数控工业以太网系统设计及驱动程序开发

摘要

高档数控机床作为重要的工业制造设备,需要实现高速高精加工功能,多通道、多轴联动和复合加工功能。在数控系统和计算机之间建立高速实时数据传输通道是实现系统功能的重要保证。本文设计的目标是确保计算机与伺服单元的通讯能够满足数控系统实时性与可靠性的要求。设计一个应用于数控系统的工业以太网总线通信模块,并为上位机开发工业以太网驱动程序,为数控系统控制程序提供用于控制总线和传输数据的应用程序接口(API),而实现上位机与数控系统的高速可靠通讯。为了提高总线实时性,将使用RTX(Real-Time Extension)软件提供与windows兼容的强实时环境。研究工业以太网通用驱动程序的实时化方案,给出了工业以太网实时API的实现方法,编写符合标准的Windows驱动程序模型(WDM)的驱动程序,达到数控系统在通信方面的稳定性高、实时性强的要求。本文主要研究了工业以太网标准,包括工业以太网体系结构、协议的分层结构及通信模型,特别是TCP/IP协议。根据系统要求,设计工业以太网通信模块。之后分别从原理、特性和实际应用等角度详细分析了RTX实时环境。RTX作为Windows的子系统为那些具有强实时特性的Win32兼容的任务和线程提供了一种内核模式的可执行环境。另外,文中对数控系统的工业以太网前端通信模块作了详细的阐述。采用PCI-以太网接口卡作为上位机接口,设计专门的工业以太网前端模块作为伺服控制模块的接口。随后,本文重点研究了以太网协议,通过RTX提供的API函数对以太网芯片的寄存器进行直接的操作来实现数据的传输。验证了系统具有高可靠性和高实时性,足以满足高档数控系统的性能要求。

目录

摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和目的

1.2 工业以太网概述

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 课题主要研究工作

第二章 工业以太网体系结构

2.1 以太网技术发展历程

2.2 以太网的结构

2.2.1 链路层

2.2.2 网络层

2.2.3 传输层

2.2.4 应用层

2.3 以太网数据通信基础

2.3.1 IEEE802.3 以太网标准

2.3.2 CSMA/CD 机制

2.4 工业以太网的产生及机制

2.4.1 传统以太网在工业应用中的缺点

2.4.2 以太网在工业应用的解决机制

2.5 本章小结

第三章 数控工业以太网系统总体方案

3.1 数控系统的整体设计

3.2 总线系统的基本硬件设计

3.2.1 AX88783 工业以太网控制器

3.2.2 前端模块电路板设计

3.3 系统的通讯机制

3.3.1 数控系统的通讯数据类型

3.3.2 系统的以太网通讯时序

3.3.3 数控系统的通讯要求

3.3.4 双口RAM 的通信规则

3.4 本章小结

第四章 基于Windows 的数控以太网驱动程序设计与开发

4.1 Windows 驱动程序模型

4.2 以太网驱动程序结构机制

4.3 以太网底层驱动程序设计

4.3.1 初始化模块

4.3.2 数据发送模块

4.3.3 数据接收模块

4.4 链路层设计

4.5 网络层设计

4.5.1 IP 协议实现

4.5.2 ICMP 协议实现

4.6 传输层设计

4.6.1 TCP 协议的简化

4.6.2 TCP 的实现

4.7 本章小结

第五章 基于RTX 的数控以太网实时驱动程序设计与开发

5.1 Windows 系统实时性分析

5.1.1 实时操作系统的概念

5.1.2 数控系统实时性要求

5.2 实时化解决方案RTX

5.2.1 RTX 功能特点

5.2.2 RTX 与以太网实时驱动程序

5.3 工业以太网接口程序的实时化

5.3.1 RTDLL 概述

5.3.2 RTSS 和RTDLL 创建方法

5.3.3 以太网实时接口程序的实现

5.4 本章小结

第六章 数控工业以太网总线性能测试

6.1 前端模块通讯测试方案

6.2 系统总线通讯测试程序实现

6.2.1 总线初始化

6.2.2 通讯测试

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文