高档数控系统中的现场总线接口技术设计与开发

摘要

基于现场总线的高速、强实时数据传输技术是高档数控系统的标志性技术,也是高档数控硬件系统的重要组成部分。本课题针对高档数控系统中的数据传输研究开发总线接口,具体研究内容分为两部分：第一：针对高档数控系统控制面板的专用性及弱实时性特点,开发了RS485标准的现场总线接口及用户层协议；完成了基于FPGA的PC104现场总线板卡及基于AT89S52单片机的控制面板扫描板卡的设计开发；开发了基于WINDOWS+RTX环境的总线驱动程序并集成到数控系统内核进程中。目前,该总线接口已经成功应用于广数GSK27i双通道高档数控系统中,获得了高可靠性、低成本的实用效果。第二：针对高档数控系统多通道、强实时性、高精度同步要求的串行伺服总线需求(通道数100通道,伺服周期100us,同步精度3us),参与开发了基于光纤传输技术的高速以太网伺服总线技术,完成了基于DSP+FPGA+LXT973的工业以太网总线接口的硬件设计开发,对开发的以太网实时MAC层协议进行了实时性能、可靠性能的测试,获得50us实时性能、长时间传输节点传输包无丢失的结果。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 高档数控系统论述

1.2.1 先进数控系统的技术现状

1.2.2 高档数控系统的发展趋势

1.3 数控系统中现场总线的发展现状

1.3.1 多种现场总线技术标准在数控系统中共存

1.3.2 现场总线在我国数控系统中的发展

1.4 课题的来源与研究内容

第二章 基于现场总线的数控系统体系结构

2.1 基于R5485 总线和工业以太网总线的体系构架

2.2 数控系统中现场总线接口的整体框架

2.2.1 数控系统中R5485 总线接口整体框架

2.2.2 数控系统中工业以太网总线接口整体框架

2.3 本章总结

第三章 R5485 串行总线接口设计与开发

3.1 引言

3.2 R5485 总线接口的总体设计

3.3 R5485 总线接口硬件模块设计

3.3.1 PC104 总线模块

3.3.2 FPGA 模块

3.3.3 UART 模块

3.3.4 R5485 总线转化模块

3.3.5 FPGA 固件程序和板卡调试

3.4 控制面板总线接口模块设计

3.4.1 基于AT89S52 单片机的扫描板卡的设计

3.4.2 AT89S52 中固件程序的设计

3.5 总线接口驱动设计开发

3.5.1 RTX 开发环境

3.5.2 基于RTX 的驱动程序的开发

3.6 本章总结

第四章 工业以太网总线接口的设计与开发

4.1 应用于数控系统的工业以太网技术问题分析

4.1.1 同步性问题

4.1.2 实时性问题

4.1.3 可靠性问题

4.1.4 以太网实时同步通信技术

4.2 以太网总线接口的总体框架

4.3 以太网总线接口的硬件设计

4.3.1 DSP + FPGA + LXT973 的体系结构

4.3.2 DSP 为总线控制器

4.3.3 FPGA 实现MAC 层协议

4.3.4 LXT973 作为物理层芯片

4.3.5 RJ45 接口电路与光纤接口电路的设计

4.3.6 硬件平台的搭建与调试

4.4 基于DSP+FPGA 的以太网MAC 层协议开发

4.4.1 MAC 层协议的总体框架

4.4.2 MAC 层协议层帧定义

4.4.3 DSP 用户层协议的实现

4.5 本章总结

第五章 总线接口实验平台的搭建及其实验结果

5.1 GSK27i 双通道五轴联动高档数控系统面板总线产品开发及测试

5.1.1 实时性能的测试与分析

5.1.2 数据准确性能的测试与分析

5.1.3 稳定性能的测试与分析

5.2 工业以太网总线接口实验平台的搭建及其实验结果

5.2.1 工业以太网总线接口两节点实验平台的搭建

5.2.2 工业以太网总线接口两节点的实时性能测试

5.2.3 工业以太网总线接口两节点的可靠性能测试

5.3 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的研究项目