多轴联动高速运动控制网络的设计与实现

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1、多轴联动高速运动控制网络的设计与实现张建华;葛红宇;李宏胜;方力【摘要】Synqnet, a commercial motion control network technology is referred, a high speed, multi-axis coordinated motion control network is proposed. The network communication protocol, detailed control logic of the host-node and the slave-node and the realization with VH

2、DL is also suggested. Then, control chip for the host-node and the slave-node are developed with LFXP2-5, a FPGA device of Lattice Semiconductor. In the end, the network hardware is achieved to verify the feasibility of the network with an embedded microcontroller, S3C2410.% 参考商业化运动控制 网络Synqnet,提出一种

3、适于数控领域的多轴联动高速运动控制网络结构，完成了相 关的网络通信协议、主从节点控制芯片的逻辑设计并给出了其VHDL实现方法采 用Lattice的FPGA器件LFXP2-5实现了主从节点控制芯片，主节点采用S3C2410 嵌入式处理器实现了网络硬件,最后通过实验验证了所设计的网络.【期刊名称】 制造技术与机床【年(卷),期】 2013(000)001【总页数】5页(P93-97)关键词】 多轴联动;网络;运动控制;通信协议;逻辑设计作 者】 张建华;葛红宇;李宏胜;方力【作者单位】南京工程学院自动化学院,江苏南京211167;南京工程学院自动化学 院,江苏南京211167;南京工程学院自动化学

4、院,江苏南京211167;南京工程学院自 动化学院,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TP273网络化是运动控制、数控技术等领域的重要发展方向。结合商业化的CAN总线、 485总线等技术，相关的研究人员与机构推出一系列的网络化运动控制器、数控 系统网络等工业化产品12。近年来，以太网技术的飞速进步，使基于串行 通信协议的运动控制网络受到业内各界的广泛重视，先后出现了 SERCOSII、Powerlink、Profinet等专用运动控制网络协议。其硬件传输媒介主要采用RS- 485、光纤、Fire Wire与以太网4种，各有自身独特的优势，同时也都拥有一定 的市场份额3-5。其中S

5、ynqnet运动控制网络采用全双工传输模式，通信周 期小于25 ps,双向传输速度可达200 Mb/s，突出的性能优势使其迅速得到相关 专业厂商的认可，并迅速被市场采用6。根据上述发展，本文在多轴联动数控网络研究中，参考商业化的Synqnet控制网 络结构与协议并进行适当的简化、修订，同时结合数控系统的技术特点，基于大规 模可编程逻辑器件FPGA，研究多轴联动高速运动控制网络的拓扑结构、传输协议、 联动控制方法及其实现技术7-9。1 网络结构设计本文所用运动控制网络结构如图1 ，主控计算机在完成指令输入、译码、校验、刀 具补偿后将得到的多轴运动控制指令直接通过局部总线传给主节点Host，再由主

6、 节点Host通过本文所设计的类Synqnet协议传至各从节点Slave。从节点不仅完 成指令数据的接收、通信功能，还负责各运动轴的联动控制。Slave节点上，各运 动轴的插补控制信号由运动控制器内带有类Synqnet协议的运动控制芯片实现。 相对现有运动控制网络，图示的网络结构将节点上各运动轴的插补控制算法集成到 节点控制中，因此节点上的各轴联动操作不需要额外的插补控制器;同时，节点间 各轴的插补运动通过网络的高速数据传输保证。因而，该种网络结构易于实现多轴 运动的强实时控制。上述的控制网络中，主节点通过主控芯片接收 CPU 送来的并行数据，计算校验码， 将二者转换为网络介质要求的四位数据，

7、根据专用数据传输协议发送至类Synqnet网络。从节点利用运动控制芯片接收来自类Synqnet网络的数据，同时 进行数据转换、校验，而后根据数据指令初始化运动参数，驱动插补控制模块，发 出指令脉冲至相应驱动器。2 主节点控制逻辑设计本文的类Synqnet总线沿用商业以太网的双绞线与物理层接口 PHY，同时设计专 门的通讯协议与节点逻辑控制电路与芯片，以简化传输，提高效率。21 主节点控制芯片的逻辑结构 主节点的逻辑控制电路基本结构如图 2，它主要完成数据发送及状态监控等功能， 通过专门设计的专用节点控制芯片实现。整个控制芯片由CPU读写控制、FIFO、16 - 4位数据转换、FIFO状态监控，

8、数据发送与发送状态监控等模块构成。主控芯片通过 CPU 读写控制接收 CPU 的 16 位并行数据、计算 16 位循环冗余码， 根据网络介质要求将其转换为四位数据，而后响应发送时钟TXC,将数据发至类 Synqnet 网络。从节点收到数据，进行串并转换、循环冗余校验，传输错误，向 主节点发出重发请求，请求重发数据封包。22 数据发送逻辑设计221 数据格式 本文的数据传输过程分为参数设置与数据传输两个阶段，分别处理两类数据封包 设置封包与数据封包。设置封包的数据格式如表 1，起始字为 4 位数据“1000”， 结束字“1001”，校验采用取反校验，传送起始字、结束字、设置数据的同时， 输出反码

9、供校验。表1 设置封包结构起始字起始校验 设置数据数据校验字结束字 结束校验10000111 8位地址 8位数据封包长16位反码校验字1001 0110 数据封包的结构与设置封包类似，也包括起始字、数据与结束字3个段，且起始 字、结束字与校验码均与设置封包相同，只是所传输的数据采用16位循环冗余校 验。222 发送时序逻辑设计发送电路遵从IEEE802标准，响应发送时钟TXC发送数据。根据两类封包的数据格式，发送模块设置芯片的10个状态，分别对应设置封包与数据封包各数据的发 送过程，如表2。表2发送过程控制芯片状态字状态所属段说明SO参数设置段空闲态S1参数设 置段发送设置封包起始字及校验码S

10、2参数设置段发送设置数据S3参数设置段 发送设置封包结束字S4参数设置段发送设置封包结束字校验码S5参数设置段设 置结束S6数据段发送数据封包起始字及校验码S7数据段数据发送及校验S8数 据段发送数据封包结束字S9数据段发送数据封包结束字校验码如果FIFO不空，主节点控制芯片根据FIFO读写指针计算待发数据长度（以字为 单位），进入参数设置段，启动一次传送过程。而后，在发送时钟 TXC 下降沿上， 控制芯片检测芯片状态与网络传输状态，若传输正常，根据状态依次送出起始字及 校验码、设置数据及校验码、结束字及校验码，同时依次修改芯片的相应状态。发 送过程中，检测到网络传输出错，芯片重置空闲状态so

11、,清出错标志，重复上述 过程，重发设置封包。数据传送段，控制芯片首先送出起始字与校验码，启动数据封包发送，校验无误， 从FIFO中取一字（2字节）作为发送数据的高16位，同时计算16位循环冗余码 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下降 沿上送至TXD。数据发送中，接收端出错，芯片转状态S6，在下一个TXC降沿 重发数据封包起始字“1000”，重新开始数据封包的传送。数据发送结束，模块发送结束字“1001 ”及其校验码“0110”，完成整个数据封 包的发送，实现一次完整的数据发送过程。3 从节点控制逻辑设计31 从节点控制芯片的逻辑结构从节点控制电路的逻辑结构如

12、图 3，它主要完成数据接收、插补控制及节点开关控 制等功能，通过专用的从节点控制芯片实现。从节点控制芯片由数据转换、接收、校验、FIFO及存取控制、插补控制、节点输 入/输出控制等模块构成。芯片接收来自运动控制网络的指令数据，而后进行 16 位转换与循环冗余码校验。接收数据出错，则置位通信出错标志位，同时向主控芯 片发出重发请求。反之，数据接收无误，存入FIFO供插补控制或开关控制模块读 取。取到轨迹控制指令，插补控制模块初始化运动参数，启动相应的圆弧或直线插 补功能，送出指令脉冲给相应驱动器;取到开关控制指令，开关量控制逻辑通过节 点输入/输出控制模块送出要求的开关量。32 数据接收逻辑设计

13、 与前述发送过程相对应，数据接收过程分为参数与数据接收两个阶段。根据两阶段 网络所传输的数据及传输过程，接收电路同样设定电路的 10 个相应状态，如表 3 表3数据接收过程控制芯片状态字状态所属段说明SO参数设置段空闲，等待起 始字S1参数设置段等待设置封包起始字及校验码S2参数设置段接收设置数据 S3参数设置段等待设置封包结束字S4参数设置段等待设置封包结束字校验码 S5参数设置段设置结束，等待起始字S6数据段等待数据封包起始字校验码S7 数据段数据接收及校验S8数据段等待数据封包结束字S9数据段等待数据封包 结束字校验码 网络数据接收过程中，控制芯片响应接收时钟 RXC 的上升沿，从 RX

14、D 接收数据， 进行416 位数据转换，取得数据及其校验码。空闲状态下，数据接收模块收到 传送起始字及其校验码，根据FIFO的读写指针计算芯片中的的空余存储空间，进 入参数设置段。而后，接收 16 位设置数据及校验码，校验无误，取设置数据高8 位作为本次传送地址，低 8 位作为数据封包长（以字为单位），若取得本机地址， 接收模块等待结束字及校验码，完成参数设置封包的接收;若非本机地址，接收电 路恢复芯片空闲态S0,不作任何处理。校验出错，从节点错误标志位置1，节 点状态监控模块发送重传请求“1010”及校验码“0101”，请求发送端重发设置 封包，从节点状态转空闲态 SO。参数设置段结束，接收

15、电路等待数据封包起始字“1000”及校验码“0111”。而 后响应RXC上升沿，按照先高后低的顺序，依次读入8组4位数，得到16位的 数据及循环冗余码。校验无误，继续传输过程直至数据传送完成。与参数设置段类 似，传输中数据出错，节点错误标志位置位，节点状态监控模块发送重传请求，节 点状态转S6，等待数据封包起始字与校验码，重新开始数据段的传送。 数据传送结束，模块等待传送结束字“1001”及其校验码“0110”，收到后调整 接收队列的读写指针，恢复各信号与寄存器，准备接收新的传送请求。4 网络实现及仿真实验41 节点控制芯片功能仿真实验利用上述逻辑控制芯片的逻辑结构、数据格式、状态字以及数据传

16、输过程，根据模 块设计不同的VHDL进程Process，完成主/从控制芯片逻辑设计。主节点控制芯 片逻辑功能仿真如图 4 所示。图4a为数据写入过程，发送队列空标志empty迅速拉低。WR的升沿上，16位 数据总线将数据0000H - 0007H依次写入芯片FIFO,指针XWP递加。图4b的 参数设置，发送允许TREN为高，TXD响应发送时钟TXC降沿，依次送出封包起 始字“1000”与校验字“0111”，而后送出节点地址00H与数据封包长08H及 其组合后的反码0FFF7H，最后送出结束字“1001 ”与校验码“0110”，结束参 数设置段。数据封包的发送如图4c，在TXC的降沿上，TXD依

17、次送出起始字与校验码“1000”、“0111”，数据0000H及校验码0000H，数据0001H及16位循环 冗余码8005H，数据0002H及冗余码800FH，输出顺序与图4a中写入的数据及 顺序严格对应。从节点控制芯片功能仿真如图 5，图中所述为空间直线运动指令的传输。传输结束 前接收队列空标志empty为1,实际上此时数据已经写入队列，为保证数据可靠 性，此时不允许读取正在传送的数据封包。传输结束，队列空标志复位，读信号 RD 上升沿，接收队列中数据送出，图中运动模式XMOD=0 ,即直线运动，终点x 坐标 xxe=3 ( 0011B ), y 坐标 xye=4 ( 0100B ), z

18、 坐标 xze=0,起点坐标全 为 0。42 硬件实现网络节点的硬件结构如图6所示。主节点硬件由CPU模块、主节点控制芯片(FPGA)、USB控制、系统键盘、物理层接口 PHY及必要的IO电路构成。CPU 采用集成的CPU板，板上集成嵌入式处理器S3C2410、64 MB的SDRAM、2 MB的Nor Flash与64 MB的Nand Flash，显示模块为商用的3 . 5英寸TFT 真彩屏，PHY器件采用常用网络接口器件RTL8201。上述硬件结构中，主节点处理器 S3C2410 通过 U 盘控制获取 U 盘中的指令数据， 译码后将结果写入主节点控制芯片（FPGA ）的FIFO,经过网络发至

19、从节点，由 从节点输出相应的插补脉冲、方向信号以及其他开关控制信号。网络硬件设计中采 用两组收发器，形成冗余网络，增强网络的可靠性。主节点TFT模块显示主节点 以及从节点的状态信息、正在运行的程序段等内容，节点选择、文件操作等的通过 主节点键盘完成。图7为网络实验的结果。根据图6描述的硬件结构，不考虑CPU模块，主/从节 点具有相似的硬件结构，因而，本文的网络实验中从节点硬件与主节点的采用了同 样的控制板，只是从节点上省去了 CPU板和TFT模块。5 结语 根据运动控制网络的发展，结合其在数控技术领域的应用，参考现有运动控制总线Synqnet网络，提出适于数控领域的一套类Synqnet网络结构

20、及其实现技术，这 种结构在节点上固化多轴联动控制逻辑，使每个运动控制网络节点成为一个独立的 多轴运动控制器，节点上的多轴联动通过节点控制芯片实现，无需专门的CPU。 同时，节点带有FIFO,能够满足联动控制的高实时性要求及网络化要求;结合数控 技术，提出一整套的类Synqnet协议并提出其VHDL实现方法;在此基础上，采用 硬件描述语言VHDL,完成了主节点逻辑控制芯片与具有多轴联动功能的从节点逻 辑控制芯片设计。最后，利用商用的嵌入式S3C2410 CPU板，开发节点硬件对 所提出的网络与通信协议进行了验证。参考文献1 刘丽松，殷苏民，林新华，等基于CAN总线的开放式数控系统控制网络 的设计

21、J 机床与液压，2007 ,35 ( 2 ) :164 - 166 2 舒志兵，张杰基于CAN总线的网络化运动控制系统的研究J.机械设 计与制造，2008 ,30 ( 1 ) :181 - 183 3 许万，陈幼平，陈冰，等基于实时以太网的多轴运动控制网络的研究J.制造业自动化，2008 ,30 ( 11 ) :71 - 75 4 曹政，李磊，陈明宇万兆以太网媒体访问控制层研究J.计算机工程，2007 ,33 ( 17 ) :31 - 33 5 云利军，孙鹤旭，雷兆明，等运动控制网络的研究现状及发展趋势J 控制工程，2006 ,13 (4) :290 - 292 6 许俊，林水生基于FPGA的以太网MII接口扩展设计与实现J 电子 设计应用，2005 ( 5 ) :110 - 113 7 云利军，孙鹤旭，雷兆明，等基于SynqNet的网络化运动控制器研究 J.制造技术与机床，2006 (2 ):40 -43.8 叶懋，刘宇红，刘桥.CRC码的FPGA实现J.重庆工学院学报，2007 , 21 ( 3 ):85 - 87.9 毕占坤，黄芝平，张羿猛，等循环冗余校验分布式算法的理论推导及FPGA 实现J.兵工学报，2006 ,27 ( 6) :1121 - 1125