专利名称：数控联盟总线系统、耦合器及通信方法
技术领域：
本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种数控联盟总线系统、耦合器及通信方法。
背景技术：
数控联盟总线(NumericalControl Union of China Field Bus,NCUC_Bus)标准，是中国机床工具工业协会《机床数控系统NCUC-Bus协议规范》的简称。NCUC-Bus耦合器是专门为包含运动控制的工业自动化控制过程制定的基于IOOMbps以上的工业以太网通信多端口转发器。高端机床产业对各个通信节点实时性和同步性的要求很高，我国NCUC-Bus标准充分体现了这一需求。在高端机床生产领域，实现强实时通信和高精度时钟强同步一直是 两个关键的技术问题。由于NCUC-Bus网络的节点环形拓扑结构和数据帧结构上的特点，使得一般耦合器在进行通信时，不能充分实现强同步和强实时性的性能，其原因主要如下述
根据NCUC-Bus标准关于物理层的规定，NCUC-Bus网络中的设备由主站和从站组成。主站为网络中发起通信的设备，在该网络中有且仅有一个。除主站外，其他接入网络的设备都是从站。每个设备都具有两个通信接口(如RJ-45网口等)。NCUC-Bus网络支持的物理拓扑结构一般可为双环形结构。环形NCUC-Bus网络中，数据帧若要从主站发送到从站n，需要从主站依次经过从站I、从站2……从站n-Ι到达从站n，因此，从站越多，数据帧从主站发出到目标从站所经历的时间越长，环路数据延迟越大，大大地限制了实时性。另外，NCUC-Bus耦合器处理从主站到从站或从从站到主站的数据帧时，均由其软件处理模组进行软件交换处理，而本身软件交换就存在实时性较差的问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种数控联盟总线系统、耦合器及通信方法，以增强数控应用中数据帧处理的实时性能，提高工作效率。为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于数控联盟总线系统的通信方法，所述系统包括主站、从站，以及连接所述主站及从站形成网络的耦合器，所述耦合器设置有软件处理模组及硬件处理模组，所述方法包括
获得当前数据帧，所述当前数据帧中携带有用于指示所述当前数据帧的类型的指示信
息；
根据所述指示信息指示的类型，选择所述软件处理模组或硬件处理模组进行所述当前数据帧的处理。相应地，本发明实施例还提供了一种数控联盟总线耦合器，其连接有主站及从站，包括
收发模块，用于从所述主站或从站获得当前数据帧，所述当前数据帧中携带有用于指示所述当前数据帧的类型的指示信息；处理模块，包括软件处理模组及硬件处理模组，用于根据所述指示信息指示的类型，选择所述软件处理模组或硬件处理模组进行所述当前数据帧的处理。相应地，本发明实施例还提供了一种数控联盟总线系统，包括主站，以及从站，所述系统还包括上述连接所述主站及从站形成网络的耦合器。本发明实施例的有益效果是
通过提供一种数控联盟总线系统、耦合器及通信方法，首先获得当前数据帧，当前数据帧中携带有用于指示当前数据帧的类型的指示信息；然后根据指示信息指示的类型，选择软件处理模组或硬件处理模组进行当前数据帧的处理，这样，耦合器采取软硬件协同处理的方法，针对NCUC-Bus规范中不同类型的数据帧采取差异化的处理手段，对于强实时性要求的数据帧采用硬件内核处理转发，对于对实时性要求不高的数据帧采用软件内核处理转发，最大化提高了现场总线的强实时性，使环形链路中从站数量与数据帧环路传输延迟之间的相关性大大减弱，从站的增加几乎不会导致数据帧的传输延迟增加。
图I是本发明实施例的NCUC-Bus系统的结构图。图2是本发明实施例的耦合器103的结构图。图3是本发明实施例的基于NCUC-Bus系统的通信方法的流程图。图4是本发明实施例的数据帧结构图。图5是本发明实施例的主站与从站MAC地址分配示意图。图6是本发明实施例的耦合器处理总线配置帧的示意图。图7是本发明实施例的耦合器处理单播帧、无需进行数据更新的广播帧及需进行数据更新的广播帧的示意图。图8是本发明实施例的耦合器处理配置反馈数据帧的示意图。图9是本发明实施例的耦合器处理单播反馈帧、无需进行数据更新的广播反馈帧及需进行数据更新的广播反馈帧的示意图。图10是本发明实施例的耦合器103的结构图。图11是本发明实施例的耦合器103的处理模块202的结构图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图I所示，本发明实施例的NCUC-Bus系统主要包括主站101、从站102，以及连接主站101及从站102形成网络的耦合器103，其中，耦合器103具体包括如图2所示的结构
收发模块201，用于从主站101或从站102获得当前数据帧，当前数据帧中携带有用于指示当前数据帧的类型的指示信息；
处理模块202，包括软件处理模组及硬件处理模组，用于根据指示信息指示的类型，选择软件处理模组或硬件处理模组进行当前数据帧的处理。如图3所示，本发明实施例的基于NCUC-Bus系统的通信方法主要包括301,获得当前数据帧,当前数据帧中携带有用于指示当前数据帧的类型的指示信息； 302，根据指示信息指示的类型，选择软件处理模组或硬件处理模组进行当前数据帧的处理。针对不同类型数据帧，上述方法中步骤302中首先由硬件处理模组根据指示信息判断数据帧的类型，再根据不同的数据帧的类型，进行不同处理，具体如下
如图4所示，数据帧结构一般由帧头(Head)、CM-ID命令字段、数据区及循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check, CRC)校验组成,稱合器103对数据巾贞应用层的分析是通过上述CM-ID命令字段实现的。为实现本发明实施例的耦合器的透明嵌入，即在不对主站及从站产生数据帧处理流程变化及性能影响的前提下，我们利用现有的数据帧中CM-ID命令字段作为用于区分数据帧类型的指示信息，而依照CM-ID命令字段的不同，数据帧可分为总线配置帧、单播帧、无需进行数据更新的广播帧及需进行数据更新的广播帧(简称“火车帧”)，例如，CM-ID命令字段为AOlO或A0120时，数据帧为总线配置帧；CM_ID命令字段为 0210,0220,0230或0240时，数据帧为单播帧；CM_ID命令字段为A030、A040、A050、A060或AOfO时，数据帧为无需进行数据更新的广播帧；CM-ID命令字段为04XX时，数据帧为需进行数据更新的广播帧。耦合器的硬件处理模组通过识别数据帧CM-ID命令字段，从而可判别数据帧的类型，从而进行如下的不同处理
(一)当当前数据帧的类型为主站发送的总线配置帧时，硬件处理模组接收到指示信息(即CM-ID命令字段)后立即中断转发当前数据帧后，将控制权交给软件处理模组，软件处理模组构建配置命令数据帧并向各从站依次发送配置命令数据帧以定义从站在网络中的位置。系统在启动后，虽然物理上网络电气接口已经完成连接，但所有NCUC-Bus从站处于不可控状态，即耦合器还未能获知从站在网络中的位置，主站也未能获知网络中接入从站的数量、种类以及连接次序等。接着，主站任意选择一个以太网物理层端口发送总线配置帧，该总线配置帧中携带的CM-ID命令字段为AOlO或A0120，该总线配置帧要求各从站根据主站的地址逐次加I作为设备自身的地址，主站及从站的地址指示主站或从站在网络中的位置，一般用介质访问控制(Media Access Control, MAC)地址表示，如图5所示。耦合器对主站发送来的总线配置帧采取“立即转发，分析截断”的策略，首先进行以太网物理层(PHY)的初始化，之后，硬件处理模组接收到总线配置帧(RXD)时，无需等待接收完整的总线配置帧，只要接收到CM-ID命令字段后，如图6所示，立即发送控制信号(Ctrl)中断总线配置帧的转发过程，同时将数据帧转发处理的控制权交给软件处理模组，从站未完整接收的总线配置帧将被丢弃，软件处理模组将构建配置命令数据帧并顺序依次向各个网口发送该配置命令数据帧(TXD )。(二)当当前数据帧的类型为主站发送的携带有目标从站地址信息的单播帧时，硬件处理模组直接将当前数据帧发送给目标从站，以触发目标从站进行单播帧的数据更新。(三)当当前数据帧的类型为主站发送的无需进行数据更新的广播帧时，硬件处理模组直接将当前数据帧同时发送给各从站。(四)当当前数据帧的类型为主站发送的需进行数据更新的广播帧时，硬件处理模组直接将当前数据帧同时发送给各从站。
上述第(二)、(三)及(四)的处理可如图7所示。(五)当当前数据帧的类型为从站发送的配置反馈数据帧且当前数据帧中携带有用于指示从站在网络中的位置的地址信息(MAC地址)以及网口信息时，硬件处理模组将控制权交给软件处理模组，软件处理模组以地址信息及网口信息更新本地转发地址表，并将当前数据帧发送给主站或下一从站。结合上述(一)的处理，耦合器中的硬件处理模组根据从从站返回的配置反馈数据帧中携带的用于指示从站在网络中的位置的地址信息(MAC地址)以及网口信息等，更新本地转发地址表，从而使耦合器获知从站在网络中的位置，主站也能获知网络中接入从站的数量、种类以及连接次序等。例如，软件处理模组先向网口 O发送第一配置命令数据帧，根据网口 O返回的第一配置反馈数据帧确定网口 O上连接从站的数量和方式，进而更新本地转发地址表，然后，软件处理模组向网口 I发送更新后的第二配置命令数据帧，根据网口I返回的第二配置反馈数据帧确定网口 I上连接从站的数量和方式，再更新本地转发地址表，以此类推，直至耦合器所有网口上的从站连接情况得到配置，最终设置网络整体参数，并将最后一次更新的配置反馈数据帧通过主站连接的网口发送至主站，如图8所示，图中 Ctrl_s表示选择发送配置反馈数据帧到从站还是主站。(六)当当前数据帧的类型为目标从站发送的携带有目标从站的地址信息的单播反馈帧且当前数据帧中携带有目标从站的更新数据时，硬件处理模组直接将当前数据帧发送给主站以通知主站目标从站已进行数据更新，主站即可获得该更新的数据并进行后续处理。(七)当当前数据帧的类型为从站发送的无需进行数据更新的广播反馈帧时，硬件处理模组判断是否从各从站均已接收到当前数据帧，若是，则直接将当前数据帧发送给主站。(A)当当前数据帧的类型为从站发送的需进行数据更新的广播反馈帧时，硬件处理模组判断是否从各从站均已接收到当前数据帧，若是，则根据所保存的配置信息构建携带有各从站的更新数据的新数据帧，并将新数据帧发送给主站。上述第(六)、(七)及(八)的处理可如图9所示。需要说明的有如下几点
I、硬件处理模组根据指示信息判断数据帧的类型中，指示信息可以为除CM-ID命令字段之外的其他字段，如自定义字段等，那此时主站及从站的处理将随之有一定变化，但仍然能够达到本发明所称的强实时性的效果。2、作为其他实施方式，除总线配置帧及配置反馈数据帧的处理转发由软件处理模组实现之外，其他单播帧、单播反馈帧、无需进行数据更新的广播帧、无需进行数据更新的广播反馈帧、需进行数据更新的广播帧及需进行数据更新的广播反馈帧中一个或多个可采用硬件处理模组进行处理转发，仍然能在实时性方面表现出优于现有技术的效果。相应地，本发明实施例的NCUC-Bus耦合器103可具体由如图10所示的结构组成 收发模块1001，用于从主站101或从站102获得当前数据帧，当前数据帧中携带有用于
指示当前数据帧的类型的指示信息；
处理模块1002，与收发模块1001相连，包括软件处理模组及硬件处理模组，用于根据指示信息指示的类型，选择软件处理模组或硬件处理模组进行当前数据帧的处理。
具体地，处理模块1002包括软件处理模组10021、硬件处理模组10022及连接软件处理模组10021及硬件处理模组10022的控制总线10023，
在处理从主站到从站的数据帧时
硬件处理模组10022，用于根据指示信息判断所述类型，当类型为主站发送的携带有目标从站地址信息的单播帧时，直接将当前数据帧发送给目标从站，以触发目标从站进行单播帧的数据更新；当类型为主站发送的无需进行数据更新的广播帧时，直接将当前数据帧同时发送给各从站；当类型为主站发送的需进行数据更新的广播帧时，直接将当前数据帧同时发送给各从站；当类型为主站发送的总线配置帧时，接收到指示信息后立即中断转发当前数据帧后，将控制权交给软件处理模组10021 ；
软件处理模组10021，用于在获得控制权后，构建配置命令数据帧并向各从站依次发送配置命令数据帧以定义从站在网络中的位置。在处理从从站到主站的数据帧时 硬件处理模组10022，用于根据指示信息判断类型，当类型为目标从站发送的携带有目标从站的地址信息的单播反馈帧且当前数据帧中携带有目标从站的更新数据时，直接将当前数据帧发送给主站以通知主站目标从站已进行数据更新；当类型为从站发送的无需进行数据更新的广播反馈帧时，判断是否从各从站均已接收到当前数据帧，若是，则直接将当前数据帧发送给主站；当类型为从站发送的需进行数据更新的广播反馈帧时，判断是否从各从站均已接收到当前数据帧，若是，则根据所保存的配置信息构建携带有各从站的更新数据的新数据帧，并将新数据帧发送给主站；当类型为从站发送的配置反馈数据帧且当前数据帧中携带有用于指示从站在网络中的位置的地址信息以及网口信息时，将控制权交给软件处理模组；
软件处理模组10021，用于在获得控制权后，以地址信息及网口信息更新本地转发地址表，并将当前数据帧发送给主站或下一从站。NCUC-Bus I禹合器的处理模块202可由可编程逻辑门阵列(Field-ProgrammableGate Array, FPGA)实现，具体如图11所示，其中
硬件中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、MACO-15、MAC 上行链路(MACUPLINK)、MAC下行链路(MAC DOWNLINK)、复用模块(MUX)、解复用模块(DEMUX)、硬件中断模块(IRQ)等组成硬件处理模组10022 ；
软件 CPU、随机存储器(Random Access Memory, RAM)、只读内存(Read-Only Memory,ROM)、时钟同步模块(SYNC I/F)、闪存控制器(Flash Controller)、联合测试行动组(JointTest Action Group, JTAG)、锁相环(Phase Locked Loop,PLL)等组成软件处理模组 10021 ;
AVAL0N-MM BUS作为控制总线10023 ；
具体地
硬件CPU，为HW CPU,是硬件处理的核心逻辑单元；
MAC0-15，从站(该例中为16个，并对应16个以太网端口)MAC模块，该模块实现以太网的MAC层控制，与作为收发模块1001的PHY对接，收发数据可由硬件CPU或软件CPU通过AVAL0N-MM BUS 访问；
MAC UPLINK及MAC DOWNLINK，主站对接的上行/下行端口的MAC层模块，该模块实现以太网的MAC层控制，与PHY对接，收发数据可由硬件CPU或软件CPU通过AVAL0N-MM BUS访问；
MUX,将上行/下行链路的MAC层数据复用传输到硬件CPU ；
DEMUX,将硬件CPU传输出的数据帧分配到上行/下行链路；
IRQ，硬件CPU对数据帧的CM-ID命令字段进行分析，如果发现总线配置帧或配置反馈数据帧时，通过此模块经AVALON-MM BUS向软件CPU产生中断；
软件CPU，为NIOS II CPU，是软件处理的核心逻辑单元；
RAM,软件的随机访问数据内存，提供AVALON-MM BUS总线访问；
R0M，软件程序存储空间，提供AVALON-MM BUS总无线访问；
SYNC I/F，可实现耦合器级联的时钟同步分配；
Flash Controller, FPGA的外部程序存储控制模块；
JTAG，FPGA编程接口模块；
PLL，提供系统内时钟。作为一种实施方式，上述软件处理模组以及硬件处理模组还可以采用FPGA与单片机组合的形式实现，型号可多选。进一步地，可将两个或多个耦合器进行级联，耦合器之间利用上述SYNC I/F来保持时钟同步，这样，在级联系统中采用统一时钟信号。由某一个耦合器提供级联系统的高精度时钟信号，并作为级联系统的唯一时钟，以减少时钟频率不同步造成的累计时间误差。实施本发明实施例的数控联盟总线系统、耦合器及通信方法，在系统完成样机设计后，逻辑分析仪的测试结果表明耦合器对主站数据包基本实现了立即转发，其转发延时在几个时钟周期以内；同时，耦合器对从站返回的数据包实现了“边接收边分析”，并将重组后的数据包发回主站。以其中一次测试为例，为便于测试，主站仅有一个以太网端口(端口号16)与耦合器通信，一个从站占用的两个端口的端口号分别是14和15。可见，当耦合器接收到主站发来的64字节数据帧(不是总线配置帧或配置反馈数据帧)，硬件CPU的转发延迟仅一个时钟周期(14号端口);当耦合器收到从站返回的数据帧(15号端口)时，刚刚接收完毕就立即发送更新的数据帧给主站。由于耦合器硬件电路具有从站端口同时收发的特性，所以耦合器收发延迟并不会随着从站数量的增加而产生明显的增加。实验表明，在所有端口都接有从站的情况下，耦合器造成的数据延迟在6us以内，这样可以保证总环路通信周期小于40us。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
权利要求
1.一种基于数控联盟总线系统的通信方法，所述系统包括主站、从站，以及连接所述主站及从站形成网络的耦合器，其特征在于，所述耦合器设置有软件处理模组及硬件处理模组，所述方法包括 获得当前数据帧，所述当前数据帧中携带有用于指示所述当前数据帧的类型的指示信息； 根据所述指示信息指示的类型，选择所述软件处理模组或硬件处理模组进行所述当前数据帧的处理。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述指示信息指示的类型，选择所述软件处理模组或硬件处理模组进行所述当前数据帧的处理具体为 所述硬件处理模组根据所述指示信息判断所述类型， 当所述类型为所述主站发送的总线配置帧时，所述硬件处理模组接收到所述指示信息后立即中断转发所述当前数据帧后，将控制权交给所述软件处理模组，所述软件处理模组构建配置命令数据帧并向各所述从站依次发送所述配置命令数据帧以定义所述从站在所述网络中的位置； 当所述类型为所述主站发送的携带有目标从站地址信息的单播帧时，所述硬件处理模组直接将所述当前数据帧发送给目标从站，以触发所述目标从站进行单播帧的数据更新；当所述类型为所述主站发送的无需进行数据更新的广播帧时，所述硬件处理模组直接将所述当前数据帧同时发送给各所述从站； 当所述类型为所述主站发送的需进行数据更新的广播帧时，所述硬件处理模组直接将所述当前数据帧同时发送给各所述从站。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述指示信息指示的类型，选择所述软件处理模组或硬件处理模组进行所述当前数据帧的处理具体为 所述硬件处理模组根据所述指示信息判断所述类型， 当所述类型为所述从站发送的配置反馈数据帧且所述当前数据帧中携带有用于指示所述从站在所述网络中的位置的地址信息以及网口信息时，所述硬件处理模组将控制权交给所述软件处理模组，所述软件处理模组以所述地址信息及网口信息更新本地转发地址表，并将所述当前数据帧发送给所述主站或下一从站； 当所述类型为目标从站发送的携带有所述目标从站的地址信息的单播反馈帧且所述当前数据帧中携带有所述目标从站的更新数据时，所述硬件处理模组直接将所述当前数据帧发送给主站以通知所述主站所述目标从站已进行数据更新； 当所述类型为所述从站发送的无需进行数据更新的广播反馈帧时，所述硬件处理模组判断是否从各所述从站均已接收到所述当前数据帧，若是，则直接将所述当前数据帧发送给所述主站； 当所述类型为所述从站发送的需进行数据更新的广播反馈帧时，所述硬件处理模组判断是否从各所述从站均已接收到所述当前数据帧，若是，则根据所保存的配置信息构建携带有各所述从站的更新数据的新数据帧，并将所述新数据帧发送给所述主站。
4.如权利要求I至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述指示信息为CM-ID命令字段。
5.一种数控联盟总线耦合器，其连接有主站及从站，其特征在于，包括 收发模块，用于从所述主站或从站获得当前数据帧，所述当前数据帧中携带有用于指示所述当前数据帧的类型的指示信息； 处理模块，包括软件处理模组及硬件处理模组，用于根据所述指示信息指示的类型，选择所述软件处理模组或硬件处理模组进行所述当前数据帧的处理。
6.如权利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述处理模块包括所述软件处理模组、硬件处理模组及连接所述软件处理模组及硬件处理模组的控制总线， 所述硬件处理模组，用于根据所述指示信息判断所述类型，当所述类型为所述主站发送的携带有目标从站地址信息的单播帧时，直接将所述当前数据帧发送给目标从站，以触发所述目标从站进行单播帧的数据更新；当所述类型为所述主站发送的无需进行数据更新的广播帧时，直接将所述当前数据帧同时发送给各所述从站；当所述类型为所述主站发送的需进行数据更新的广播帧时，直接将所述当前数据帧同时发送给各所述从站；当所述类型为所述主站发送的总线配置帧时，接收到所述指示信息后立即中断转发所述当前数据帧后，将控制权交给所述软件处理模组； 所述软件处理模组，用于在获得所述控制权后，构建配置命令数据帧并向各所述从站依次发送所述配置命令数据帧以定义所述从站在所述网络中的位置。
7.如权利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述处理模块包括所述软件处理模组、硬件处理模组及连接所述软件处理模组及硬件处理模组的控制总线， 所述硬件处理模组，用于根据所述指示信息判断所述类型，当所述类型为目标从站发送的携带有所述目标从站的地址信息的单播反馈帧且所述当前数据帧中携带有所述目标从站的更新数据时，直接将所述当前数据帧发送给主站以通知所述主站所述目标从站已进行数据更新；当所述类型为所述从站发送的无需进行数据更新的广播反馈帧时，判断是否从各所述从站均已接收到所述当前数据帧，若是，则直接将所述当前数据帧发送给所述主站；当所述类型为所述从站发送的需进行数据更新的广播反馈帧时，判断是否从各所述从站均已接收到所述当前数据帧，若是，则根据所保存的配置信息构建携带有各所述从站的更新数据的新数据帧，并将所述新数据帧发送给所述主站；当所述类型为所述从站发送的配置反馈数据帧且所述当前数据帧中携带有用于指示所述从站在所述网络中的位置的地址信息以及网口信息时，将控制权交给所述软件处理模组； 所述软件处理模组，用于在获得所述控制权后，以所述地址信息及网口信息更新本地转发地址表，并将所述当前数据帧发送给所述主站或下一从站。
8.如权利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述指示信息为CM-ID命令字段。
9.一种数控联盟总线系统，包括主站，以及从站，其特征在于，所述系统还包括如权利要求5-8中任一项所述连接所述主站及从站形成网络的耦合器。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，当包括多个级联的所述耦合器时，耦合器之间保持时钟同步。
全文摘要
本发明实施例公开了一种数控联盟总线系统、耦合器及通信方法，首先获得当前数据帧，当前数据帧中携带有用于指示当前数据帧的类型的指示信息；然后根据指示信息指示的类型，选择软件处理模组或硬件处理模组进行当前数据帧的处理，这样，耦合器采取软硬件协同处理的方法，针对NCUC-Bus规范中不同类型的数据帧采取差异化的处理手段，对于强实时性要求的数据帧采用硬件内核处理转发，对于对实时性要求不高的数据帧采用软件内核处理转发，最大化提高了现场总线的强实时性，使环形链路中从站数量与数据帧环路传输延迟之间的相关性大大减弱，从站的增加几乎不会导致数据帧的传输延迟增加。
文档编号H04L29/12GK102833140SQ201210271388
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月1日 优先权日2012年8月1日
发明者徐迪宇, 梁尧, 胥小武, 周维鸥, 周智勋 申请人:深圳清华大学研究院