混合异构串行通信系统及动态分配设备地址方法与流程

本发明涉及一种混合异构串行通信系统及动态分配设备地址方法。

背景技术：

经编机作为生产速度最快、生产效率最高的织造机械，已成为国家“数控一代”装备创新工程重点发展的纺织装备之一。随着计算机控制技术、现场总线控制技术、伺服驱动控制技术以及特种元件电气控制技术在经编机数控系统中的应用，现代经编机数控系统已逐渐形成与自身工艺要求及控制特征相匹配的系列化数控关键技术。

经编机的数控系统是一个典型的扁平状分布式运动控制系统，其中不仅包含 4 ～ 8 轴的送经/牵拉/卷取运动控制，4 ～ 95轴的横移运动控制，还包含多达3640（130in，E28单把贾卡梳栉）～13440（210in,E32两把贾卡梳）点高速输出，各功能单元均需要与主轴保持稳定可靠的同步，与主控单元进行快速高效的信息交互。可见也只有现场总线技术，才能满足在这种强电磁干扰、大数据吞吐率的工作环境中，进行实时高速数据传输的控制要求。目前，Sercos、Ethercat、Ethernet、RS232/RS485、CAN（control area network）、MotionNET等总线技术在经编机数控系统中广泛应用。

经编不但能高效生产，而且其提花能力也相当突出。经编提花的优势在于提花面料花型逼真、凹凸有致、风格新颖，实现了平纹提花、网眼提花、毛绒提花、毛圈提花、立体织物提花等，特别是网眼织物提花，这是其他织造技术如机织、纬编所无法比拟的，被广泛应用于蕾丝面料、高档妇女内衣、无缝服装、床上用品等。经编提花方式和手段多种多样。当前，经编机的贾卡控制方式从早期的机械笼头式、电磁综丝式发展为压电陶瓷式。压电贾卡控制系统可以通过压电效应精确地控制每根压电陶瓷贾卡针的偏移动作实现贾卡提花，通常多个压电陶瓷贾卡针构成一把贾卡针块。

传统的压电贾卡控制系统一般由PLC控制器、通信中继板、压电驱动板、贾卡针块等多个分离的电子板卡组成。针对在文献提出的一种新型嵌入式电子贾卡控制系统，本文为该嵌入式电子贾卡控制系统设计了一种混合异构串行通信架构：下行数据采用总线型逻辑拓扑，上行数据采用环形逻辑拓扑。在保证通信实时性的同时，兼顾通信的可靠性和容错性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种解决上述技术不足的混合异构串行通信系统及动态分配设备地址方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种混合异构串行通信系统，应用于主从系统中，所述混合异构串行通信系统包括下行通道和上行通道；所述主从系统包括依次连接的主机、第一从机至第N从机，且第一从机至第N从机由主机控制同步工作；

所述下行通道用于传输执行数据和同步信号，其逻辑表现为总线型拓扑结构：

（1）执行数据传输：在主从系统工作前，主机将执行数据采用逐级激励的中继方式快速向第一至第N从机传输，且主机向下传输执行数据时，不受各从机内微处理器的控制；

（2）同步信号传输：在主从系统开始工作后，主机通过下行通道输出同步信号数据帧到各从机，或采用将同步信号直接连接到各从机，此时，执行数据预先下载到各从机中，即可在同步信号的驱动下独立工作；

所述上行通道用于传输各从机的应答信号，逻辑表现为环型拓扑结构：上行数据传输过程中，各从机向主机传输应答信号时，受各级从机内微处理器的控制。

在本发明一实施例中，所述主机包括主全双工MAX488CSA芯片，各从机均包括微处理器、第一全双工MAX488CSA芯片和第二全双工MAX488CSA芯片，其中，各从机的第一全双工MAX488CSA芯片的输出端与第二全双工MAX488CSA芯片的输入端连接，并与主全双工MAX488CSA芯片的下行输出端构成下行通道；各从机的第二全双工MAX488CSA芯片的输出端经微处理器与第一全双工MAX488CSA芯片的输入端连接，并与主全双工MAX488CSA芯片的上行输入端构成上行通道；各从机的第一全双工MAX488CSA芯片的输出端还与各从机的微处理器连接。

在本发明一实施例中，所述主从系统为经编机，所述主机为上位工控机，所述第一从机至第N从机为第一嵌入式电子贾卡导纱针块至第N嵌入式电子贾卡导纱针块；

所述下行通道用于传输花型数据和同步信号，其逻辑表现为总线型拓扑结构：

（1）花型数据传输：在经编机开始工作前，上位工控机中的CAD软件生成的花型工艺文件采用逐级激励的中继方式快速向下传送，且上位工控机向下传送花型文件时，不受各嵌入式电子贾卡导纱针块内微处理器的控制；

（2）同步信号传输：在经编机主轴电机开始工作后，上位工控机通过下行通道输出同步信号数据帧到各嵌入式电子贾卡导纱针块，或采用将同步信号直接连接到各嵌入式电子贾卡导纱针块，此时，花型数据文件预先下载到嵌入式电子贾卡导纱针块，即可在同步信号的驱动下独立工作；

所述上行通道用于传输各嵌入式电子贾卡导纱针块的应答信号，逻辑表现为环型拓扑结构：上行数据传输过程中，各嵌入式电子贾卡导纱针块向上位工控机传输应答信号时，受各级嵌入式电子贾卡针块内微处理器的控制。

本发明还提供了一种基于上述所述的混合异构串行通信系统的动态分配设备地址方法，包括如下步骤，

S1：主机广播发送命令，即以广播的形式将主机默认设备地址表下传到各从机，通知各从机将出厂时分配的唯一ID编号发送到主机；

S2：各从机根据自己的ID编号通过查表的方式获得唯一设备地址，同时将出厂时分配的唯一ID编号依次单播发送到主机；

S3：主机在接收到所有从机发送的ID编号后，根据接收到的先后次序为原则形成新设备地址表，并与旧设备地址表对比，若不一致则重复步骤S1。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明应用于主从系统中，具体应用于经编机中：

（1）在每把嵌入式电子贾卡针块接收到上一把嵌入式电子贾卡针块发送的花型工艺文件后，会发回一个含有逻辑地址的响应表示成功接收到花型工艺文件；采用这种校验模式有利于系统的扩展，即可在原系统菊花链尾部任意增、减贾卡针块；

（2）在上位工控机向经编机上安装的所有嵌入式电子贾卡针块下载完工艺文件后，由于不同的嵌入式电子贾卡针块中所需的工艺文件不同，所采用的动态分配设备地址策略在保证花型文件可靠传输的同时，极大便利故障电子贾卡针块的定位和快速检修；

（3）同步数据协调机制：每个贾卡针块接收到广播同步数据后，向上位嵌入式电子贾卡针块发送响应帧，接收到该响应帧的嵌入式电子贾卡针块应用此数据验证自身接收到的广播同步数据的正确性，并且不再往前传递该数据。这就意味着，采用该协调机制后，每个贾卡针块能够收到两个内含同步信号特征的数据帧（一个是自己接收到的数据帧，一个是下位机的响应数据帧），提高了可靠性。

附图说明

图1为嵌入式电子贾卡导纱针块内部结构。

图2为嵌入式电子贾卡控制系统。

图3为本发明的混合异构串行通信系统拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图3所示，本发明的一种混合异构串行通信系统，应用于主从系统中，所述混合异构串行通信系统包括下行通道和上行通道；所述主从系统包括依次连接的主机、第一从机至第N从机，且第一从机至第N从机由主机控制同步工作；

所述下行通道用于传输执行数据和同步信号，其逻辑表现为总线型拓扑结构：

（1）执行数据传输：在主从系统工作前，主机将执行数据采用逐级激励的中继方式快速向第一至第N从机传输，且主机向下传输执行数据时，不受各从机内微处理器的控制；

（2）同步信号传输：在主从系统开始工作后，主机通过下行通道输出同步信号数据帧到各从机，或采用将同步信号直接连接到各从机，此时，执行数据预先下载到各从机中，即可在同步信号的驱动下独立工作；

所述上行通道用于传输各从机的应答信号，逻辑表现为环型拓扑结构：上行数据传输过程中，各从机向主机传输应答信号时，受各级从机内微处理器的控制。

进一步的，所述主机包括主全双工MAX488CSA芯片，各从机均包括微处理器、第一全双工MAX488CSA芯片和第二全双工MAX488CSA芯片，其中，各从机的第一全双工MAX488CSA芯片的输出端与第二全双工MAX488CSA芯片的输入端连接，并与主全双工MAX488CSA芯片的下行输出端构成下行通道；各从机的第二全双工MAX488CSA芯片的输出端经微处理器与第一全双工MAX488CSA芯片的输入端连接，并与主全双工MAX488CSA芯片的上行输入端构成上行通道；各从机的第一全双工MAX488CSA芯片的输出端还与各从机的微处理器连接。

本发明还提供了一种基于上述所述的混合异构串行通信系统的动态分配设备地址方法，包括如下步骤，

S1：主机广播发送命令，即以广播的形式将主机默认设备地址表下传到各从机，通知各从机将出厂时分配的唯一ID编号发送到主机；

S2：各从机根据自己的ID编号通过查表的方式获得唯一设备地址，同时将出厂时分配的唯一ID编号依次单播发送到主机；

S3：主机在接收到所有从机发送的ID编号后，根据接收到的先后次序为原则形成新设备地址表，并与旧设备地址表对比，若不一致则重复步骤S1。

优选的，所述主从系统为经编机，所述主机为上位工控机，所述第一从机至第N从机为第一嵌入式电子贾卡导纱针块至第N嵌入式电子贾卡导纱针块；

所述下行通道用于传输花型数据和同步信号，其逻辑表现为总线型拓扑结构：

（1）花型数据传输：在经编机开始工作前，上位工控机中的CAD软件生成的花型工艺文件采用逐级激励的中继方式快速向下传送，且上位工控机向下传送花型文件时，不受各嵌入式电子贾卡导纱针块内微处理器的控制；

（2）同步信号传输：在经编机主轴电机开始工作后，上位工控机通过下行通道输出同步信号数据帧到各嵌入式电子贾卡导纱针块，或采用将同步信号直接连接到各嵌入式电子贾卡导纱针块，此时，花型数据文件预先下载到嵌入式电子贾卡导纱针块，即可在同步信号的驱动下独立工作；

所述上行通道用于传输各嵌入式电子贾卡导纱针块的应答信号，逻辑表现为环型拓扑结构：上行数据传输过程中，各嵌入式电子贾卡导纱针块向上位工控机传输应答信号时，受各级嵌入式电子贾卡针块内微处理器的控制。

以下为本发明的具体应用于经编机中的实例。

、经编机贾卡控制系统架构

嵌入式电子贾卡控制系统的主要特征是集高性能8位STC微控制器（STC15F2K60S2），贾卡驱动模块（低压串口-高压并口转换芯片HV507），升压模块，串行通信模块（MAX488），电源模块以及贾卡导纱针块为一体，构成能够独立运行嵌入式电子贾卡导纱针块，如图1所示。

从图1可以看出，所提出的嵌入式电子贾卡导纱针块具有集成度高、结构简单、可靠性高的特点。其控制流程为：

①上位机将由经编CAD软件生成的花型文件通过串行通信接口1（Com1）下载到微控制器STC15F2K60S2的Flash存储区；

②根据同步传感器产生的实时同步信号，嵌入式电子贾卡导纱针块与经编机保持同步工作；

③根据实时同步信号，微控制器STC15F2K60S2将花型工艺文件中当前步贾卡针偏移数据输出到贾卡驱动模块HV507；

④贾卡驱动模块HV507将接收到的贾卡针偏移数据直接转换成高压（+200V）驱动信号，从而驱动贾卡导纱针块偏移，其中高压（+200V）电源由内部升压模块提供。

一般情况下，一台具有压电提花功能的经编机上安装有上百个嵌入式电子贾卡导纱针块，与上位机共同构成一个复杂分布式结构的嵌入式电子贾卡控制系统，如图2所示，因此通信的实时性和可靠性面临挑战。

混合异构串行通信架构

鉴于上述嵌入式电子贾卡控制系统可能存在问题，本申请提出了一种混合异构串行通信架构。

2.1 物理拓扑结构

嵌入式电子贾卡针块与上位机以及相互之间通信采用抗干扰能力强的TIA/EIA-485 (RS485)物理接口，如图3所示。从图3可以看出，本申请采用全双工MAX488CSA芯片实现RS485菊花链式串行通信。

2.2 下行通道

（1）花型数据传输：在经编机开始工作前，上位工控机中的CAD软件生成的花型工艺文件采用逐级激励的中继方式快速向下传送。为了保证传输速度，上位工控机向下传送花型文件时，不受各级嵌入式电子贾卡导纱针块内微处理器的干预和控制，逻辑表现为总线型拓扑结构；

（2）同步信号传输：在经编机主轴电机开始工作后，上位工控机通过RS485菊花链的下行总线通道仅需输出同步信号数据帧到所有嵌入式电子贾卡导纱针块，有效保证了通信的实时性。也可采用将同步电平信号直接连接到从机（此时，无上位工控机），则花型数据文件通过线下事先下载到嵌入式电子贾卡导纱针块，即可在同步电平信号的驱动下独立工作。

2.3 上行通道

上行数据传输过程中，下位嵌入式电子贾卡针块向上位工控机传输应答信号时，受各级嵌入式电子贾卡针块内微处理器的干预和控制，逻辑表现为环型拓扑结构。其中最后一个通信节点只是参与通信，不安装导纱针。

2.4动态分配设备地址

根据Modbus协议，RTU 消息帧 中的设备地址是用来表示设备的编号，在如图3所示的同一条串行Modbus总线上，此编号必须是唯一的。在每一RTU 消息帧中设备地址为1 byte (8 bits)，既有效数值为 0 - 255，其中 1- 255为各设备编号用，0作为广播专用地址。

通常情况下，每个从设备在与主设备通信前会预设一个固定的设备地址。采用这种固定设备地址的方法，当嵌入式电子贾卡针块物理位置变换后都需要根据所安装的经编机的具体情况重现设定设备地址，给现场操作增加了额外的工作负担，且容易出错。因此，本文提出了一种动态分配设备地址的方法，既每次经编机接通电源后，都会执行一次主设备为从设备 重新分配设备地址的过程，以应对电子贾卡针块因为检修、故障等原因重新安装出现的位置变换问题。具体过程如下：

（1）上位机广播发送命令（以广播的形式将主机默认设备地址表下传到各个嵌入式电子贾卡针块），通知所有嵌入式电子贾卡针块将出厂时分配的唯一ID编号发送到上位机；

（2）各个嵌入式电子贾卡针块根据自己的ID编号通过查表的方式获得唯一设备地址，同时将出厂时分配的唯一ID编号依次单播发送到上位机；

（3）上位机在接收到总线上全部嵌入式电子贾卡针块发送的ID编号后，根据接收到的先后次序为原则形成新设备地址表（ID编号位置对应设备地址），与旧设备地址表对比，若不一致则重复过程（1）；

采用上述动态分配设备地址的方法，省去了传统贾卡驱动板中的地址拨码分配电路，进一步精简了电子贾卡针块的集成电路，也提高了容错能力，简化了现场操作，可靠性大幅提高。电子贾卡针块的设备地址正确分配，是后续花型数据、同步数据等通信过程的前提和保证。

2.5单播花型数据包

每一个电子贾卡针块有16根针，如果超过16针，就以16的倍数为单位占用多个设备地址。电子贾卡针块需要的数据是贾卡导纱针动作的花型数据（数据较大时可分成多包发送）。在经编机启动前，采用如图3所示的逐级激励串行中继方式将花型文件快速传送至每一把嵌入式电子贾卡针块。优点一：减少了在经编机开机工作后嵌入式电子贾卡针块作高速的垫纱横移运动中的数据传送量；优点二：所采用的逐级激励中继传输方式较之普通的总线式通信方式通信节点数大为增加（四米宽幅的经编机需要嵌入式电子贾卡针块约100个左右），保证了整个系统的通信要求。

工控机对每一把电子贾卡针块基于Modbus协议单播发送对应的花型数据包。首先上位工控机 (主站)向具有唯一的设备地址（编号为1~m）单个嵌入式电子贾卡针块依次发送写请求消息包，要求从机转换为接收状态，接收数据暂存在预留的130(02H+80H)字节RAM存储空间中。从机正确接收完成后，转存入首地址为0000H的连续花型数据存储空间中。

2.6广播同步数据包

在工作过程中，上位机实时采集同步传感器数据，并将该数据打包广播发送到所有嵌入式电子贾卡针块，根据该数据决定是否移动针。同步包的数据块包含的信息有当前步数(两个字节)、同步传感器数据（1个字节）。为提高数据传输效率，嵌入式电子贾卡针块接收到下位从机发送的正确响应数据后，不再接力传送的上位机。

通信方法实例

通信系统采用主从式多机通讯结构，主机每向从机发一个指令，从机返回一个数据。具体步骤如下：

（1）首次开机（通电）后，主机（上位机）向所有从机（嵌入式电子贾卡针块）广播默认设备地址表，如表1所示，启动如3.2节所述的动态地址分配过程，嵌入式电子贾卡针块返回本机ID编号的正常和异常响应数据帧如表2、3所示。

表 1 Modbus串行请求数据帧实例

其中，设备地址00H表示广播模式。功能码16H为Modbus自定义功能码，该命令实现下传设备地址表的功能。

表2 Modbus串行正常响应数据帧实例

其中，诊断码00H表示正常状态，其它常用的诊断码包括01H-CRC校验错误，02H-存储容量不足，03H-从机其他故障等。

表3 Modbus串行异常响应数据帧实例

其中，96H为异常功能码，是将正常功能码16H的二进制码最高位置1得到的。

（2）当正确配置好嵌入式电子贾卡针块的地址后，通过下行通道以单播的方式传送花型文件数据，如请求帧如表4所示，响应数据帧如表5、6所示。

表 4 Modbus串行请求数据帧实例

其中，设备地址01H表示主机与1号从机通信；功能码15H是Modbus协议标准写命令。

表5 Modbus正常串行数据响应帧实例

表6Modbus异常串行数据响应帧实例

（3）经编机主轴电机开始工作后，主机发送包含当前贾卡步数和同步控制信号的同步信号数据帧，Modbus请求帧和响应帧分别如表7、8和表9所示。功能码18H为Modbus自定义功能码，该命令实现同步信号实时下传。

特别地，在故障停机或暂停重新开机时，都需要运行上述步骤（1）~步骤（3）。

表7 Modbus串行同步数据请求帧实例

表8 Modbus串行同步数据响应帧实例

表9 Modbus串行同步数据异常响应帧实例

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。