专用高速运动控制网络从节点运动控制逻辑设计;毕业设计论文.doc

南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 专用高速运动控制网络 （从节点运动控制逻辑设计） 专 业： 自动化（数控技术） Graduation Design (Thesis)Special High-speed Motion Control Network(Slave Node Motion Control Logic Design )ByYUAN XinSupervised byAssociate Prof. GE HongyuSchool of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune, 2011 原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日南京工程学院康尼学院本科毕业设计（论文）摘 要本课题主要是研究基于VHDL实现从节点逐点比较法轮廓插补，要求执行速度快且可与运动控制部分很好地集成，实现高速运动控制。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。本课题采用QUARTUS II软件来调试程序，并进行波形仿真。主要的的工作如下：1）理解数控轮廓插补的原理及实现方法。2）通过硬件描述语言VHDL在FPGA上实现上述算法。3）完成直线与圆弧插补的仿真与测试。关键词：VHDL，FPGA，逐点比较法，QUARTUS IIABSTRACTThe main topic is to study slave node based on VHDL-by-point comparison method contour interpolation, called for the implementation speed and motion control section and can be well integrated, high-speed motion control.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。This topic QUARTUS II software to use the debugger, and waveform simulation. The main work is as follows:厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1. Understand the principle of nc contour interpolation and realization method. 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。2. Through the hardware description language VHDL FPGA to realize the above algorithms. 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。3. Finish line and arc interpolation of simulation and test.朗读籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords: VHDL, FPGA, point-by-point comparison, QUARTUS II 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。目 录第一章 绪 论1渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.1 引言1铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.2 运动控制网络的发展1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.3 运动控制网络的研究现状3贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.4 本文的结构7坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。第二章 网络整体结构9蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.1 需求分析9買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.2 系统整体结构9綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.3 网络拓补结构10驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.4 本课题采用的拓补结构12猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.5模块功能分析12锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.6 主节点模块设计13構氽頑黉碩饨荠龈话骛。第三章 从节点逻辑结构与功能14輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.1 从节点芯片的逻辑结构14尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.2 读取控制算法15识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.3 功能分析15凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.4 运动控制芯片开发16恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。第四章 直线插补算法VHDL实现17鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。4.1 逐点比较法插补的基本原理17硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。4.2 直线插补过程17阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.3 直线插补逻辑状态19氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4.4 直线插补方向进给21釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。4.5 直线插补VHDL仿真21怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。4.5 四象限直线插补23谚辞調担鈧谄动禪泻類。第五章 圆弧插补算法VHDL实现25嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。5.1 圆弧插补过程25熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。5.2 圆弧插补逻辑状态27鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。5.3 圆弧插补方向进给28纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。5.4 圆弧插补VHDL仿真29颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。5.5 四象限圆弧插补30濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。第六章 总结与展望32銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。6.1 工作总结32挤貼綬电麥结鈺贖哓类。6.2 问题讨论32赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。致 谢33塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。参考文献34裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。附录A:程序清单35仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 第一章 绪 论1.1 引言网络技术是15 世纪影响人类生活型态，甚至改变公司经营决策最重要的一项技术。随着信息技术的发展，自动化领域也经历了一场由组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统（DDC）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）到现在刚刚兴起的工业以太网控制的深层次变革。现在，工业自动化领域的现状是，DCS仍然在许多行业有着广泛的应用；FCS已逐渐被大家认可，并以每年30%的增长率快速成长；而工业以太网控制系统则刚刚兴起，正处于试用阶段，并有望解决运动控制系统对网络实时性和确定性的要求，实现工业网络控制标准的最终统一。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。所谓运动控制网络是指建构在控制器与多轴电机驱动器之间，能够实时、同步地传送运动命令和接收运动状态的网络系统，目前已成为伺服驱动器发展的趋势。本文对目前市场上比较流行的各种串行运动控制网络做了深入探讨，对国内运动控制网络技术的发展有所帮助。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。1.2 运动控制网络的发展由于组合式模拟仪表控制系统和集中式数字控制系统已基本被淘汰，因此本文主要对DCS，FCS及工业以太网的发展情况加以叙述。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1）集散控制系统（DCS）集散控制系统又称为分布式控制系统，它是一种应用于过程控制的工程化分布式计算机控制系统，它的特点在于可实现硬件积木化、软件模块化、松耦合多处理机系统、控制系统用组态方法生成、可应用通信网络和可靠性等，解决了原有计算机集中控制中导致的危险集中和常规模拟仪表控制功能单一的局限性，克服了计算机集中控制双工系统成本高的问题。DCS控制系统是计算机、通信、CRT显示和控制技术发展的产物。它采用危险分散、控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，多层次、合作自治的结构形式，适应现代的生产和管理要求。DCS在功能与性能上较模拟仪表及集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现设备级、车间级的优化控制。近年来，为了使DCS更加适用于工业生产现场，新一代DCS还进一步做了一些改进，比如系统开放化、超大型化和微型化、通信介质多样化、DCS与PLC相互融合以及软件的不断丰富等等。但是，在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互联在一起，难以实现互换与互操作，要组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。2）现场总线控制系统（FCS） 现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。它作为过程自动化、制造自动化、智能楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产现场设备之间及其与更高控制管理网络之间的联系，为栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。现场总线控制系统为网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能由过去的控制室设备变为智能现场仪表承担。由于控制功能的分散化及全数字辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。化，就有可能组成大型的开放式控制系统， 进而实现从最高决策层到最低设备层的综合管理和控制。目前国际上有40种现场总线，其中最有影响力的有FF,Profibus,HART,CAN,Lon Works等。然而，现场总线技术的发展还存在许多问题，最主要的是没有一个统一的国际标准（目前的现场总线国际标准IEC61158,包含了8种不同类型的现场总峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。线，因此可以说没有标准），并且由于支持各总线的集团间利益冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包，这需要较昂贵的代价，且实现不同总线产品间的互连非常困难。这使得FCS的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现。这时，以太网受到人们的重视。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。3）工业以太网在工业控制现场，能否将在商业领域应用已相当成熟的以太网用于网络控制系统的底层，完全替代现场总线，目前还处于研究和讨论阶段。普通以太网向下延伸到工业现场，面临一系列的技术难题，如确定性、实时性、安全性、抗干扰能力，还有现场设备的供电问题、网线物理性能的提高等。总之以太网有其优势，也有其技术上的缺陷，它的研究方向应在尽可能保留原有协议的基础上，加入实时性控制措施。工业以太网是当前工业控制领域新的研究热点，尽管它现在还有许多不成熟的地方，但它巨大的应用前景吸引着众多研究机构和公司进行研究探索。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时又能在实时性、材质的选用、产品的强度以及适用性等方面满足工业现场的需要。工业以太网并不是要将所有的工业网络全部改成以太网，而是要将原来工业网络应用层定义的数据信息，封包在以太网的网络层与传输层内。也就是说，工业以太网的重点在于TCP/UDP/IP，而不在以太网的物理层。以太网技术采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）机制，是一种非确定性的通信调度方式。网络每个节点要通过竞争来取得信息的发送权，当网络负荷大时，网络传输不能满足工业控制的实时要求。因此，在本质上以太网并不是一个实时性网络，它只能保证数据可以到达，但不能保证到达的时间。另外，以太网应用于工业环境还存在异质平台整合及是否满足工业环境等问题。针对以太网应用于工业环境所面临的一些问题，许多现场总线组织和国际知名公司采用了多种方法来对以太网进行改进，以使其满足工业现场应用的要求。如HSE,Ethernet/IP和Modbus/TCP 采用以太网与TCP/IP相结合的方法；Power-link和Profinet采用基于时间槽的分时调度方式等。这些方法都有效地解决了商用以太网应用于工业现场所面临的一些技术难题，并已有了一定的市场应用。但以太网能否在将来完全替代现场总线，实现网络控制系统的大统一，目前还难下定论。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。1.3 运动控制网络的研究现状随着网络通信技术的日新月异，特别是以太网技术的发展与成功应用，运用串行通讯的方式来解决传统运动控制架构成为必然趋势。然而，串行传输系统的困难在于没有共同遵守的通讯协议标准，以运动控制系统来说，不论在硬件还是通讯协议上，目前都没有统一的标准可依。市场上比较常见的串行运动控制网络的通信协议见表 1-1胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。表1-1 常见的运动控制网络通信协议比较表通信协议SSCNETSERCOS-IEEE-1394SynqNetPowerlinkProfinet传输媒介RS-485Plastic FiberFireWireEthernetEthernetEthernet制造商MitsubishiIndramat SanyoAgile SystemMEIB&RSiemens带宽/Mbps5.616800100100100通信周期/s800250150-250252001000最大传输距离/m30404.5100100100传输模式Half-DuplexHalf-DuplexHalf-DuplexHalf-DuplexHalf-DuplexHalf-Duplex最大误差/s111111最大节点数625463254254150从表中可以看出，传输媒介主要有：RS-485、光纤（optical）、IEEE-1394（FireWire）和以太网（Ethernet)4种。其中，SERCOS是仅有的国际标准（IEC61491），但美、日等国的伺服大厂仍推出自己的通信协议，使得串行运动控制网络的通信协议呈现出百家争鸣的局面。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。本文对常见的串行运动控制网络介绍如下：1） SSCNET SSCNET（servo system control network）是由日本三菱电机公司开发出来的运动控制网络技术，可实现精密定位控制及多轴同步运动控制，其特点如下：传送32位的绝对位置命令，可满足微精密定位需求；实现多轴同步技术，可消除集中式控制时因各轴命令传送的时间误差而造成的命令误差；实时切换驱动器模式，能传送32位的速度命令或16位的转矩命令，满足不同控制需求；实时修改各轴驱动器伺服参数，作为控制台操作或高级运动控制之用；能接收32位的位置命令，16位的速度及转矩命令，可监控操作台状态或作反馈控制之用；实时取得驱动器异常或警告信息，可用于控制台的异常诊断；能建构出32位精度的绝对位置系统，当系统紧急停机又重开后，不必再从原点开始动作。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。SSCNET 是为了解决传统电机控制应用中配线过多、精度及抗干扰等问题所开发的新技术，这项技术架构在三菱电机伺服技术上，将传统的脉冲波或电压指令型的输入界面改为串行式传输界面，使用者不必再为每一轴的配线而困扰，每个伺服驱动器只需一条传输线与其他周边设备连接，即可达到快速安装、易于除错的功效。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。日本三菱电机自20世纪90年代初期开始发展SSCNET技术， 目前主流技术为第二代的SSCNET 。SSCNET传输媒介是类似RS485技术，传输距离最长可达30m，传输速度为5.625 Mbps，控制用的通讯周期为0.888ms。控制方式为主从式架构，一块主控IC可控制6个Slave的伺服驱动器，主控IC间可以实现同步， 使得被控伺服轴得以同步。此外，三菱电机已于2004年10月推出新版本SSCNET ，传输媒介改为采用光纤，传输速度为50 Mbps，通信周期可达0.44ms（8轴），最大传输距离可高达800m（16轴）。通过更小的通信周期， 将进一步提高位置控制精度。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。2）SERCOS SERCOS（Serial Real-time Communication System）串行运动控制网络由德国率先发起，并于1995年获得通过正式成为IEC61491国际标准。SERCOS主要应用在分散式多轴运动控制上，并明确定义了伺服电机位置、速度及转矩等控制命令的通信协议，提供使用者一个实时、抗干扰力强、高解析度、可完全以软件方式规划的串行传输网路。在使用塑料光纤为传输介质时，每节点间的传输距离为40m； 若使用玻璃光纤， 传输距离可长达200m，整个环状网路的长度可达（1-5）m。每个环状网络理论上最多可连接256个辅节点，而实际可连接的节点数取决于传输周期、数据长度及传输速率。SERCOS是目前国际上惟一成为IEC国际标准的运动控制专用网络，特点如下：钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。SERCOS是全数字化网路；SERCOS是开放式架构；SERCOS具有良好的扩充性；SERCOS具有即插即用（Plug&Piay）的特性；SERCOS 具有跨厂商相容的特性。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。目前市场上使用的产品规格为SERCOS-，最近已推出SERCOS-的demo 版，其网络拓扑架构采用双环形（double ring）方式。当有任何断点发生时，通信仍然能正常运作。SERCOS-同时整合了IP通信协议，可通过以太网实时或非实时地传送数据。通过以太网，SERCOS-可支持Slave-to-Slave通信，允许Slave端直接从另一个Slave端读取资料，而不必通过Master端转接。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。3）IEEE 1394 IEEE 1394接口标准始于1986年，是由IEEE 1394专业委员会主持制订的。从1988年开始，苹果（Apple）公司的Michael Teener着手研究IEEE 1394的基本技术，1992年该公司的提案被采纳为IEEE 1394标准规范，1994 年9月正式成立IEEE 1394 Trade Association，以普及IEEE 1394为标准的家庭网络规格，并推出用于保证高质量和兼容性的规范。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。IEEE 1394具有高速通信及同步传输能力，可以实现运动控制系统的新思维-软件运动（Soft-motion）。这样便将原本属于运动控制卡负责的工作，如运动轨迹规划及伺服控制，分散到PC及各个轴的智能型驱动器上。当然，这有赖于驱动器之间的高速通讯能力。软件运动的出现，将使运动控制卡扮演的角色逐渐减弱。作为一种数据传输的开放式技术标准，IEEE 1394被应用在众多领域。当然，目前该技术使用最广的还是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。IEEE 1394具有以下特点：莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。廉价；占用空间小；速度快；开放式标准；支持热插拔；可扩展的数据传输速率；拓扑结构灵活多样；完全数字兼容；可建立对等网络；支持同步和异步两种数据传输模式。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。目前，致力于推广IEEE 1394网络技术发展的主要是欧洲的1394 Automation和1394 Trade Association两个组织，这两个组织已经合并。此次合并的目的是“形成一个世界范围的组织，从而更好地推广这个惟一能将运动控制、视觉和I/O系统納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。的信号通过一条线缆进行传输的标准”。合并后，1394 Automation将作为1394 Trade Association内部的一个技术工作组继续开发和推广IEEE 1394标准。1394 Automation的原有成员将成为1394 Trade Association的当然会员。1394 TradeAssociation在下一阶段的工作重点是运动控制，相信通过双方资源的整風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。合和共同努力，IEEE 1394标准将很快在运动控制领域取得巨大进展。4）Synqnet Synqnet是Motion Engineering Inc.（MEI）公司设计的一个架构在100Base-T物理层的运动控制网路，它采用一种实时、同步数字网络专利技术，代替（运动控制器与伺服驱动装置之间的）标准10v模拟量接口，从而可在各种复杂应用中显示出非凡的运动性能。该技术特别适合半导体、电子组合装置、工业机器人、FPD、包装以及医疗等OEM设备市场中的高性能运动控制应用。Synqnet是以以太网为基础的运动网络， 所使用的100Based-T物理层与一般商用以太网相同，是完全根据IEEE 802.3的国际标准定义的，它可以同步连接32个轴。其传输方式也由以太网的半双工改为全双工，网络拓扑也由对等网络改为环形。现行以太网通信协议的设计适用于数据量大、传输频率低、甚至是远距离的传输模式，这一点与实时运动控制网络所需的数据量不大、传输频率高、短距离传输有所不同。即一个符合IEEE 802.3标准的Ethernet数据帧， 由28个控制位和至少46个数据位组成。就一般工业运动应用而言，这种协议是特大型协议。通常，一个节点的数据需要量是很小的（小于46位）。为了降低周期时间和等待时间，Synqnet已经在第2层（数据链路层）对数据帧进行了优化。一个数据帧由至少24位组成，而不是至少74位。这是Synqnet胜过以太网的一个主要优点，可提供更快速、更具预测性的性能。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。Synqnet网络的设计消除了CSMA/CD机制固有的不确定性问题。它采用一种同步方法，以一种规则的预定时间方式，将数据传送到每一台设备中。使用独立的接收与发送导线对（全双工），可避免数据冲突，并可达到2100 Mbit的确定性数据传输速率。其结果是周期时间最短为25s（4根轴）。此外，Synqnet具有一种周期时间最短可达10s的可组态包结构。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。Synqnet采用一种以双冗余数据通道为特色的独特容错设计，从而可实现机器运行的高可靠性。通过一根次级数据电缆，以新路线发送数据，可自动对一次数据电缆中的间歇断路或短路进行实时检测、隔离和维修。这一特性对于提高任何运动应用的安全性和可靠性来说都是十分关键的，可实现机器可用性的最大化，并降低昂贵的崩溃风险。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。Synqnet运动控制网络还具有以下特点：适合控制复杂机器的中央控制体系结构；更新至&J STU 的高转矩带宽，最多可支持$K 根协同轴；针对噪声抗扰度和电缆短路的电气隔离；适合机器可用性最大化的双数据通道容错操作；真正的即插即用型多卖方互操作性；电机驱动性能的远程故障诊断；远程驱动组态及设置；驱动固件功能的远程更新；自动网络组态和完整性检验；每个节点之间电缆布线长度超过100m。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。5）Profinet Profinet是Profibus国际组织推出的基于工业以太网的自动化解决方案。该技术为当前用户提供了一套完整、高性能、可伸缩的升级至工业以太网平台的解决方案。它能为Profibus及其他现场总线网络系统提供以太网移植服务。在Profinet标准中， 根据不同的应用场合，Profinet支持以下三种通信方式：夹覡闾辁駁档驀迁锬減。使用TCP/IP的标准通信Profinet使用以太网和TCP/IP协议作为通信基础。TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准。但TCP/IP只提供了基础，用于以太网设备通过传输通道在本地和分布式网络中进行数据交换。在较高层上则需要其他的规范和协议（亦称为应用层协议），而不是TCP或UDP。典型的应用层协议有：SNMP，DHCP和HTTP。实时（RT）通信绝大多数的工厂自动化应用场合，对响应时间的要求最少在5-10 ms。为了满足自动控制中的实时要求，在Profinet中规定了优化的实时通信（RT）通道，它基于以太网的Layer2（数据链路层）。这一解决方案极大地减少了通信栈上占用的时间，从而提高了自动化数据的刷新率等性能。同步实时（RT）通信 Profinet被设计成可用于高性能的同步运动控制应用。然而，对上述响应时间在5-10 ms的实时通信不足以满足伺服运动控制场合的需求。伺服运动控制是指在100个节点下，响应时间低于1 ms，同步传送和抖动小于1 s的情况。Profinet的同步实时IRT功能是在Layer2上由内嵌的同步实时交换ASIC芯片提供的。Prifinet在同步实时（IRT）通信方式下应用在同步运动控制场合。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 IRT的通信特点是，在一个周期内通过分隔时间域来传输实时和非实时数据。循环实时报文通过确定性通道（IRT channel）来传递； 而TCP/IP报文则通过标准通道（OPEN channel）来传递。就如同在高速公路上，预留左车道用于实时通信传递，并且禁止其它使用者（TCP/IP 通信）切换到这个车道。这样一来即使右车道发生通信堵塞，也不会影响到左车道的实时通信传递。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。Profinet采用“以太网+TCP/IP”作为低层的通信模型， 采用!TCP/IP协议上应用层的,RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。现有的Profibus网段可以通过一个代理设备连接到Profinet网络当中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在Profinet中使用。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。1.4 本文的结构本文以专用高速运动控制网络的研发工程项目作为应用背景，对轮廓插补技术进行了研究。全文共分为七章，各章的主要内容如下：騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。第一章扼要地介绍了运动控制网络的概念、特点与相关研究背景；第二章研究了运动控制网络的整体结构；第三章重点对从节点逻辑设计进行了研究；第四章进行了直线插补算法；第五章进行了圆弧插补算法；第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 网络整体结构2.1 需求分析1）多轴运动控制。机器设备因自动化程度提高而使得单一机器上所需要的轴数增多,一台设备上十几轴是常见的事情。在轴数变多后,如何协调各轴动作就是一个重要的课题。2）体积要小。由于厂房空间的限制,机器的体积要求越小越好,机器内控制器的体积也就被要求愈来愈小,相对的走线空间也愈来愈小。3）要更精确。随着半导体制程已经精密到100nm一下,在制程及检测相关设备所要求的运动精度也要更精确,其它如LCD设备,SMD制程设备也有相同要求。4）要更稳定。因为所有设备的投资经费庞大,系统停机的成本就更显的突出,因此所有机器设备制造商都必须追求系统的稳定性。同时也必须考虑在组件损坏要维修时,必须能快速替换且不出差错。综合以上几点的需求分析可以看到,既要在一个控制器内进行多轴运动控制,又要控制器的体积更小,配线和维修要更容易,这些条件看来是相冲突的。可以这样说,现场总线技术便是应这些新机器设备的需求而产生的。基于VHDL插补芯片实现各象限的直线和圆弧插补，能够区分四象限直线的坐标并做不同的算法处理，对外输出X轴和Y轴的脉冲，结合时序，配合CLK进行插补。插补芯片不仅能区别四象限的直线还能处理四象限的圆弧插补问题，在处理圆弧问题是要区分逆圆弧插补和顺圆弧插补的问题。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。2.2 系统整体结构系统整体包括：电源模块，USB模块，TFT液晶模块，键盘模块，SDRAM模块和FLASH模块等，如图2.1所示。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。图2.1 系统整体结构图主控CPU是整个系统的核心，软件的运行平台都要靠它搭建，许多复杂的控制算法都靠它实现，这次的控制对象是工业级的，所以要选择一款高性能的微处理器才能达到设计要求。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。主（HOST)、从（SLAVE）节点模块是高速网络最重要的组成部分，它们起着构建网络的重要作用，所有的通讯协议逻辑，以及数据的交换都要在这里进行，主从节点的性能直接决定整个网络的性能。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。人机交互模块是整个系统的一个窗口，它将系统中每个节点的状态，节点的插补轨迹，当前执行的程序段显示在液晶界面内，清晰的反应出整个网络的工作情况，以便监督控制。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。根据上述的简化Synqnet运动控制网络结构，本项目研究中的运动控制芯片有两种：主控（host）芯片与运动控制（slave）芯片。主控芯片接收CPU送来的并行数据，根据网络介质的要求将其转换为四位数据，同时响应数据传送时钟TXC，在TXC的升沿将数据发送到简化Synqnet网络上，供运动控制芯片接收。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。运动控制芯片芯片接收来自主控芯片的四位数据，转化为16位数据后进行16为循环冗余码校验，如果数据出错，则通过自带的发送功能向主控芯片发出重发请求。反之，根据指令类型分别初始化运动参数，驱动圆弧或直线插补模块，送出指令脉冲给相应驱动器。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。2.3 网络拓补结构 每一种网络都要求有布线、网络设备、文件服务器、工作站、软件等，这些要素以多种不同的方式进行综合，便可以创建出与具体单位的需要和资源相适应的网络。有些网络的启动成本很低，但是维护和升级的成本很高；而另有一些网络虽然建立时耗资较大，但是维护方便、升级简单。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。区分网络类型可以依据网络的拓扑结构来区分。拓扑结构是指网络的物理布局及其逻辑特征。其中物理布局是指整个网络是如何布线的，通常称为电缆线路；网络的逻辑是指信号沿电缆从一点向另一点进行传输的方法。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。形象地说我们可以抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象成为“点”，把网络中的电缆等通信媒体抽象为“线”，从而抽象出了网络系统的几何结构，即为逻辑结构。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。常见的网络拖布结构有：星型结构，总线结构，环形结构，树形结构和网型结构。1）星型结构星型结构中有一个中央结点（集线器或交换机），而其他客户机都用单独的线路与这个节点连接，向四周展开，形成一个心状结构。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。星型结构的特点有：稳定性高，便于管理和维护，易扩充、易升级；单个节点的故障只会影响与这个节点相连的支路，不会影响整个网络；对中心结点的要求比较高，中心结点一旦出现故障，整个网络瘫痪。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。2）总线型结构总线型结构是指网络上的所有微机包括服务器都连在一条主通信线路上。首先客户机向服务器发出请求，服务器响应后，将客户机所需要的信息直接发送到总线上，该信息会通过总线上的每一个节点，客户机收到信息时，先分析该信息的目标地址是否与本机相同，若相同，则接收该信息，否则不接疏。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。总线型结构特点：组网比较简单，易布线，扩展网络的结点也比较简单。出现传输冲突的可能性是很大的，必须用专门的通信协议来保证传输的正常进行。一个结点出问题，将影响整个网络，总线出现故障整个网络将会瘫痪。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。3）环形结构环型结构是各个网络结点连接在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，信号传递按一定的先后顺序传递，这种链路是单向的，所有链路都只能按一个方向传输数据，这样数据就会在这个环上进行顺时针或逆时针循环。环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。例如：单环结构的网络有令牌环（Token Ring）。双环结构的网络有光纤分布式数据接口（FDDI）。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。环型结构特点：连接费用较低，适全中小型网络连接；各工作站间无主从关系，结构简单，每台微机都相当于一个中继器；拓展困难，可靠性差，不易管理。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。4）树形结构树型结构是总线型和星型结构演变来的，具体的说是星型结构的扩展和延伸。它有两种类型，一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成。另一种是星型结构的扩展，各结点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，因此称为树型结构。在树型结构的顶端有一个根结点，它带有多个分支，每个分支还可以再分出多个子分支。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。树型结构的特点：易于扩展，可靠性高；根结点的依赖性大，根结点出现故障，将导致全网不能工作。5）网型结构网状结构是一种不规则的网络结构 ，这种结构中的每一个结点和另一个之间至少有两条链路。大型互联网一般都采用这种结构。例如：国际互联网Internet的主干网都采用网状结构。 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。网状结构的特点：每个结点都有冗余链路，可以选择最佳路径，故可靠性高；但路经选择比较复杂，结构复杂，不易管理和维护；线路成本高，适用于大型广域网。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。2.4 本课题采用的拓补结构综上所述，每一种拓扑结构都有自己的优缺点，而高速网络采用的拓扑结构必须满足几个要求：1）节点数量要大，高速运动控制网络要求达到256个节点；2）网络延时小，高速运动控制网络必须保证较高的实时性；3）全双工模式，高速运动控制网络的设计要求全双工方式；4）高可靠性，高速运动控制网络的设计要求通讯的可靠，要求有容错能力；5）成本要低；网络主从节点采用双通道环形连接，一旦一个通道发生通讯中断，立刻启用另一网络通道，保证数据能及时的到达目标节点。这样高速运动控制网络就具有了“自愈”容错能力，具体表现为：在线路中的一段发生故障的事件中，高速运动控制网络硬件在两个伺服周期中重新规定数据线路，这时网络仍然保持连接状态。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。2.5模块功能分析运动控制芯片由数据接收、转换、校验、FIFO及状态控制、指令读取控制、插补模块与输出控制等构成。芯片接收来自主控芯片的四位数据，转化为16位数据后进行16为循环冗余码校验，数据出错，则通过自带的发送功能向主控芯片发出重发请求。反之，存入FIFO供读取控制模块读取。读取控制模块得到控制指令，根据指令类型分别初始化运动参数，驱动圆弧或直线插补模块，送出指令脉冲给相应驱动器。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。2.6 主节点模块设计数据传输中，主控芯片计算数据的16位循环冗余码，一同发至接收端，根据数控系统的运动控制指令结构，数据封包的数据包括圆弧轨迹运动指令与直线轨迹运动指令，对于圆弧轨迹，数据包括轨迹标志0010H、圆弧起点坐标与终点坐标三部分构成，均采用16位数表示。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。主控芯片的功能结构类似于MII接口，根据功能可以划分为发送模块、接收模块、校验模块和缓冲区模块，通过VHDL软件接口映射代码连接各个模块，其基本结构如图2.2。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。图2.2 主节点芯片的逻辑设计第三章 从节点逻辑结构与功能3.1 从节点芯片的逻辑结构数据接收PHY数据转换数据校验FIFOFIFO状态读取控制圆弧插补初始化直线插补输出控制图 3.1从节点芯片的逻辑结构运动控制芯片的逻辑结构运动控制芯片如图3.1由数据接收、转换、校验、FIFO及状态控制、指令读取控制、插补模块与输出控制等构成。芯片接收来自主控芯片的四位数据，转化为16位数据后进行16为循环冗余码校验，数据出错，则通过自带的发送功能向主控芯片发出重发请求。反之，存入FIFO供读取控制模块读取。读取控制模块得到控制指令，根据指令类型分别初始化运动参数，驱动圆弧或直线插补模块，送出指令脉冲给相应驱动器。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。数据接收模块接收数据发送端主控芯片发送的4位数据，经过4-16位数据转换得到有效数据及其校验码，数据无误，送入接收队列FIFO，供运动控制模块读取。与前文所述的Host芯片发送过程相对应，运动控制芯片的数据接收过程也分为两个阶段：接收设置参数与接收数据。如果发送队列FIFO不空，模块根据FIFO的读写指针计算队列中的数据数量（以字为单位），备份FIFO的读写指针，发起始字及其校验码，请求发送，接收端无错误产生，计算数据长度反码作为发送数据的低16位，同时传输数据长度作为发送数据的高16位发至接收端。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。FIFO的参数存储格式为运动