专利名称：一种位置测量装置的串行通信方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于数控系统的数据通信方法及装置，具体涉及一种位置测量装置的串行通信方法及其装置，用于位置测量装置与控制装置之间进行数据通信。
背景技术：
在数控系统中，位置测量装置是测量系统的核心功能部件，一般采用编码器或光栅尺，其输出信号从TTL电平和正余弦脉冲串发展到绝对式串行数据的形式。如果采用传统脉冲串的方式传输信号，一方面随着位置测量装置分辨率和精度的提高，其输出线数越来越大，在电机高速运行情况下，对后续控制装置接口要求较高，容易出现高频部分传输误计数，从而影响数控装置反馈控制；另一方面脉冲串输出距离有限，容易受到工业环境的电磁干扰，不适应于工业现场的高速传输。为了提高位置反馈精度和高速可靠地传输位置数据，在数控系统中，位置测量装置与控制装置之间采用数字通信的串行通信装置，由控制端单元和测量端单元通过通信电缆连接构成，控制端单元和测量端单元各自均包括通信控制模块、数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器以及存储器，所述数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块和差分收发器依次电信号互连，所述通信控制模块分别与数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器电信号互连，所述数据读写模块和存储器电信号互连，所述模式处理模块和差分收发器电信号互连。目前，国外一些主要的厂商生产的位置测量器件及接口大部分都采用串行通信协议，如ENDAT，SSI，PROFIBUS-DP、FANUC 02， MIT02-4，BISS，HIPERFACE等。与TTL电平和正余弦脉冲串方式相比，串行传输方式具有较高的可靠性和实时性，同时可选择传输增量或者绝对位置。但是目前的这些串行通信方法存在下述问题1.串行同步传输采用数据和时钟两组信号进行传输，在传输时钟频率高于2MHz 的后，对数据和时钟信号二者相位同步要求高，需要额外添加补偿功能，否则容易导致数据接收错误，因此限制串行通信频率；2.串行通信多采用电平的方式表示数据，传输波形的抗干扰性较差；3.串行通信传输电缆数比较多，一般要求两对差分信号线，即四条通信电缆。
发明内容
本发明提供一种位置测量装置的串行通信方法，解决现有串行通信中数据与传输时钟同步性和抗干扰性差问题；同时提供实现该方法的装置，减少串行通信电缆数目。本发明的一种位置测量装置的串行通信方法，包括下述步骤一 .模式步骤在每一次数据通信时，控制端单元根据数控系统使用要求，发出模式信号，模式信号分为发送模式信号和配置模式信号；二 .判断步骤测量端单元接收模式信号并对其进行判断，模式信号为发送模式信号转步骤三，模式信号为配置模式信号转步骤四；
三.发送步骤，包括下述子步骤3. 1测量端 单元从自身的存储器中读取参数值，同时读取当前位置测量装置实时位置数据和状态标志；参数值包括位置测量元件参数和电机参数，状态标志分为正常和错误两种；3. 2测量端单元对状态标志、实时位置数据和参数值进行CRC校验，形成CRC校验码，按照状态标志、实时位置数据、参数值和CRC校验码顺序将它们打成测量数据包；3. 3对测量数据包进行曼彻斯特编码，边编码边向控制端单元发送编码后的测量数据；3. 4控制端单元边接收编码后的测量数据，边对其进行曼彻斯特解码；3. 5控制端单元分别读取解码后的状态标志、实时位置数据、参数值和CRC校验码，同时进行CRC校验，将参数值写入自身存储器中对应寄存器，将状态标志和实时位置数据发送给控制装置，结束一次数据通信，转步骤一；四.配置步骤，包括下述子步骤4. 1控制端单元根据控制装置送来的寄存器号，从自身存储器中对应该寄存器号的寄存器读取参数值；4. 2控制端单元对所述寄存器号和参数值进行CRC校验，形成CRC校验码，按照寄存器号、参数值和CRC校验码顺序将它们打成配置数据包；4. 3对配置数据包进行曼彻斯特编码，边编码边向测量端单元发送编码后的配置数据；4. 4测量端单元边接收编码后的配置数据，边对其进行曼彻斯特解码；4. 5测量端单元分别读取寄存器号、参数值和CRC校验码，同时进行CRC校验，将参数值写入自身存储器中对应所述寄存器号的寄存器，结束一次数据通信，转步骤一。所述的串行通信方法，其特征在于所述发送步骤中，从存储器中读取参数值时，按照下述方式每次数据通讯顺序依照寄存器号读取存储器中一个寄存器的内容，读取完存储器中最后一个寄存器后，下次数据通讯再从第一个寄存器开始读取，如此反复循环。所述的串行通信方法，其特征在于所述模式步骤中，所述模式信号为低电平信号，低电平信号持续时间长于T为配置模式信号，低电平信号持续时间短于或等于τ为发送模式信号；T = 4 ομ S ；所述发送步骤和配置步骤中，所述曼彻斯特编码时，编码后数据的每一位中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号，将所要传输数据与时钟信号同步；所述曼彻斯特解码时，根据接收数据的每一位跳变，提取串行同步时钟信号和传输数据信息。本发明的一种位置测量装置的串行通信装置，由控制端单元和测量端单元通过通信电缆连接构成，控制端单元和测量端单元各自均包括通信控制模块、数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器以及存储器，所述数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块和差分收发器依次电信号互连，所述通信控制模块分别与数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器电信号互连，所述数据读写模块和存储器电信号互连，所述模式处理模块和差分收发器电信号互连；其特征在于所述数据处理模块和差分收发器之间电信号连接有曼彻斯特编解码模块，所述通信控制 模块与曼彻斯特编解码模块电信号互连；所述数据信号接口，用于传输位置测量装置或者控制装置的数据；所述数据读写模块，从所述数据信号接口和存储器读取数据，送到数据处理模块； 或者向所述数据信号接口和存储器之中的一个或两个写入数据；所述数据处理模块，对数据读写模块送来的数据进行CRC校验，并将数据和CRC校验码打成数据包，送到曼彻斯特编解码模块；或者对曼彻斯特编解码模块解码后送来的数据进行CRC校验，将解码后数据送到数据读写模块；所述曼彻斯特编解码模块，对数据处理模块处理模块送来的数据包进行曼彻斯特编码，边编码边将编码后数据送到差分收发器；或者对差分收发器送来的数据边接收边进行曼彻斯特解码，将解码后数据发送给数据处理模块；所述控制端单元的模式处理模块，在每次数据通讯时产生模式信号，将模式信号送到控制端单元的差分收发器；所述测量端单元的模式处理模块，接收测量端单元的差分收发器送来的模式信号，并对其进行判断，判断结果送到测量端单元的通信控制模块；所述控制端单元的差分收发器，在每次数据通讯时，受通信控制模块控制，先将模式处理模块产生的模式信号转成差分信号后，通过通信电缆发送；发送模式信号之后，接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；或者将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；所述测量端单元的差分收发器，在每次数据通讯时，受通信控制模块控制，先接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化为模式信号送到模式处理模块；然后将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；或者接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；所述存储器，存储数据读写模块传输的参数值，参数值包括位置测量元件参数和电机参数；所述控制端单元的通信控制模块，在每次数据通讯时，根据控制装置模式要求先控制控制端单元的模式处理模块产生相应模式信号，同时控制控制端单元的差分收发器发送该模式信号；然后根据不同模式要求，采用不同控制步骤若为发送模式，则启动差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；同时启动曼彻斯特编解码模块，对差分收发器送来的数据边接收边进行曼彻斯特解码，将解码后数据发送给数据处理模块；再启动数据处理模块，对解码后数据进行数据处理，最后控制数据读写模块，向数据信号接口和存储器写入数据；若为配置模式，则控制数据读写模块读取数据信号接口和存储器数据，然后启动数据处理模块对数据读写模块送来的数据进行处理再打成数据包，之后启动曼彻斯特编解码模块对所述数据包进行编码，边编码边将编码后数据送到差分收发器；同时启动差分收发器将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；所述测量端单元的通信控制模块，在每次数据通讯时，控制测量端单元的差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化为模式信号送到测量端单元的模式处理模块，同时控制测量端单元的模式处理模块对该模式信号进行判断，并根据判断结果，采用不同控制步骤若为发送模式，则启动数据读写模块读取数据信号接口和存储器数据，然后启动数据处理模块对数据读写模块送来的数据进行处理再打成数据包，再启动曼彻斯特编解码模块对所述数据包进行编码，边编码边将编码后数据送到差分收发器，同时启动差分收发器将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；若为配置模式，则启动差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；同时启动曼彻斯特编解码模块对差分收发器送来的数据边接收边进行曼彻斯特解码，将解码后数据发送给数据处理模块；再启动数据处理模块对解码后数据进行数据处理，最后控制数据读写模块，向数据信号接口和存储器写入数据。 所述串行通信装置，其特征在于所述的数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、通信控制模块和曼彻斯特编解码模块通过可编程逻辑器件(PLD)实现；所述存储器由N个寄存器组成，N = 128 512。本发明的装置投入工作时，测量端单元和控制端单元分别连接位置测量装置及控制装置，位置测量装置包含位置测量元件和检测模块，位置测量元件可以为相对或者绝对式的旋转式编码器或光栅尺，其输出的信号为并行数字信号，检测模块用于监控测量装置的状态；控制装置可以是伺服驱动装置。当控制装置要求位置测量装置传输测量数据时，由控制端单元响应控制装置要求，向测量端单元发出发送模式信号，测量端单元接收模式信号，经判断确认后，读取位置测量装置的实时位置数据和状态标志，同时从自身的存储器中读取参数值，然后将这些数据传输给控制端单元，控制端单元将状态标志和实时位置数据传给控制装置，并将参数值写入自身存储器中；当控制装置要向位置测量装置配置数据时， 由控制端单元向测量端单元发出配置模式信号，测量端单元接收模式信号，经判断确认后， 控制端单元读取控制装置的寄存器号，通过寄存器号读取自身存储器对应的寄存器中的参数值，将寄存器号和参数值传输给测量端单元，测量端单元接收寄存器号和参数值，将参数值写入自身存储器对应寄存器号的寄存器中。本发明的串行通信方法，通过对数据进行曼彻斯特编码，编码后数据的每一位中间有跳变，用跳变信号代替原来电平信号表示数据，具有良好的抗干扰性；同时将原数据和时钟信息同步传输，使得在高传输频率下，数据能够正确接收，提高串行通信频率，满足数控系统实时性要求。本发明的串行通信装置，采用了曼彻斯特编解码模块，仅需一对差分收发器，就能将数据和时钟信息同步传输，进而减少通信电缆数；采用通用可编程逻辑器件，不需使用专用芯片，缩短研发周期，降低生产成本。
图1为本发明的方法流程示意图；图2为本发明的装置结构示意图；图3为控制端单元结构示意图；图4为模式信号示意图；图5为测量数据包格式示意图；图6为配置数据包格式示意图；图7为曼彻斯特编码示意具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。图1为本发明的方法流程示意图；如图2所示，本发明串行通信装置由控制端单元和测量端单元通过通信电缆连接构成，本发明串行通信装置投入工作时，测量端单元和控制端单元分别连接位置测量装置及控制装置。 如图3所示，控制端单元包括通信控制模块、数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器以及存储器，所述数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块和差分收发器依次电信号互连，通信控制模块分别与数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器电信号互连，数据读写模块和存储器电信号互连，模式处理模块和差分收发器电信号互连。测量端单元的组成与控制端单元完全相同。作为一个实施例，数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、通信控制模块和曼彻斯特编解码模块通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现；存储器采用电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，存储容量2K，由256个寄存器组成，每位寄存器内容为8比特，掉电后数据不会丢失。差分收发器采用RS485接口芯片，其最高传输速率为lOMb/s。位置测量元件采用20位绝对式编码器，其输出位置值为20位并行数据。以下利用该实施例阐述本发明的串行通信方法。(一).位置测量装置向控制装置发送数据包括下述步骤1.控制端单元根据数控装置对位置测量装置发送数据的要求，启动控制端单元中通信控制模块，通信控制模块控制控制端单元的模式处理模块产生发送模式信号，如图4 所示，该发送模式信号为低电平信号，持续时间T为2 μ S ；同时控制控制端单元的差分收发器将该发送模式信号转成差分信号，通过通信电缆发送；2.测量端单元中的差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化为持续时间2μ s的低电平信号，送到测量端单元的模式处理模块，模式处理模块对该模式信号进行判断，判断为发送模式信号；3.测量端单元从自身的存储器中读取参数值，同时读取当前位置测量装置实时位置数据和状态标志；该实施例的参数值包括位置测量元件参数和电机参数。参数值按寄存器存储于存储器中，不同参数值其长度也不同，每2个或4个寄存器存储一个参数值，参数值在存储器中具体分配如表1所示，如位置测量元件单圈长度信息存储于OC-OF寄存器中。假设位置测量元件型号为A1B2C3D4，存储于00-03号寄存器中，即00-03寄存器内容分别为Α1Η、Β2Η、 C3H、D4H ；每次数据通信读写一个寄存器，第一次数据通信读取00号寄存器参数为Α1Η，下一次数据数据通信时寄存器号自动加1，为01号，位置测量元件型号分四次数据通信发送， 依次为00、01、02、03号寄存器的内容。表1 存储器寄存器参数分配
权利要求
1.一种位置测量装置的串行通信方法，包括下述步骤一.模式步骤在每一次数据通信时，控制端单元根据数控系统使用要求，发出模式信号，模式信号由发送模式信号和配置模式信号构成；二.判断步骤测量端单元接收模式信号并对其进行判断，模式信号为发送模式信号转步骤三，模式信号为配置模式信号转步骤四；三.发送步骤，包括下述子步骤3. 1测量端单元从自身的存储器中读取参数值，同时读取当前位置测量装置实时位置数据和状态标志；参数值包括位置测量元件参数和电机参数，状态标志分为正常和错误两种；3. 2测量端单元对状态标志、实时位置数据和参数值进行CRC校验，形成CRC校验码，按照状态标志、实时位置数据、参数值和CRC校验码顺序将它们打成测量数据包；3. 3对测量数据包进行曼彻斯特编码，边编码边向控制端单元发送编码后的测量数据；3. 4控制端单元边接收编码后的测量数据，边对其进行曼彻斯特解码；3.5控制端单元分别读取解码后的状态标志、实时位置数据、参数值和CRC校验码，同时进行CRC校验，将参数值写入自身存储器中对应寄存器，将状态标志和实时位置数据发送给控制装置，结束一次数据通信，转步骤一；四.配置步骤，包括下述子步骤4.1控制端单元根据控制装置送来的的寄存器号，从自身存储器中对应该寄存器号的寄存器读取参数值；4. 2控制端单元对所述寄存器号和参数值进行CRC校验，形成CRC校验码，按照寄存器号、参数值和CRC校验码顺序将它们打成配置数据包；4. 3对配置数据包进行曼彻斯特编码，边编码边向测量端单元发送编码后的配置数据；4. 4测量端单元边接收编码后的配置数据，边对其进行曼彻斯特解码； 4. 5测量端单元分别读取寄存器号、参数值和CRC校验码，同时进行CRC校验，将参数值写入自身存储器中对应所述寄存器号的寄存器，结束一次数据通信，转步骤一。
2.如权利要求1所述的串行通信方法，其特征在于所述发送步骤中，从存储器中读取参数值时，按照下述方式每次数据通讯顺序依照寄存器号读取存储器中一个寄存器的内容，读取完存储器中最后一个寄存器后，下次数据通讯再从第一个寄存器开始读取，如此反复循环。
3.如权利要求1或2所述的串行通信方法，其特征在于所述模式步骤中，所述模式信号为低电平信号，低电平信号持续时间长于T为配置模式信号，低电平信号持续时间短于或等于τ为发送模式信号；T = 4 ομ S ；所述发送步骤和配置步骤中，所述曼彻斯特编码时，编码后数据的每一位中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号，将所要传输数据与时钟信号同步；所述曼彻斯特解码时，根据接收数据的每一位跳变，提取串行同步时钟信号和传输数据信息。
4.一种用于权利要求1所述串行通信方法的串行通信装置，由控制端单元和测量端单元通过通信电缆连接构成，控制端单元和测量端单元各自均包括通信控制模块、数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器以及存储器，所述数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块和差分收发器依次电信号互连，所述通信控制模块分别与数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、差分收发器电信号互连，所述数据读写模块和存储器电信号互连，所述模式处理模块和差分收发器电信号互连；其特征在于 所述数据处理模块和差分收发器之间电信号连接有曼彻斯特编解码模块，所述通信控制模块与曼彻斯特编解码模块电信号互连；所述数据信号接口，用于传输位置测量装置或者控制装置的数据； 所述数据读写模块，从所述数据信号接口和存储器读取数据，送到数据处理模块；或者向所述数据信号接口和存储器之中的一个或两个写入数据；所述数据处理模块，对数据读写模块送来的数据进行CRC校验，并将数据和CRC校验码打成数据包，送到曼彻斯特编解码模块；或者对曼彻斯特编解码模块解码后送来的数据进行CRC校验，将解码后数据送到数据读写模块；所述曼彻斯特编解码模块，对数据处理模块处理模块送来的数据包进行曼彻斯特编码，边编码边将编码后数据送到差分收发器；或者对差分收发器送来的数据边接收边进行曼彻斯特解码，将解码后数据发送给数据处理模块；所述控制端单元的模式处理模块，在每次数据通讯时产生模式信号，将模式信号送到控制端单元的差分收发器；所述测量端单元的模式处理模块，接收测量端单元的差分收发器送来的模式信号，并对其进行判断，判断结果送到测量端单元的通信控制模块；所述控制端单元的差分收发器，在每次数据通讯时，受通信控制模块控制，先将模式处理模块产生的模式信号转成差分信号后，通过通信电缆发送；发送模式信号之后，接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；或者将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；所述测量端单元的差分收发器，在每次数据通讯时，受通信控制模块控制，先接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化为模式信号送到模式处理模块；然后将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；或者接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；所述存储器，存储数据读写模块传输的参数值，参数值包括位置测量元件参数和电机参数；所述控制端单元的通信控制模块，在每次数据通讯时，根据控制装置模式要求先控制控制端单元的模式处理模块产生相应模式信号，同时控制控制端单元的差分收发器发送该模式信号；然后根据不同模式要求，采用不同控制步骤若为发送模式，则启动差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；同时启动曼彻斯特编解码模块，对差分收发器送来的数据边接收边进行曼彻斯特解码，将解码后数据发送给数据处理模块；再启动数据处理模块，对解码后数据进行数据处理，最后控制数据读写模块，向数据信号接口和存储器写入数据；若为配置模式，则控制数据读写模块读取数据信号接口和存储器数据，然后启动数据处理模块对数据读写模块送来的数据进行处理再打成数据包，之后启动曼彻斯特编解码模块对所述数据包进行编码，边编码边将编码后数据送到差分收发器；同时启动差分收发器将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；所述测量端单元的通信控制模块，在每次数据通讯时，控制测量端单元的差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化为模式信号送到测量端单元的模式处理模块， 同时控制测量端单 元的模式处理模块对该模式信号进行判断，并根据判断结果，采用不同控制步骤若为发送模式，则启动数据读写模块读取数据信号接口和存储器数据，然后启动数据处理模块对数据读写模块送来的数据进行处理再打成数据包，再启动曼彻斯特编解码模块对所述数据包进行编码，边编码边将编码后数据送到差分收发器，同时启动差分收发器将曼彻斯特编解码模块编码后的数据转成差分信号后通过通信电缆发送；若为配置模式，则启动差分收发器接收通信电缆的差分信号，将差分信号转化后的数据送到曼彻斯特编解码模块；同时启动曼彻斯特编解码模块对差分收发器送来的数据边接收边进行曼彻斯特解码，将解码后数据发送给数据处理模块；再启动数据处理模块对解码后数据进行数据处理，最后控制数据读写模块，向数据信号接口和存储器写入数据。
5.如权利要求4所述串行通信装置，其特征在于所述的数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、通信控制模块和曼彻斯特编解码模块通过可编程逻辑器件实现；所述存储器由N个寄存器组成，N = 128 512。
全文摘要
一种位置测量装置的串行通信方法及其装置，属于数控系统的数据通信方法及装置，解决现有串行通信中数据与传输时钟同步性和抗干扰性差问题；同时减少串行通信电缆数目。本发明的方法包括模式步骤、判断步骤、发送步骤和配置步骤；具有良好的抗干扰性，同时将原数据和时钟信息同步传输，在高传输频率下，能够正确接收数据。本发明的装置由控制端、测量端单元通过通信电缆连接构成，控制端、测量端单元各自包括通信控制模块、数据信号接口、数据读写模块、数据处理模块、模式处理模块、曼彻斯特编解码模块、差分收发器以及存储器；能将数据和时钟信息同步传输，减少通信电缆数；采用可编程逻辑器件，缩短研发周期，降低生产成本。
文档编号H04L7/04GK102170326SQ201110071188
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者周彬, 夏亮, 宋宝, 尹玲, 朱志红, 杨艺勇, 田茂胜, 马泽龙, 黄黎 申请人:华中科技大学, 武汉华中数控股份有限公司