專利名稱：運動控制卡與端子板間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，特別涉及數(shù)控系統(tǒng)運動控制卡控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)及其方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中運動控制卡與端子板之間出現(xiàn)了并行通信和串行通信兩種方式。其中并行通信方式多采用直連，兩者之間沒有通信協(xié)議，只是簡單的端口數(shù)據(jù)輸入輸出。接口方式如圖1所示。此種并行通信方式的設(shè)計簡單，通信速度較快，但不易于擴展，且板卡與端子板之間的連線較多，易受干擾，隨著信號的增加，產(chǎn)品成本較高。隨著制造工藝的提高，芯片速度越來越快，傳輸速度不再是制約數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獑栴}。近年來，工業(yè)自動化控制領(lǐng)域串行通信興起，如CAN總線、485總線、工業(yè)以太網(wǎng)等，使用串行通信方式的設(shè)備層出不窮。CAN總線及工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實時性高，性能較好，但其協(xié)議較為復(fù)雜，開發(fā)成本較高。因此，迫切需要一種低成本、性能好、設(shè)計簡單、可靠性高、易于擴展的新的通信機制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種數(shù)據(jù)通信速度較快、協(xié)議簡單、開發(fā)周期較短、產(chǎn)品性能可靠、集成度較高、擴展性較強、工作性能穩(wěn)定可靠、適用范圍較為廣泛的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)及其方法。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)及其方法如下:該數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)，包括運動控制卡、端子板和數(shù)個擴展端子板，所述的運動控制卡與外部計算機相連接，且所述的運動控制卡、端子板和數(shù)個擴展端子板依次串接，其主要特點是，所述的運動控制卡上承載有主機接口和UART接口，所述的端子板上承載有端子板第一 UART接口和端子板第二 UART接口，所述的各個擴展端子板上均承載有各自的擴展端子板第一 UART接口和擴展端子板第二 UART接口，所述的運動控制卡的主機接口與外部計算機相連接，且該運動控制卡的UART接口與所述的端子板第一 UART接口相連接，所述的端子板第二 UART接口與一擴展端子板上的擴展端子板第一 UART接口相連接，該擴展端子板上的擴展端子板第
二UART接口與其余的擴展端子板依次串接。該數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)中的運動控制卡的主機接口為PCI金手指插條。該數(shù)控系統(tǒng)中 基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)中的UART接口和端子板第一 UART接口均為高速UART接口。該利用上述的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其中包括運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作、端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作，所述的運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作，包括以下步驟:(11)所述的運動控制卡進行初始化配置并設(shè)定定時器中斷；(12)當(dāng)定時器超時時啟動定時器中斷服務(wù)；(13)判斷是否收到外部計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；(14)如果未收到，則發(fā)送重發(fā)幀，并結(jié)束；如果接收到，則判斷CRC校驗是否正確；(15)如果CRC校驗不正確，則發(fā)送重發(fā)幀，并結(jié)束；如果CRC校驗正確，則判斷上
一次通信是否正常；(16)如果不正常，則結(jié)束；如果正常，則讀取緩沖控制寄存器，并進行緩沖控制處理操作；

(17)查找命令幀地址映射表；(18)對命令幀進行打包；(19)設(shè)置重發(fā)幀為命令幀，并發(fā)送至所述的端子板；所述的端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作，包括以下步驟:(21)所述的端子板進行初始化配置并設(shè)置定時器中斷初始化；(22)當(dāng)定時器超時時啟動定時器中斷服務(wù)，將從所述的端子板第一 UART接口所接收到的數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的緩沖區(qū)中；(23)判斷是否已經(jīng)配置數(shù)據(jù)起始幀；(24)如果是，則設(shè)置更新模式有效；(25)判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為OUT數(shù)據(jù)幀；(26)如果是，則設(shè)置正常模式有效；(27)判斷是否為配置模式；(28)如果是，則進行端子板配置操作處理；如果否，則進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)操作處理；(29)將定時器變量清零。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的數(shù)據(jù)幀可以為數(shù)據(jù)起始幀、脈沖數(shù)據(jù)幀、OUT幀或者擴展數(shù)據(jù)幀。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的進行初始化配置并設(shè)定定時器中斷，包括以下步驟:(111)所述的運動控制卡讀取配置數(shù)據(jù)；(112)所述的運動控制卡建立映射表；(113)設(shè)置重發(fā)幀為初始幀；(114)初始化定時器的超時時間；(115)開啟定時器中斷；(116)所述的運動控制卡進行數(shù)據(jù)映射表計算。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的進行緩沖控制處理操作，包括以下步驟:(161)所述的運動控制卡判斷是否有緩沖控制；(162)如果有緩沖控制，則繼續(xù)步驟(163);如果沒有緩沖控制，則繼續(xù)步驟(165);(163)判斷端子板脈沖數(shù)據(jù)幀的FIFO隊列是否滿；(164)如果滿，則發(fā)送OUT幀，并返回上述步驟(17);如果不滿，則發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)幀，并返回上述步驟(17);(165)判斷端子板脈沖數(shù)據(jù)幀的FIFO隊列是否空；(166)如果空，則發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)幀，并返回上述步驟(17);如果不空，則發(fā)送OUT幀，并返回上述步驟(17)。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的端子板進行初始化配置并設(shè)置定時器中斷初始化，包括以下步驟:(211)開啟串口中斷初始化；(212)判斷是否處于更新模式；(213)如果是，則進行配置更新處理操作；(214)如果否，則進行數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理操作。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的進行配置更新處理操作，包括以下步驟:(2131)判斷閃存擦除是否未完成且標(biāo)識ID是本系統(tǒng)；(2132)如果是，則擦除閃存；(2133)判斷是否閃存擦除完成且配置緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)；(2134)如果是，則繼續(xù)步驟(2135);如果否，則繼續(xù)步驟(2137)；(2135)將配置緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到閃存中，再進行讀回并比較是否與緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)是否相同；(2136)如果否，則設(shè)置配置錯誤標(biāo)志有效；(2137)判斷配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址是否是擦除的首地址且配置沒有錯誤；(2138)如果是，則設(shè)置配置完成標(biāo)志有效并返回步驟(22);否則直接返回步驟(22)。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的進行數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理操作，包括以下步驟:(2141)判斷是否中斷超時；(2142)如果否，則取輸出OUT緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入輸出OUT端口，同時讀取輸入IN端口數(shù)據(jù)寫入輸入IN緩沖區(qū)，并繼續(xù)步驟(2144)；(2143)如果是，則進行超時處理，將相應(yīng)的端口關(guān)閉，并繼續(xù)步驟(2144)；(2144)將數(shù)據(jù)寫入到端子板第一 UART接口的發(fā)送緩沖區(qū)；(2145)將數(shù)據(jù)寫入到端子板第二 UART接口的發(fā)送緩沖區(qū)，并返回步驟(22)。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的進行端子板配置操作處理，包括以下步驟:(281)判斷是否為配置數(shù)據(jù)起始幀；(282)如果是，則 繼續(xù)步驟(283);如果否，則繼續(xù)步驟(288)；
(283)初始化變量；(284)將配置信息進行緩存處理；(285)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)；(286)清空所述的端子板第二 UART接口的數(shù)據(jù)；(287)發(fā)送配置數(shù)據(jù)起始幀到所述的端子板第二 UART接口，并返回步驟(29);(288 )將配置信息進行緩存處理；(289)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)；(2810)判斷是否配置數(shù)據(jù)；(2811)如果是，則配置數(shù)據(jù)緩沖標(biāo)志有效；(2812)接收所述的端子板第二 UART接口的數(shù)據(jù)；(2813)判斷是否數(shù)據(jù)接收成功且與下行通信的CRC校驗標(biāo)志位有效且配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)有效；(2814)如果否，則繼續(xù)步驟(2817);如果是，則判斷上一幀數(shù)據(jù)是配置數(shù)據(jù)起始幀或者擦除標(biāo)志完成，且上一幀數(shù)據(jù)下行系統(tǒng)已經(jīng)接收到；(2815)如 果是，則繼續(xù)步驟(2816);如果否，則繼續(xù)步驟(2817)；(2816)發(fā)送配置數(shù)據(jù)幀至所述的端子板第二 UART接口，并返回步驟(29);(2817)發(fā)送重發(fā)幀至所述的端子板第二 UART接口，并返回步驟(29)。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)操作處理，包括以下步驟:(291)判斷是否為數(shù)據(jù)起始幀；(292)如果是，則繼續(xù)步驟(293);如果否，則繼續(xù)步驟(295)；(293)將端子板的信息數(shù)據(jù)進行緩存處理；(294)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)，并繼續(xù)步驟(2911)；(295)判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有效；(296)如果是，則繼續(xù)步驟(297);如果否，則繼續(xù)步驟(299)；(297)回復(fù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至所述的端子板第一 UART接口 ；(298)清除發(fā)送緩沖區(qū)有效標(biāo)志，并繼續(xù)步驟(2911)；(299)將端子板輸入IN數(shù)據(jù)進行緩存處理；(2910)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)，并繼續(xù)步驟(2911)；(2911)判斷是否成功接收所述的端子板第一 UART接口的數(shù)據(jù)且CRC校驗標(biāo)志位有效；(2912)如果是，則繼續(xù)步驟(2913);如果否，則繼續(xù)步驟(2917)；(2913)清除錯誤計數(shù) ErrCnt ；(2914)判斷退出報警EXT_ALARM標(biāo)志是否有效；(2915)如果是，則繼續(xù)步驟(2921);如果否，則回復(fù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至所述的端子板第一 UART接口 ；(2916)清除發(fā)送緩沖區(qū)有效標(biāo)志，并返回上述步驟(29)；(2917)判斷錯誤計數(shù)ErrCnt是否小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最大錯誤數(shù)；(2918)如果否，則繼續(xù)步驟(2921);如果是，則繼續(xù)步驟(2919)；
(2919)將錯誤計數(shù)ErrCnt增加I ;(2920)將重發(fā)幀回復(fù)至所述的端子板第一 UART接口，并返回上述步驟(29)；(2921)將數(shù)據(jù)起始幀回復(fù)至所述的端子板第一 UART接口，并返回上述步驟(29)。該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的最大錯誤數(shù)為100。采用了該發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)及其方法，由于其中采用串行差分通信方式與端子板之間進行數(shù)據(jù)傳輸，端子板與端子板之間采用級聯(lián)的方式進行端子板擴展，并采用DB9芯線連接，連線較少，成本較低，而且采用xilinx spantar6系列的FPGA芯片，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理以及通信協(xié)議實現(xiàn)均由FPGA完成，集成度較高，數(shù)據(jù)幀采用16字節(jié)等長數(shù)據(jù)幀傳輸，攜帶CRC等校驗信息，具有重發(fā)機制，保證了數(shù)據(jù)的有效、可靠傳輸，性能好，設(shè)計簡單，可靠性高，易于擴展，工作性能穩(wěn)定可靠、適用范圍較為廣泛。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的運動控制卡與端子板之間的通信接口方式示意圖。圖2為本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)的整體示意圖。圖3為本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)中的運動控制卡功能 架構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)中的端子板功能架構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)中的運動控制卡電路布局結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)中的端子板電路布局結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的運動控制卡中的FPGA邏輯功能模塊框圖。圖9為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的端子板中的FPGA邏輯功能模塊框圖。圖10為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議示意圖。圖11為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的運動控制卡與端子板通信過程示意圖。圖12為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的運動控制卡進行初始化配置并設(shè)定定時器中斷流程圖。圖13為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作過程中的中斷服務(wù)程序處理流程圖。圖14為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的端子板進行初始化配置并設(shè)置定時器中斷初始化流程圖。圖15為本發(fā)明的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作過程中的中斷服務(wù)程序處理流程圖。
具體實施例方式為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實施例詳細說明。請參閱圖2至圖7所示，該數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)，包括運動控制卡、端子板和數(shù)個擴展端子板，所述的運動控制卡與外部計算機相連接，且所述的運動控制卡、端子板和數(shù)個擴展端子板依次串接，其中所述的運動控制卡上承載有主機接口和UART接口，所述的端子板上承載有端子板第一 UART接口和端子板第二 UART接口，所述的各個擴展端子板上均承載有各自的擴展端子板第一UART接口和擴展端子 板第二 UART接口，所述的運動控制卡的主機接口與外部計算機相連接，且該運動控制卡的UART接口與所述的端子板第一 UART接口相連接，所述的端子板第二UART接口與一擴展端子板上的擴展端子板第一 UART接口相連接，該擴展端子板上的擴展端子板第二 UART接口與其余的擴展端子板依次串接。其中，所述的運動控制卡的主機接口為PCI金手指插條，所述的UART接口和端子板第一 UART接口均為高速UART接口。再請參閱圖8至圖15所示，該利用上述的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其中包括運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作、端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作，所述的運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作，包括以下步驟:(11)所述的運動控制卡進行初始化配置并設(shè)定定時器中斷，包括以下步驟:(a)所述的運動控制卡讀取配置數(shù)據(jù)；(b)所述的運動控制卡建立映射表；(c)設(shè)置重發(fā)幀為初始幀；(d)初始化定時器的超時時間；(e)開啟定時器中斷；(f)所述的運動控制卡進行數(shù)據(jù)映射表計算；(12)當(dāng)定時器超時時啟動定時器中斷服務(wù)；(13)判斷是否收到外部計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；該數(shù)據(jù)幀可以為數(shù)據(jù)起始幀、脈沖數(shù)據(jù)幀、OUT幀或者擴展數(shù)據(jù)幀；(14)如果未收到，則發(fā)送重發(fā)幀，并結(jié)束；如果接收到，則判斷CRC校驗是否正確；(15)如果CRC校驗不正確，則發(fā)送重發(fā)幀，并結(jié)束；如果CRC校驗正確，則判斷上
一次通信是否正常；(16)如果不正常，則結(jié)束；如果正常，則讀取緩沖控制寄存器，并進行緩沖控制處理操作；該進行緩沖控制處理操作，包括以下步驟:
(a)所述的運動控制卡判斷是否有緩沖控制；(b)如果有緩沖控制，則繼續(xù)步驟(C);如果沒有緩沖控制，則繼續(xù)步驟(e)；(c)判斷端子板脈沖數(shù)據(jù)幀的FIFO隊列是否滿；(d)如果滿，則發(fā)送OUT幀，并返回步驟(17);如果不滿，則發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)幀，并返回步驟(17)；(e)判斷端子板脈沖數(shù)據(jù)幀的FIFO隊列是否空；(f)如果空，則發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)幀，并返回步驟(17);如果不空，則發(fā)送OUT幀，并返回步驟(17)；(17)查找命令幀地址映射表；( 18)對命令幀進行打包；(19)設(shè)置重發(fā)幀為命令幀，并發(fā)送至所述的端子板；

所述的端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作，包括以下步驟:(21)所述的端子板進行初始化配置并設(shè)置定時器中斷初始化，包括以下步驟:(a)開啟串口中斷初始化；(b)判斷是否處于更新模式；(c)如果是，則進行配置更新處理操作，包括以下步驟:(i)判斷閃存擦除是否未完成且標(biāo)識ID是本系統(tǒng)；(ii)如果是，則擦除閃存；(iii)判斷是否閃存擦除完成且配置緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)；(iv)如果是,則繼續(xù)步驟(V);如果否,則繼續(xù)步驟(vii)；(V)將配置緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到閃存中，再進行讀回并比較是否與緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)是否相同；(Vi)如果否，則設(shè)置配置錯誤標(biāo)志有效；(vii)判斷配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址是否是擦除的首地址且配置沒有錯誤；(viii)如果是，則設(shè)置配置完成標(biāo)志有效并返回步驟(22);否則直接返回步驟
(22)；(d)如果否，則進行數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理操作，包括以下步驟:(i)判斷是否中斷超時；(ii)如果否，則取輸出OUT緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入輸出OUT端口，同時讀取輸入IN端口數(shù)據(jù)寫入輸入IN緩沖區(qū)，并繼續(xù)步驟(iv)；(iii)如果是，則進行超時處理，將相應(yīng)的端口關(guān)閉，并繼續(xù)步驟(iv)；(iv)將數(shù)據(jù)寫入到端子板第一 UART接口的發(fā)送緩沖區(qū)；(V)將數(shù)據(jù)寫入到端子板第二 UART接口的發(fā)送緩沖區(qū)，并返回步驟(22);(22)當(dāng)定時器超時時啟動定時器中斷服務(wù)，將從所述的端子板第一 UART接口所接收到的數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的緩沖區(qū)中；(23)判斷是否已經(jīng)配置數(shù)據(jù)起始幀；(24)如果是，則設(shè)置更新模式有效；(25)判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為OUT數(shù)據(jù)幀；(26)如果是，則設(shè)置正常模式有效；
(27)判斷是否為配置模式；(28)如果是，則進行端子板配置操作處理；如果否，則進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)操作處理；該進行端子板配置操作處理，包括以下步驟:(i)判斷是否為配置數(shù)據(jù)起始幀；(ii)如果是，則繼續(xù)步驟(iii);如果否，則繼續(xù)步驟(viii)；(iii)初始化變量；(iv)將配置信息進行緩存處理；(V)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)；(Vi)清空所述的端子板第二 UART接口的數(shù)據(jù)；(vii)發(fā)送配置數(shù)據(jù)起始幀到所述 的端子板第二 UART接口，并返回步驟(29);(viii)將配置信息進行緩存處理；(ix)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)；(X)判斷是否配置數(shù)據(jù)；(Xi)如果是，則配置數(shù)據(jù)緩沖標(biāo)志有效；(Xii)接收所述的端子板第二 UART接口的數(shù)據(jù)；(Xiii)判斷是否數(shù)據(jù)接收成功且與下行通信的CRC校驗標(biāo)志位有效且配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)有效；(xiv)如果否，則繼續(xù)步驟(xvii);如果是，則判斷上一幀數(shù)據(jù)是配置數(shù)據(jù)起始幀或者擦除標(biāo)志完成，且上一幀數(shù)據(jù)下行系統(tǒng)已經(jīng)接收到；(XV)如果是,則繼續(xù)步驟(xvi);如果否,則繼續(xù)步驟(xvii)；(xvi)發(fā)送配置數(shù)據(jù)幀至所述的端子板第二 UART接口，并返回步驟(29);(xvii)發(fā)送重發(fā)幀至所述的端子板第二 UART接口，并返回步驟(29);該進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)操作處理，包括以下步驟:(I)判斷是否為數(shù)據(jù)起始幀；(II)如果是，則繼續(xù)步驟(III);如果否，則繼續(xù)步驟(V)；(III)將端子板的信息數(shù)據(jù)進行緩存處理；(IV)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)，并繼續(xù)步驟(XI)；(V)判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有效；(VI)如果是，則繼續(xù)步驟(VII);如果否，則繼續(xù)步驟(IX)；(VII)回復(fù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至所述的端子板第一 UART接口 ；(VIII)清除發(fā)送緩沖區(qū)有效標(biāo)志，并繼續(xù)步驟(XI)；(IX)將端子板輸入IN數(shù)據(jù)進行緩存處理；(X)向所述的端子板第一 UART接口進行應(yīng)答回復(fù)，并繼續(xù)步驟(XI)；(XI)判斷是否成功接收所述的端子板第一 UART接口的數(shù)據(jù)且CRC校驗標(biāo)志位有效；(XII)如果是，則繼續(xù)步驟(XIII);如果否，則繼續(xù)步驟(XVII)；(XIII)清除錯誤計數(shù) ErrCnt ；(XIV)判斷退出報警EXT_ALARM標(biāo)志是否有效；(XV)如果是，則繼續(xù)步驟(XXI);如果否，則回復(fù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至所述的端子板第一 UART 接口 ；(XVI)清除發(fā)送緩沖區(qū)有效標(biāo)志，并返回上述步驟(29)；(XVII)判斷錯誤計數(shù)ErrCnt是否小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最大錯誤數(shù)；該實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法中的最大錯誤數(shù)為100 ；(XVIII)如果否，則繼續(xù)步驟(XXI);如果是，則繼續(xù)步驟(XIV)；(XIX)將錯誤計數(shù)ErrCnt增加I ;(XX)將重發(fā)幀回復(fù)至所述的端子板第一 UART接口，并返回上述步驟(29)；(XXI)將數(shù)據(jù)起始幀回復(fù)至所述的端子板第一 UART接口，并返回上述步驟(29)。
(29)將定時器變量清零。在實際使用當(dāng)中，本發(fā)明的整個系統(tǒng)采用DB9芯線連接，連線較少，成本較低。其中采用xilinx spantar6系列的FPGA芯片，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理以及通信協(xié)議實現(xiàn)均由FPGA完成，集成度較高。請再參閱圖5所示，各端子板之間采用級聯(lián)方式進行擴展，采用差分串行總線通信，以數(shù)據(jù)幀的方式進行傳輸。再請參閱圖8所示，其為運動控制卡FPGA邏輯功能模塊框圖，其中，Uart IP負責(zé)建立microblaze處理器與PC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸以及建立控制卡與端子板之間的數(shù)據(jù)傳輸，Timer IP實現(xiàn)定時中斷。整個架構(gòu)設(shè)計簡單，占用資源較少，易于實現(xiàn)。再請參閱圖9所示，其為端子板FPGA邏輯功能模塊框圖，其中，架構(gòu)與運動控制卡架構(gòu)相同，比運動控制卡多一個Uart IP0Uart IP O負責(zé)接收運動控制卡的數(shù)據(jù)傳輸,UartIP I負責(zé)下行擴展端子板的數(shù)據(jù)通信。與運動控制卡不同的是，運動控制卡采用定時中斷，而端子板采樣Uart IP的接收中斷，所有的數(shù)據(jù)傳輸均有控制卡發(fā)起，端子板負責(zé)接收并作出相應(yīng)的響應(yīng)。本發(fā)明的方法中所采用的數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議請見圖10所示，其中，數(shù)據(jù)幀采用16字節(jié)等長數(shù)據(jù)幀傳輸，攜帶CRC等校驗信息，具有重發(fā)機制，保證數(shù)據(jù)的有效、可靠傳輸。控制卡和端子板均采用4層板布局布線，具有較強的抗干擾能力。運動控制卡和端子板中均使用軟核處理器microblaze負責(zé)通信和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，代碼使用C語言編寫，其通信過程請參閱圖11所示。其中，每塊端子板應(yīng)用程序中主動管理自己的本身1/0，中斷服務(wù)程序負責(zé)上下行通信。中斷服務(wù)程序先接收來自上行串行端口的數(shù)據(jù)，將其寫入共享內(nèi)存區(qū)域，然后根據(jù)幀格式從內(nèi)存中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)作為響應(yīng)幀回復(fù)上行端口 ；再接著接收下行串行端口的數(shù)據(jù)，寫入共享內(nèi)存區(qū)域，然后從共享區(qū)域內(nèi)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到下行串行端口，中斷服務(wù)程序結(jié)束。數(shù)據(jù)傳輸采用IOMHz串口傳輸速率，以16字節(jié)數(shù)據(jù)幀的形式傳輸，既保證了加工
要求，又能保證較高的數(shù)據(jù)通信周期，其數(shù)據(jù)幀格式 如下表所示:
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)，包括運動控制卡、端子板和數(shù)個擴展端子板，所述的運動控制卡與外部計算機相連接，且所述的運動控制卡、端子板和數(shù)個擴展端子板依次串接，其特征在于，所述的運動控制卡上承載有主機接口和UART接口，所述的端子板上承載有端子板第一 UART接口和端子板第二 UART接口，所述的各個擴展端子板上均承載有各自的擴展端子板第一 UART接口和擴展端子板第二 UART接口，所述的運動控制卡的主機接口與外部計算機相連接，且該運動控制卡的UART接口與所述的端子板第一 UART接口相連接，所述的端子板第二 UART接口與一擴展端子板上的擴展端子板第一 UART接口相連接，該擴展端子板上的擴展端子板第二UART接口與其余的擴展端子板依次串接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的運動控制卡的主機接口為PCI金手指插條。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的UART接口和端子板第一 UART接口均為高速UART 接口。
4.一種利用權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的方法包括運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作、端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作，所述的運動控制卡進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理操作，包括以下步驟: (11)所述的運動控制卡進行初始化配置并設(shè)定定時器中斷； (12)當(dāng)定時器超時時啟動定時器中斷服務(wù)； (13)判斷是否收到外部計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀； (14)如果未收到，則發(fā) 送重發(fā)幀，并結(jié)束；如果接收到，則判斷CRC校驗是否正確； (15)如果CRC校驗不正確，則發(fā)送重發(fā)幀，并結(jié)束；如果CRC校驗正確，則判斷上一次通 目是否正常； (16)如果不正常，則結(jié)束；如果正常，則讀取緩沖控制寄存器，并進行緩沖控制處理操作； (17)查找命令幀地址映射表； (18)對命令巾貞進行打包； (19)設(shè)置重發(fā)幀為命令幀，并發(fā)送至所述的端子板； 所述的端子板進行數(shù)據(jù)接收響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理操作，包括以下步驟: (21)所述的端子板進行初始化配置并設(shè)置定時器中斷初始化； (22)當(dāng)定時器超時時啟動定時器中斷服務(wù)，將從所述的端子板第一UART接口所接收到的數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的緩沖區(qū)中； (23)判斷是否已經(jīng)配置數(shù)據(jù)起始幀； (24)如果是，則設(shè)置更新模式有效； (25)判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為OUT數(shù)據(jù)幀； (26)如果是，則設(shè)置正常模式有效； (27)判斷是否為配置模式； (28)如果是，則進行端子板配置操作處理；如果否，則進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)操作處理；(29)將定時器變量清零。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)幀為數(shù)據(jù)起始幀、脈沖數(shù)據(jù)幀、OUT幀或者擴展數(shù)據(jù)幀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的進行初始化配置并設(shè)定定時器中斷，包括以下步驟: (111)所述的運動控制卡讀取配置數(shù)據(jù)； (112)所述的運動控制卡建立映射表； (113)設(shè)置重發(fā)幀為初始幀； (114)初始化定時器的超時時間； (115)開啟定時器中斷； (116)所述的運動控制卡進行數(shù)據(jù)映射表計算。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的進行緩沖控制處理操作，包括以下步驟: (161)所述的運動控制卡判斷是否有緩沖控制； (162)如果有緩沖控制，則繼續(xù)步驟(163);如果沒有緩沖控制，則繼續(xù)步驟(165)； (163)判斷端子板脈沖數(shù)據(jù)幀的FIFO隊列是否滿； (164)如果滿，則發(fā)送OUT幀，并返回上述步驟(17);如果不滿，則發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)幀，并返回上述步驟(17)； (165)判斷端子板脈沖數(shù)據(jù)幀的FIFO隊列是否空； (166)如果空，則發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)幀，并返回上述步驟(17);如果不空，則發(fā)送OUT幀，并返回上述步驟(17)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的端子板進行初始化配置并設(shè)置定時器中斷初始化，包括以下步驟: (211)開啟串口中斷初始化； (212)判斷是否處于更新模式； (213)如果是，則進行配置更新處理操作； (214)如果否，則進行數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的進行配置更新處理操作，包括以下步驟: (2131)判斷閃存擦除是否未完成且標(biāo)識ID是本系統(tǒng)； (2132)如果是，則擦除閃存； (2133)判斷是否閃存擦除完成且配置緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)； (2134)如果是，則繼續(xù)步驟(2135);如果否，則繼續(xù)步驟(2137)； (2135)將配置緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到閃存中，再進行讀回并比較是否與緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)是否相同； (2136)如果否，則設(shè)置配置錯誤標(biāo)志有效；(2137)判斷配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址是否是擦除的首地址且配置沒有錯誤； (2138)如果是，則設(shè)置配置完成標(biāo)志有效并返回步驟(22);否則直接返回步驟(22)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的進行數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)發(fā)處理操作，包括以下步驟: (2141)判斷是否中斷超時； (2142)如果否，則取輸出OUT緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入輸出OUT端口，同時讀取輸入IN端口數(shù)據(jù)寫入輸入IN緩沖區(qū)，并繼續(xù)步驟(2144)； (2143)如果是，則進行超時處理，將相應(yīng)的端口關(guān)閉，并繼續(xù)步驟(2144)； (2144)將數(shù)據(jù)寫入到端子板第一UART接口的發(fā)送緩沖區(qū)； (2145)將數(shù)據(jù)寫入到端子板第二UART接口的發(fā)送緩沖區(qū)，并返回步驟(22)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng) 中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的進行端子板配置操作處理，包括以下步驟: (281)判斷是否為配置數(shù)據(jù)起始幀； (282)如果是，則繼續(xù)步驟(283);如果否，則繼續(xù)步驟(288)； (283)初始化變量； (284)將配置信息進行緩存處理； (285)向所述的端子板第一UART接口進行應(yīng)答回復(fù)； (286)清空所述的端子板第二UART接口的數(shù)據(jù)； (287)發(fā)送配置數(shù)據(jù)起始幀到所述的端子板第二UART接口，并返回步驟(29)； (288)將配置信息進行緩存處理； (289)向所述的端子板第一UART接口進行應(yīng)答回復(fù)； (2810)判斷是否配置數(shù)據(jù)； (2811)如果是，則配置數(shù)據(jù)緩沖標(biāo)志有效； (2812)接收所述的端子板第二UART接口的數(shù)據(jù)； (2813)判斷是否數(shù)據(jù)接收成功且與下行通信的CRC校驗標(biāo)志位有效且配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)有效； (2814)如果否，則繼續(xù)步驟(2817);如果是，則判斷上一幀數(shù)據(jù)是配置數(shù)據(jù)起始幀或者擦除標(biāo)志完成，且上一幀數(shù)據(jù)下行系統(tǒng)已經(jīng)接收到； (2815)如果是，則繼續(xù)步驟(2816);如果否，則繼續(xù)步驟(2817)； (2816)發(fā)送配置數(shù)據(jù)幀至所述的端子板第二UART接口，并返回步驟(29)； (2817)發(fā)送重發(fā)幀至所述的端子板第二UART接口，并返回步驟(29)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的進行數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)操作處理，包括以下步驟: (291)判斷是否為數(shù)據(jù)起始幀； (292)如果是，則繼續(xù)步驟(293);如果否，則繼續(xù)步驟(295)； (293)將端子板的信息數(shù)據(jù)進行緩存處理； (294)向所述的端子板第一UART接口進行應(yīng)答回復(fù)，并繼續(xù)步驟(2911)； (295)判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有效；(296)如果是，則繼續(xù)步驟(297);如果否，則繼續(xù)步驟(299)； (297)回復(fù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至所述的端子板第一UART接口 ； (298)清除發(fā)送緩沖區(qū)有效標(biāo)志，并繼續(xù)步驟(2911)； (299)將端子板輸入IN數(shù)據(jù)進行緩存處理； (2910)向所述的端子板第一UART接口進行應(yīng)答回復(fù)，并繼續(xù)步驟(2911)；(2911)判斷是否成功接收所述的端子板第一UART接口的數(shù)據(jù)且CRC校驗標(biāo)志位有效； (2912)如果是，則繼續(xù)步驟(2913);如果否，則繼續(xù)步驟(2917)； (2913)清除錯誤計數(shù)ErrCnt； (2914)判斷退出報警EXT_ALARM標(biāo)志是否有效； (2915)如果是，則繼續(xù)步驟(2921);如果否，則回復(fù)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至所述的端子板第一UART 接口 ； (2916)清除發(fā)送緩沖區(qū)有效標(biāo)志， 并返回上述步驟(29)； (2917)判斷錯誤計數(shù)ErrCnt是否小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最大錯誤數(shù)； (2918)如果否，則繼續(xù)步驟(2921);如果是，則繼續(xù)步驟(2919)； (2919)將錯誤計數(shù)ErrCnt增加I; (2920)將重發(fā)幀回復(fù)至所述的端子板第一UART接口，并返回上述步驟(29)；(2921)將數(shù)據(jù)起始幀回復(fù)至所述的端子板第一UART接口，并返回上述步驟(29)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中基于異步串行總線進行運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，所述的最大錯誤數(shù)為100。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種運動控制卡與端子板間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)，運動控制卡的主機接口與外部計算機連接，運動控制卡的UART接口與端子板第一UART接口連接，端子板第二UART接口與一擴展端子板上的擴展端子板第一UART接口連接，擴展端子板上的擴展端子板第二UART接口與其余的擴展端子板依次串接。本發(fā)明還涉及一種利用該電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的方法。采用該種運動控制卡與端子板之間數(shù)據(jù)通信的電路結(jié)構(gòu)及方法，連線較少，成本較低，數(shù)據(jù)處理以及通信協(xié)議實現(xiàn)集成度較高，采用等長數(shù)據(jù)幀傳輸，攜帶校驗信息，具有重發(fā)機制，數(shù)據(jù)傳輸有效可靠，性能好，設(shè)計簡單，可靠性高，易于擴展，工作性能穩(wěn)定可靠、適用范圍較為廣泛。
文檔編號G05B19/042GK103235533SQ20131009867
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者王少陽, 鄧美龍, 汪定軍, 湯同奎, 鄭之開 申請人:上海維宏電子科技股份有限公司