[发明专利]数控系统实时同步网络控制器及通信控制方法

说明书

技术领域

本发明属于通信控制装置及方法，特别涉及一种实时以太网精确时间同步的数控通信装置及方法，适合通过实时以太网实现数控设备的内部互联，实现强同步、强实时的信息传输。 

背景技术

数控系统中，内部控制器向伺服驱动器传输命令的传统方式是采用脉冲串或模拟电压的形式，这种控制方式只适合于数控机床加工速度和控制精度都不太高的场合，难以满足多通道、高速、高精度的加工要求。为了提高加工速度和加工精度，数控系统内部控制器和伺服驱动器之间需要采用数字通信的方式，如现场总线等。和模拟量、脉冲串方式相比，现场总线是一种较好的通信方法，有较高的实时性和可靠性，能满足数控机床高速、高精度的加工要求。 

近年来，以太网的传输速率已经远远超过了专用现场总线，其技术成熟性、应用的普及性、高的通信速率以及低廉的价格为将以太网引入数控系统内部之间的通信创造了条件。但是，由于以太网是为大数据量和非实时数据传输而开发的，其数据在传输过程中存在的不确定性，不能满足数控机床高速、高精加工所要求的强实时、强同步数据传输要求。 

发明内容

本发明提供一种数控系统实时同步网络控制器，同时提供利用该 网络控制器的通信控制方法，目的在于通过实时同步网络控制器，将具有以太网接口的数控系统的内部控制器、执行装置和反馈装置连接起来，实现这些装置的强实时、强同步的信息传输。 

本发明的一种数控系统实时同步网络控制器，包括以太网交换机芯片、中央处理器和网络连接接口，以太网交换机芯片与中央处理器通过介质无关接口相连，以太网交换机芯片通过网络连接接口连接接入设备，所述接入设备包含主站和所有从站，主站为数控系统内部控制器，从站为作为执行装置的数控系统伺服驱动器、输入输出接口和位置、速度测量反馈装置，其中： 

(1)以太网交换机芯片包括n个物理层协议模块、n+1个介质访问控制层协议模块、交换引擎模块、以及介质无关接口，n为4～64； 

各物理层协议模块一端通过网络连接接口连接接入设备，另一端连接介质访问控制层协议模块，完成各接入设备网络连接接口物理层协议功能； 

各介质访问控制层协议模块与交换引擎模块双向连接，完成网络协议中数据链路层的介质访问控制层协议功能； 

交换引擎模块在接入端口检测到一个报文时，检查该报文的报文头，获取报文的目的地址，启动内部的动态查找表找到相应的输出接口，在输入与输出之间建立连接，把数据报文直通到相应的输出接口实现交换功能；如果目的地址为广播地址，则将接入端口和其它所有的输出接口相连； 

介质无关接口将中央处理器CPU与以太网交换机芯片相连； 

(2)中央处理器CPU包括定时器、存储器、实时时钟模块和介质无关接口； 

定时器包括周期定时器和发送定时器，周期定时器周期性产生时间中断信号，发送定时器按设定的时间值产生中断信号； 

存储器存储实时确定性通信调度控制程序、精确时钟同步程序和报文； 

实时时钟模块提供CPU的精确时钟； 

介质无关接口将中央处理器CPU与交换机芯片相连； 

(3)所述实时同步网络控制器，实现具有以太网接口的接入设备时钟同步及实时、同步信息传输时： 

首先系统初始化，为各接入设备设定报文发送次序及所占用时间；通过在网络上反复多次发送测试报文测量得到同步网络控制器到各接入设备的网络延时d_i； 

然后进行通信，不断重复下述过程： 

(A)实时同步网络控制器向系统中的所有接入设备发送同步报文，该同步报文发到线路上时，实时同步网络控制器取本地精确时刻Tm；各接入设备接收到该同步报文时，记录各接入设备本地精确时刻Ts_i； 

(B)实时同步网络控制器发送跟随报文，将本地精确时钟Tm发送给所有接入设备，其中包含主站发给各从站的数据；各接入设备接收到Tm后，计算时钟偏差O_i＝Ts_i-Tm-d_i；并根据时钟偏差O_i值调整各接入设备本地时钟；各从站收到跟随报文后从中取出自己所要数据； 

(C)各从站按预先设定的次序依次向实时同步网络控制器发送从站到主站的上行报文SD_i； 

(D)实时同步网络控制器将各从站的上行报文SD_i组包后生成组合上行报文SD发给主站； 

(E)主站向实时同步网络控制器发送一般下行报文MD，转过 程(A)。