲得數(shù)據(jù)。
3、 上位機通過還PC總線控制模塊62依靠機床數(shù)據(jù)存儲控制模塊71從位 于芯片外部的機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)67讀取或向機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)67寫入數(shù)據(jù)。包括 數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控和使能控制以及使能輸出電路。
4、使能模塊65依次通過所述物理層控制模塊64、總線協(xié)議解析模塊63接 收來自從設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時所述數(shù)控系統(tǒng)使能模塊65還通過PC總線控制模塊 62接收來自上位機的數(shù)據(jù)。
圖6中的電源監(jiān)控和電源檢測電路兩部分，是構(gòu)成電源管理模塊的電路部分。
之所以設(shè)置數(shù)據(jù)緩存區(qū)61，是因為，由于不同的總線時鐘頻率不同，系統(tǒng) 總線時鐘頻率不能同時跟不同的總線時鐘頻率達到完全同步，所以在控制器上 面設(shè)置了一片數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于交換高速實時數(shù)據(jù)?？刂栖浖徒o驅(qū)動器的插 補數(shù)據(jù)，通過主板的板上總線送到數(shù)據(jù)緩存；系統(tǒng)在每個實時的總線周期內(nèi)都 會訪問該數(shù)據(jù)緩存，并從中讀取距離當(dāng)前指令周期最近的數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù) 據(jù)進行分析，并轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)，發(fā)送到系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)上。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的各個從設(shè)備在接收到和自己所在位置對應(yīng)的數(shù)據(jù)命令以后， 將自己的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到該協(xié)議指令的相關(guān)區(qū)域，在循環(huán)完成的時候這些數(shù)據(jù) 也就隨著循環(huán)的環(huán)路返回到系統(tǒng)總線控制器；總線控制器上的總線協(xié)議解析模 塊，將這些數(shù)據(jù)提取出來，并存放到數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待下個時鐘周期總線讀取； 然后系統(tǒng)總線發(fā)送一個命令字節(jié)，表示上一次發(fā)送的數(shù)據(jù)有效，各個從設(shè)備可 以同步進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)更新或處理，至此一個循環(huán)完畢。
此外，如圖5中，總線控制器通過主板上的總線接口與基于X86體系結(jié)構(gòu) 的主板相連，并與主板上的X86C:PU通信。本實用新型適用的數(shù)控系統(tǒng)， 一般 情況下選用主從式協(xié)議，上位機命令發(fā)送給各個從設(shè)備，最好選用高速串行實 時數(shù)據(jù)通信協(xié)議。有能力的廠家還可以將本實用新型的總線控制器集成到數(shù)控 主板，進一步增強可靠性。由于上位機主板采用通用X86體系結(jié)構(gòu)，因此和下 位機通信的總線控制器必須設(shè)計成遵循通用主板接口標(biāo)準(zhǔn)的插卡式結(jié)構(gòu)。插卡
式結(jié)構(gòu)和主板之間實現(xiàn)通信的方式有多種，該設(shè)計適用于目前諸多流行的主板
總線接口，比如PCI、 PC104PLUS、 PCIE,最好選用PCI接口。這些總線都具 有速度高，帶寬大的特點，能夠滿足數(shù)控控制的需要。
總線控制器可以根據(jù)需要設(shè)計如上文的協(xié)議，或SERCOS III、 ProfiBus實 時串行現(xiàn)場總線協(xié)議。該總線控制器可以以目前流行和通用的各種主板板上協(xié) 議與數(shù)控軟件之間完成插補數(shù)據(jù)，實際位置反饋數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)， 數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，PLC控制數(shù)據(jù)，系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù) 據(jù)的通信。
而上述的X86CPU，在數(shù)控系統(tǒng)中，主要完成操作系統(tǒng)的運行和管理，數(shù)控 軟件的運行、控制和管理。在實現(xiàn)本實用新型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控軟件中，X86體 系的CPU主板主要完成了如下的控制和管理功能人機界面的顯示和管理，內(nèi) 嵌PLC軟件程序管理，配置系統(tǒng)，參數(shù)管理，數(shù)據(jù)庫管理，NC程序編輯和解 釋，通信管理；運動控制，過程控制，邏輯控制，任務(wù)調(diào)度，軸控制。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護范 圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型披露的技術(shù)范 圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其實用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，都 應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的專用芯片，其特征在于，包括電源監(jiān)控模塊(66)、數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊(72)、用于與上位機主板總線通訊控制的PC總線控制模塊(62)、根據(jù)總線協(xié)議解析數(shù)據(jù)的總線協(xié)議解析模塊(63)、控制傳輸數(shù)據(jù)在物理層收發(fā)的物理層控制模塊(64)以及機床數(shù)據(jù)存儲控制模塊(71)；其中，來自芯片外部上位機的數(shù)據(jù)通過所述PC總線控制模塊(62)依靠所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊(72)寫入芯片外部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)(61)；所述總線協(xié)議解析模塊(63)依靠所述讀寫控制模塊(72)讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)(61)，獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為符合總線協(xié)議的數(shù)據(jù)，再通過所述物理層控制模塊(64)將數(shù)據(jù)發(fā)往從設(shè)備；來自所述從設(shè)備的反饋信息，依次通過所述物理層控制模塊(64)、總線協(xié)議解析模塊(63)、數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊(72)寫入芯片外部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)(61)；上位機通過PC總線控制模塊(2)依靠數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊(72)讀取所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)(61)獲得數(shù)據(jù)；上位機通過所述PC總線控制模塊(62)依靠所述機床數(shù)據(jù)存儲控制模塊(71)從位于芯片外部的機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)(67)讀取或向機床數(shù)據(jù)存儲區(qū)(67)寫入數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的專用 芯片，其特征在于，還包括數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控和使能控制模塊(65),用于開機上電 時對系統(tǒng)設(shè)備電源狀況、軟件硬件狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)作出檢測以便在系統(tǒng)正常前 提下直接發(fā)出使能信號；所述使能模塊(65 )依次通過所述物理層控制模塊(64 )、總線協(xié)議解析模塊(63)接收來自從設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時所述數(shù)控系統(tǒng)使能模塊 (65 )還通過所述PC總線控制模塊(62 )接收來自上位機的數(shù)據(jù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的 專用芯片，其特征在于，所述物理層控制模塊(64)控制傳輸數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)物 理層的收發(fā)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的專用 芯片，其特征在于，所述物理層控制模塊(64)設(shè)置三個物理層接口，包括三 種傳輸控制功能，依次為用于」L位機發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備的發(fā)送控制、用于從 設(shè)備返回數(shù)據(jù)到上位機的接受控制以及用于上位機與機床鍵盤之間的收發(fā)控制。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的專用 芯片，其特征在于，專用本實用新型芯片的全數(shù)字環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)包括主設(shè) 備和從設(shè)備；所述主設(shè)備包括裝有數(shù)控軟件的上位機(1 )和集成本實用新型芯 片的總線控制器；所述從設(shè)備包括數(shù)字總線式伺服驅(qū)動器(3)和PLC;所述主 設(shè)備依次串接1-24個從設(shè)備并連接回主設(shè)備從而構(gòu)成一個閉合環(huán)路，所述主設(shè)態(tài)下，數(shù)據(jù)單向傳輸。
專利摘要本實用新型一種公開了一種在環(huán)形總線數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)總線控制器功能的專用芯片，包括電源監(jiān)控模塊(66)、數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀寫控制模塊(72)、用于與上位機主板總線通訊控制的PC總線控制模塊(62)、根據(jù)總線協(xié)議解析數(shù)據(jù)的總線協(xié)議解析模塊(63)、控制傳輸數(shù)據(jù)在物理層收發(fā)的物理層控制模塊(64)以及機床數(shù)據(jù)存儲控制模塊(71)。本實用新型的芯片集成了部分總線控制器的功能電路，從而不但可以直接結(jié)合存儲芯片、物理接口實現(xiàn)總線控制器功能，而且可以與其他器件一起集成到主板上，構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)使用的專用主板，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。就芯片而言，具有高集成度、有效簡化電路設(shè)計、降低調(diào)試復(fù)雜度、成本低、功耗小的特點。
文檔編號G05B19/414GK201000569SQ20072001011
公開日2008年1月2日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月15日
發(fā)明者于德海, 超 吳, 張贊秋, 曲永強, 俊 李, 王慶鵬, 顧曉亮 申請人:大連光洋科技工程有限公司