数控系统高速串行通讯协议及其验证平台的建模与设计

摘要

数字伺服装置的出现是数控技术发展史上一个重要的里程碑。与使用模拟伺服装置相比,采用新型的数字伺服装置能获得较高的加工精度和加工速度,而且控制硬件简单,系统的复杂度和成本都大大降低。 数字伺服装置得以改进和发展的关键是实现控制单元与伺服装置之间高实时性、高可靠性的数据交换,即必须为控制单元和伺服装置提供合适的数字接口。这种数字接口要和新型的智能驱动器相适应,则必须与传统的并行数据传输方式有着本质的区别。传统的并行总线在轴数小于6的小规模数控系统中得到了广泛的应用,但随着伺服驱动装置以及数控规模的不断发展,这种数据传输方式在接口复杂度、可靠性、可维护性等方面已经难以适应现代分布式数控网络的要求。研发新一代高速串行总线已经成为数控领域的新兴课题。 目前,国外各大数控公司和相关组织都已开发了几种串行通讯总线并制定了相关的协议标准,如SERCOS、MACRO、Firewire等,其中SERCOS以其优良的性能被世界众多数控系统制造商所选用。但在国内,SERCOS的推广和应用尚处于起步阶段,相关技术资料很少,国外厂商的SERCOS软硬件产品技术附加价值高,价格昂贵,不利于在国内工业自动化领域推广使用。 针对上述现状,本课题研究了一种高速串行通讯总线(SC-LINK,Serial Communication Link),用硬件描述语言和相关EDA工具对该总线的通讯协议进行了建模,确立了基于周期性数据传输的协议框架,分析并解决了协议建模过程中的一些关键性技术问题,并与SERCOS协议的相关技术和控制方式进行了对比。 此外,本课题还设计了该协议模型的验证平台,通过软件仿真和硬件验证测试该协议功能的正确性和有效性。最后,为SC-LINK设计了相关的数字接口,并在本学院的SCNC数控系统中进行了该串行通讯总线的调试与应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本课题的研究背景

1.2目前国外几种主流的串行通讯总线在数控领域的应用

1.2.1自动化制造企业的通讯网络层

1.2.2运动控制层几种主流的串行通讯总线介绍

1.3各主流串行通讯总线的特点及规格比较

1.4本课题的研究内容及侧重点

1.5论文结构安排

第二章基于FPGA的SC-LINK系统架构及设计思想

2.1开放式CNC运动控制系统的典型结构及接口

2.2 SC-LINK系统的分布式控制网络基本架构

2.3 SC-LINK协议的设计思想

2.3.1主从站协议的分离式设计

2.3.2协议的数据传输流向控制

2.3.3数据的周期性传输和非周期性传输机制

2.3.4 SC-LINK协议定义的数据帧

2.3.5 SC-LINK协议与目前主流的SERCOS协议的特性比较

2.4 SC-LINK系统的控制流程

2.5 SC-LINK控制系统的常规性能指标

2.6本章小结

第三章SC-LINK协议的建模与设计

3.1通讯系统的模型概述

3.1.1通讯系统的一般模型

3.1.2模拟通讯系统模型

3.1.3数字通讯系统模型

3.2基于EDA的复杂数字系统的建模

3.2.1传统的数字系统设计方法

3.2.2传统的数字系统设计方法的缺点

3.2.3 EDA技术与现代数字系统设计方法

3.2.4现代数字系统设计方法的优点

3.2.5硬件描述语言与复杂数字通讯系统的建模

3.2.6数字通讯系统VHDL建模的一般考虑

3.3 SC-LINK协议基带信号编解码的VHDL建模

3.3.1基带传输和基带信号的编码

3.3.2 NRZ码

3.3.3 AMI码

3.3.4曼彻斯特码

3.3.5 CMI码

3.3.6 nBmB码

3.3.7 SC-LINK协议基带信号的编解码方式

3.3.8 SC-LINK协议基带信号编解码机制的VHDL建模

3.4 SC-LINK协议的同步技术及其VHDL建模

3.4.1数字通讯系统的同步技术

3.4.2 SC-LINK协议的帧同步技术及其VHDL建模

3.4.3 SC-LINK协议基于双DFF采样的帧同步器设计

3.5 SC-LINK协议的RTL建模与设计

3.5.1 RTL模型中控制部分和数据部分的划分

3.5.2 SC-LIINK协议自顶向下(Top-Down)的RTL建模

3.6通讯系统VHDL建模的性能和可靠性评估

3.6.1可行性的影响

3.6.2可靠性的影响

3.6.3系统运行效率的影响

3.6.4.数字通讯系统VHDL模型的性能评估

3.7本章小结

第四章SC-LINK协议芯片验证平台的搭建

4.1大规模数字系统设计的验证技术

4.2 SC-LINK协议的软件验证平台

4.3 SC-LINK协议的硬件验证平台

4.3.1协议芯片的选择和定型

4.3.2通讯介质和数据电平规格的确定

4.3.3 SC-LINK协议数字接口卡的设计

4.3.4 SC-LINK协议硬件验证平台的搭建

4.4本章小结

第五章SC-LINK在高精度多轴伺服控制系统中的应用

5.1SC-LINK与伺服控制系统之间的接口设计

5.1.1 SC-LINK与IPC的软硬件接口

5.1.2 SC-LINK与伺服器之间的接口设计

5.2伺服控制模块的VHDL建模

5.3基于SC-LINK的高精度多轴伺服控制系统的现场调试与运行

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

致谢