【文章內(nèi)容簡介】 μs的情況。Profinet的同步實時IRT功能是在Layer2上由內(nèi)嵌的同步實時交換ASIC芯片提供的。Prifinet在同步實時（IRT）通信方式下應(yīng)用在同步運動控制場合。 IRT的通信特點是，在一個周期內(nèi)通過分隔時間域來傳輸實時和非實時數(shù)據(jù)。循環(huán)實時報文通過確定性通道（IRT channel）來傳遞； 而TCP/IP報文則通過標(biāo)準(zhǔn)通道（OPEN channel）來傳遞。就如同在高速公路上，預(yù)留左車道用于實時通信傳遞，并且禁止其它使用者（TCP/IP 通信）切換到這個車道。這樣一來即使右車道發(fā)生通信堵塞，也不會影響到左車道的實時通信傳遞。Profinet采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”作為低層的通信模型， 采用!TCP/IP協(xié)議上應(yīng)用層的,RPC/DCOM來完成節(jié)點之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時掛接傳統(tǒng)Profibus系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)有的Profibus網(wǎng)段可以通過一個代理設(shè)備連接到Profinet網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使整套Profibus設(shè)備和協(xié)議能夠原封不動地在Profinet中使用。 本文的結(jié)構(gòu)本文以專用高速運動控制網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)工程項目作為應(yīng)用背景，對輪廓插補技術(shù)進(jìn)行了研究。全文共分為七章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章扼要地介紹了運動控制網(wǎng)絡(luò)的概念、特點與相關(guān)研究背景；第二章研究了運動控制網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)；第三章重點對從節(jié)點邏輯設(shè)計進(jìn)行了研究；第四章進(jìn)行了直線插補算法；第五章進(jìn)行了圓弧插補算法；第六章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。第二章 網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu) 需求分析1）多軸運動控制。機器設(shè)備因自動化程度提高而使得單一機器上所需要的軸數(shù)增多,一臺設(shè)備上十幾軸是常見的事情。在軸數(shù)變多后,如何協(xié)調(diào)各軸動作就是一個重要的課題。2）體積要小。由于廠房空間的限制,機器的體積要求越小越好,機器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來愈小,相對的走線空間也愈來愈小。3）要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm一下,在制程及檢測相關(guān)設(shè)備所要求的運動精度也要更精確,其它如LCD設(shè)備,SMD制程設(shè)備也有相同要求。4）要更穩(wěn)定。因為所有設(shè)備的投資經(jīng)費龐大,系統(tǒng)停機的成本就更顯的突出,因此所有機器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時也必須考慮在組件損壞要維修時,必須能快速替換且不出差錯。綜合以上幾點的需求分析可以看到,既要在一個控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運動控制,又要控制器的體積更小,配線和維修要更容易,這些條件看來是相沖突的?？梢赃@樣說,現(xiàn)場總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的?；赩HDL插補芯片實現(xiàn)各象限的直線和圓弧插補，能夠區(qū)分四象限直線的坐標(biāo)并做不同的算法處理，對外輸出X軸和Y軸的脈沖，結(jié)合時序，配合CLK進(jìn)行插補。插補芯片不僅能區(qū)別四象限的直線還能處理四象限的圓弧插補問題，在處理圓弧問題是要區(qū)分逆圓弧插補和順圓弧插補的問題。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體包括：電源模塊，USB模塊，TFT液晶模塊，鍵盤模塊，SDRAM模塊和FLASH模塊等。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖主控CPU是整個系統(tǒng)的核心，軟件的運行平臺都要靠它搭建，許多復(fù)雜的控制算法都靠它實現(xiàn)，這次的控制對象是工業(yè)級的，所以要選擇一款高性能的微處理器才能達(dá)到設(shè)計要求。主（HOST)、從（SLAVE）節(jié)點模塊是高速網(wǎng)絡(luò)最重要的組成部分，它們起著構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的重要作用，所有的通訊協(xié)議邏輯，以及數(shù)據(jù)的交換都要在這里進(jìn)行，主從節(jié)點的性能直接決定整個網(wǎng)絡(luò)的性能。人機交互模塊是整個系統(tǒng)的一個窗口，它將系統(tǒng)中每個節(jié)點的狀態(tài)，節(jié)點的插補軌跡，當(dāng)前執(zhí)行的程序段顯示在液晶界面內(nèi)，清晰的反應(yīng)出整個網(wǎng)絡(luò)的工作情況，以便監(jiān)督控制。根據(jù)上述的簡化Synqnet運動控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本項目研究中的運動控制芯片有兩種：主控（host）芯片與運動控制（slave）芯片。主控芯片接收CPU送來的并行數(shù)據(jù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的要求將其轉(zhuǎn)換為四位數(shù)據(jù)，同時響應(yīng)數(shù)據(jù)傳送時鐘TXC，在TXC的升沿將數(shù)據(jù)發(fā)送到簡化Synqnet網(wǎng)絡(luò)上，供運動控制芯片接收。運動控制芯片芯片接收來自主控芯片的四位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后進(jìn)行16為循環(huán)冗余碼校驗，如果數(shù)據(jù)出錯，則通過自帶的發(fā)送功能向主控芯片發(fā)出重發(fā)請求。反之，根據(jù)指令類型分別初始化運動參數(shù)，驅(qū)動圓弧或直線插補模塊，送出指令脈沖給相應(yīng)驅(qū)動器。 網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu) 每一種網(wǎng)絡(luò)都要求有布線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、文件服務(wù)器、工作站、軟件等，這些要素以多種不同的方式進(jìn)行綜合，便可以創(chuàng)建出與具體單位的需要和資源相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。有些網(wǎng)絡(luò)的啟動成本很低，但是維護(hù)和升級的成本很高；而另有一些網(wǎng)絡(luò)雖然建立時耗資較大，但是維護(hù)方便、升級簡單。區(qū)分網(wǎng)絡(luò)類型可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來區(qū)分。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)的物理布局及其邏輯特征。其中物理布局是指整個網(wǎng)絡(luò)是如何布線的，通常稱為電纜線路；網(wǎng)絡(luò)的邏輯是指信號沿電纜從一點向另一點進(jìn)行傳輸?shù)姆椒?。形象地說我們可以拋開網(wǎng)絡(luò)中的具體設(shè)備，把工作站、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)單元抽象成為“點”，把網(wǎng)絡(luò)中的電纜等通信媒體抽象為“線”，從而抽象出了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，即為邏輯結(jié)構(gòu)。常見的網(wǎng)絡(luò)拖布結(jié)構(gòu)有：星型結(jié)構(gòu)，總線結(jié)構(gòu)，環(huán)形結(jié)構(gòu)，樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。1）星型結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)中有一個中央結(jié)點（集線器或交換機），而其他客戶機都用單獨的線路與這個節(jié)點連接，向四周展開，形成一個心狀結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)的特點有：穩(wěn)定性高，便于管理和維護(hù)，易擴充、易升級；單個節(jié)點的故障只會影響與這個節(jié)點相連的支路，不會影響整個網(wǎng)絡(luò)；對中心結(jié)點的要求比較高，中心結(jié)點一旦出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。2）總線型結(jié)構(gòu)總線型結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)上的所有微機包括服務(wù)器都連在一條主通信線路上。首先客戶機向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器響應(yīng)后，將客戶機所需要的信息直接發(fā)送到總線上，該信息會通過總線上的每一個節(jié)點，客戶機收到信息時，先分析該信息的目標(biāo)地址是否與本機相同，若相同，則接收該信息，否則不接疏。總線型結(jié)構(gòu)特點：組網(wǎng)比較簡單，易布線，擴展網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點也比較簡單。出現(xiàn)傳輸沖突的可能性是很大的，必須用專門的通信協(xié)議來保證傳輸?shù)恼＿M(jìn)行。一個結(jié)點出問題，將影響整個網(wǎng)絡(luò)，總線出現(xiàn)故障整個網(wǎng)絡(luò)將會癱瘓。3）環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)是各個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點連接在一條首尾相接的閉合環(huán)型通信線路中，信號傳遞按一定的先后順序傳遞，這種鏈路是單向的，所有鏈路都只能按一個方向傳輸數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)就會在這個環(huán)上進(jìn)行順時針或逆時針循環(huán)。環(huán)型結(jié)構(gòu)有兩種類型，即單環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)。例如：單環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有令牌環(huán)（Token Ring）。雙環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）。環(huán)型結(jié)構(gòu)特點：連接費用較低，適全中小型網(wǎng)絡(luò)連接；各工作站間無主從關(guān)系，結(jié)構(gòu)簡單，每臺微機都相當(dāng)于一個中繼器；拓展困難，可靠性差，不易管理。4）樹形結(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)是總線型和星型結(jié)構(gòu)演變來的，具體的說是星型結(jié)構(gòu)的擴展和延伸。它有兩種類型，一種是由總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)派生出來的，它由多條總線連接而成。另一種是星型結(jié)構(gòu)的擴展，各結(jié)點按一定的層次連接起來，形狀像一棵倒置的樹，因此稱為樹型結(jié)構(gòu)。在樹型結(jié)構(gòu)的頂端有一個根結(jié)點，它帶有多個分支，每個分支還可以再分出多個子分支。樹型結(jié)構(gòu)的特點：易于擴展，可靠性高；根結(jié)點的依賴性大，根結(jié)點出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致全網(wǎng)不能工作。5）網(wǎng)型結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是一種不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ，這種結(jié)構(gòu)中的每一個結(jié)點和另一個之間至少有兩條鏈路。大型互聯(lián)網(wǎng)一般都采用這種結(jié)構(gòu)。例如：國際互聯(lián)網(wǎng)Internet的主干網(wǎng)都采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點：每個結(jié)點都有冗余鏈路，可以選擇最佳路徑，故可靠性高；但路經(jīng)選擇比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易管理和維護(hù)；線路成本高，適用于大型廣域網(wǎng)。 本課題采用的拓補結(jié)構(gòu)綜上所述，每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點，而高速網(wǎng)絡(luò)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須滿足幾個要求：1）節(jié)點數(shù)量要大，高速運動控制網(wǎng)絡(luò)要求達(dá)到256個節(jié)點；2）網(wǎng)絡(luò)延時小，高速運動控制網(wǎng)絡(luò)必須保證較高的實時性；3）全雙工模式，高速運動控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求全雙工方式；4）高可靠性，高速運動控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求通訊的可靠，要求有容錯能力；5）成本要低；網(wǎng)絡(luò)主從節(jié)點采用雙通道環(huán)形連接，一旦一個通道發(fā)生通訊中斷，立刻啟用另一網(wǎng)絡(luò)通道，保證數(shù)據(jù)能及時的到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。這樣高速運動控制網(wǎng)絡(luò)就具有了“自愈”容錯能力，具體表現(xiàn)為：在線路中的一段發(fā)生故障的事件中，高速運動控制網(wǎng)絡(luò)硬件在兩個伺服周期中重新規(guī)定數(shù)據(jù)線路，這時網(wǎng)絡(luò)仍然保持連接狀態(tài)。運動控制芯片由數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)換、校驗、FIFO及狀態(tài)控制、指令讀取控制、插補模塊與輸出控制等構(gòu)成。芯片接收來自主控芯片的四位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后進(jìn)行16為循環(huán)冗余碼校驗，數(shù)據(jù)出錯，則通過自帶的發(fā)送功能向主控芯片發(fā)出重發(fā)請求。反之，存入FIFO供讀取控制模塊讀取。讀取控制模塊得到控制指令，根據(jù)指令類型分別初始化運動參數(shù)，驅(qū)動圓弧或直線插補模塊，送出指令脈沖給相應(yīng)驅(qū)動器。 主節(jié)點模塊設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸中，主控芯片計算數(shù)據(jù)的16位循環(huán)冗余碼，一同發(fā)至接收端，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的運動控制指令結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)封包的數(shù)據(jù)包括圓弧軌跡運動指令與直線軌跡運動指令，對于圓弧軌跡，數(shù)據(jù)包括軌跡標(biāo)志0010H、圓弧起點坐標(biāo)與終點坐標(biāo)三部分構(gòu)成，均采用16位數(shù)表示。主控芯片的功能結(jié)構(gòu)類似于MII接口，根據(jù)功能可以劃分為發(fā)送模塊、接收模塊、校驗?zāi)K和緩沖區(qū)模塊，通過VHDL軟件接口映射代碼連接各個模塊。 主節(jié)點芯片的邏輯設(shè)計第三章 從節(jié)點邏輯結(jié)構(gòu)與功能 從節(jié)點芯片的邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)接收PHY數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)校驗FIFOFIFO狀態(tài)讀取控制圓弧插補初始化直線插補輸出控制圖 、轉(zhuǎn)換、校驗、FIFO及狀態(tài)控制、指令讀取控制、插補模塊與輸出控制等構(gòu)成。芯片接收來自主控芯片的四位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后進(jìn)行16為循環(huán)冗余碼校驗，數(shù)據(jù)出錯，則通過自帶的發(fā)送功能向主控芯片發(fā)出重發(fā)請求。反之，存入FIFO供讀取控制模塊讀取。讀取控制模塊得到控制指令，根據(jù)指令類型分別初始化運動參數(shù)，驅(qū)動圓弧或直線插補模塊，送出指令脈沖給相應(yīng)驅(qū)動器。數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)發(fā)送端主控芯片發(fā)送的4位數(shù)據(jù)，經(jīng)過416位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到有效數(shù)據(jù)及其校驗碼，數(shù)據(jù)無誤，送入接收隊列FIFO，供運動控制模塊讀取。與前文所述的Host芯片發(fā)送過程相對應(yīng)，運動控制芯片的數(shù)據(jù)接收過程也分為兩個階段：接收設(shè)置參數(shù)與接收數(shù)據(jù)。如果發(fā)送隊列FIFO不空，模塊根據(jù)FIFO的讀寫指針計算隊列中的數(shù)據(jù)數(shù)量（以字為單位），備份FIFO的讀寫指針，發(fā)起始字及其校驗碼，請求發(fā)送，接收端無錯誤產(chǎn)生，計算數(shù)據(jù)長度反碼作為發(fā)送數(shù)據(jù)的低16位，同時傳輸數(shù)據(jù)長度作為發(fā)送數(shù)據(jù)的高16位發(fā)至接收端。FIFO的參數(shù)存儲格式為運動類型、端點坐標(biāo)。運動類型分兩類：空間直線與圓弧。其中，直線的運動類型標(biāo)識為0001H，圓弧為0002H。直線運動后根XYZ三個方向上的16位位移值芯片接收來自主控芯片的四位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后進(jìn)行16為循環(huán)冗余碼校驗，數(shù)據(jù)出錯，則通過自帶的發(fā)送功能向主控芯片發(fā)出重發(fā)請求。反之，存入FIFO供讀取控制模塊讀取。讀取控制模塊得到控制指令，根據(jù)指令類型分別初始化運動參數(shù)，驅(qū)動圓弧或直線插補模塊，送出指令脈沖給相應(yīng)驅(qū)動器。 讀取控制算法FIFO的參數(shù)存儲格式為運動類型、端點坐標(biāo)。運動類型分兩類：空間直線與圓弧。其中，直線的運動類型標(biāo)識為0001H，圓弧為0002H。直線運動后根XYZ三個方向上的16位位移值。圓弧運動則跟圓弧的起、終點坐標(biāo)，也用16位數(shù)表示。讀取控制響應(yīng)運動控制模塊的讀信號RD，在RD上升沿上送出數(shù)據(jù)，模塊根據(jù)運動類型繼續(xù)送出16位端點坐標(biāo)。 讀取控制的算法流程 功能分析1）讀取控制芯片接收來自主控芯片的四位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后進(jìn)行16為循環(huán)冗余碼校驗，數(shù)據(jù)出錯，則通過自帶的發(fā)送功能向主控芯片發(fā)出重發(fā)請求。反之，存入FIFO供讀取控制模塊讀取。2）插補數(shù)據(jù)處理讀取控制模塊得到控制指令，根據(jù)指令類型分別初始化運動參數(shù)，驅(qū)動圓弧或直線插補模塊，送出指令脈沖給相應(yīng)驅(qū)動器。其中，直線的運動類型標(biāo)識為0001H，圓弧為0010H。直線運動后根XYZ三個方向上的16位位移值。圓弧運動則跟圓弧的起、終點坐標(biāo)，也用16位數(shù)表示3）插補脈沖輸出讀取控制響應(yīng)運動控制模塊的讀信號RD，在RD上升沿上送出數(shù)據(jù)，模塊根據(jù)運動類型繼續(xù)送出16位端點坐標(biāo)。 運動控制芯片開發(fā)經(jīng)由讀取控制，開始編譯。編譯完后考試仿真，軟件自動波形分析。最后下載芯片，完成系統(tǒng)調(diào)試與測試。：電路設(shè)計與輸入編譯仿真波形分析下載芯片系統(tǒng)調(diào)試與測試讀取控制 系統(tǒng)調(diào)試與測試流程圖第四章 直線插補算法VHDL實現(xiàn) 逐點比較法插補的基本原理逐點比較法的基本原理是，在刀具按要求軌跡運動加工零件輪廓的過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具沿著坐標(biāo)軸向減小偏差的方向進(jìn)給，且只有一個方向的進(jìn)給。也就是說，逐點比較法每一步均要比較加工點瞬間坐標(biāo)與規(guī)定零件輪廓之間的距離，依次決定下一步的走向，如果加工點走到輪廓外面去了，則下一步要朝著輪廓內(nèi)部走；如果加工點處在輪廓的內(nèi)部，則下一步要向輪廓外面走，以縮小偏差，周而復(fù)始，直至全部結(jié)束，從而獲得一個非常接近于數(shù)控加工程序規(guī)定輪廓的刀具中心軌跡。 逐點比較法既可實現(xiàn)直線插補，也可實現(xiàn)圓弧插補。其特點是運算簡單直觀，插補過程的最大誤差不超過一個脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖速度變化小，調(diào)節(jié)方便。因此，在兩坐標(biāo)數(shù)控機床中應(yīng)用較為普遍。 一般來講，逐點比較法插補過程每一步都要經(jīng)過如圖5—1四個工作節(jié)拍： （1） 偏差判別 判別刀具當(dāng)前位置相對于給定輪廓的偏差情況，即通過偏差值符號確定加工點處在理想輪廓