專利名稱：數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)、耦合器及通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)、耦合器及通信方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控聯(lián)盟總線(NumericalControl Union of China Field Bus,NCUC_Bus)標準，是中國機床工具工業(yè)協(xié)會《機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus協(xié)議規(guī)范》的簡稱。NCUC-Bus耦合器是專門為包含運動控制的工業(yè)自動化控制過程制定的基于IOOMbps以上的工業(yè)以太網(wǎng)通信多端口轉(zhuǎn)發(fā)器。高端機床產(chǎn)業(yè)對各個通信節(jié)點實時性和同步性的要求很高，我國NCUC-Bus標準充分體現(xiàn)了這一需求。在高端機床生產(chǎn)領(lǐng)域，實現(xiàn)強實時通信和高精度時鐘強同步一直是 兩個關(guān)鍵的技術(shù)問題。由于NCUC-Bus網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)上的特點，使得一般耦合器在進行通信時，不能充分實現(xiàn)強同步和強實時性的性能，其原因主要如下述
根據(jù)NCUC-Bus標準關(guān)于物理層的規(guī)定，NCUC-Bus網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備由主站和從站組成。主站為網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起通信的設(shè)備，在該網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個。除主站外，其他接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都是從站。每個設(shè)備都具有兩個通信接口(如RJ-45網(wǎng)口等)。NCUC-Bus網(wǎng)絡(luò)支持的物理拓撲結(jié)構(gòu)一般可為雙環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形NCUC-Bus網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)幀若要從主站發(fā)送到從站n，需要從主站依次經(jīng)過從站I、從站2……從站n-Ι到達從站n，因此，從站越多，數(shù)據(jù)幀從主站發(fā)出到目標從站所經(jīng)歷的時間越長，環(huán)路數(shù)據(jù)延遲越大，大大地限制了實時性。另外，NCUC-Bus耦合器處理從主站到從站或從從站到主站的數(shù)據(jù)幀時，均由其軟件處理模組進行軟件交換處理，而本身軟件交換就存在實時性較差的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)、耦合器及通信方法，以增強數(shù)控應(yīng)用中數(shù)據(jù)幀處理的實時性能，提高工作效率。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提出了一種基于數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)的通信方法，所述系統(tǒng)包括主站、從站，以及連接所述主站及從站形成網(wǎng)絡(luò)的耦合器，所述耦合器設(shè)置有軟件處理模組及硬件處理模組，所述方法包括
獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信
息；
根據(jù)所述指示信息指示的類型，選擇所述軟件處理模組或硬件處理模組進行所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例還提供了一種數(shù)控聯(lián)盟總線耦合器，其連接有主站及從站，包括
收發(fā)模塊，用于從所述主站或從站獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息；處理模塊，包括軟件處理模組及硬件處理模組，用于根據(jù)所述指示信息指示的類型，選擇所述軟件處理模組或硬件處理模組進行所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例還提供了一種數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)，包括主站，以及從站，所述系統(tǒng)還包括上述連接所述主站及從站形成網(wǎng)絡(luò)的耦合器。本發(fā)明實施例的有益效果是
通過提供一種數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)、耦合器及通信方法，首先獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息；然后根據(jù)指示信息指示的類型，選擇軟件處理模組或硬件處理模組進行當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理，這樣，耦合器采取軟硬件協(xié)同處理的方法，針對NCUC-Bus規(guī)范中不同類型的數(shù)據(jù)幀采取差異化的處理手段，對于強實時性要求的數(shù)據(jù)幀采用硬件內(nèi)核處理轉(zhuǎn)發(fā)，對于對實時性要求不高的數(shù)據(jù)幀采用軟件內(nèi)核處理轉(zhuǎn)發(fā)，最大化提高了現(xiàn)場總線的強實時性，使環(huán)形鏈路中從站數(shù)量與數(shù)據(jù)幀環(huán)路傳輸延遲之間的相關(guān)性大大減弱，從站的增加幾乎不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的傳輸延遲增加。
圖I是本發(fā)明實施例的NCUC-Bus系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明實施例的耦合器103的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明實施例的基于NCUC-Bus系統(tǒng)的通信方法的流程圖。圖4是本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明實施例的主站與從站MAC地址分配示意圖。圖6是本發(fā)明實施例的耦合器處理總線配置幀的示意圖。圖7是本發(fā)明實施例的耦合器處理單播幀、無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀及需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀的示意圖。圖8是本發(fā)明實施例的耦合器處理配置反饋數(shù)據(jù)幀的示意圖。圖9是本發(fā)明實施例的耦合器處理單播反饋幀、無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀及需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀的示意圖。圖10是本發(fā)明實施例的耦合器103的結(jié)構(gòu)圖。圖11是本發(fā)明實施例的耦合器103的處理模塊202的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖I所示，本發(fā)明實施例的NCUC-Bus系統(tǒng)主要包括主站101、從站102，以及連接主站101及從站102形成網(wǎng)絡(luò)的耦合器103，其中，耦合器103具體包括如圖2所示的結(jié)構(gòu)
收發(fā)模塊201，用于從主站101或從站102獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息；
處理模塊202，包括軟件處理模組及硬件處理模組，用于根據(jù)指示信息指示的類型，選擇軟件處理模組或硬件處理模組進行當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。如圖3所示，本發(fā)明實施例的基于NCUC-Bus系統(tǒng)的通信方法主要包括301,獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀,當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息； 302，根據(jù)指示信息指示的類型，選擇軟件處理模組或硬件處理模組進行當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。針對不同類型數(shù)據(jù)幀，上述方法中步驟302中首先由硬件處理模組根據(jù)指示信息判斷數(shù)據(jù)幀的類型，再根據(jù)不同的數(shù)據(jù)幀的類型，進行不同處理，具體如下
如圖4所示，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一般由幀頭(Head)、CM-ID命令字段、數(shù)據(jù)區(qū)及循環(huán)冗余校驗碼(Cyclic Redundancy Check, CRC)校驗組成,稱合器103對數(shù)據(jù)巾貞應(yīng)用層的分析是通過上述CM-ID命令字段實現(xiàn)的。為實現(xiàn)本發(fā)明實施例的耦合器的透明嵌入，即在不對主站及從站產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀處理流程變化及性能影響的前提下，我們利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)幀中CM-ID命令字段作為用于區(qū)分數(shù)據(jù)幀類型的指示信息，而依照CM-ID命令字段的不同，數(shù)據(jù)幀可分為總線配置幀、單播幀、無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀及需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀(簡稱“火車幀”)，例如，CM-ID命令字段為AOlO或A0120時，數(shù)據(jù)幀為總線配置幀；CM_ID命令字段為 0210,0220,0230或0240時，數(shù)據(jù)幀為單播幀；CM_ID命令字段為A030、A040、A050、A060或AOfO時，數(shù)據(jù)幀為無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀；CM-ID命令字段為04XX時，數(shù)據(jù)幀為需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀。耦合器的硬件處理模組通過識別數(shù)據(jù)幀CM-ID命令字段，從而可判別數(shù)據(jù)幀的類型，從而進行如下的不同處理
(一)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為主站發(fā)送的總線配置幀時，硬件處理模組接收到指示信息(即CM-ID命令字段)后立即中斷轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀后，將控制權(quán)交給軟件處理模組，軟件處理模組構(gòu)建配置命令數(shù)據(jù)幀并向各從站依次發(fā)送配置命令數(shù)據(jù)幀以定義從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置。系統(tǒng)在啟動后，雖然物理上網(wǎng)絡(luò)電氣接口已經(jīng)完成連接，但所有NCUC-Bus從站處于不可控狀態(tài)，即耦合器還未能獲知從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置，主站也未能獲知網(wǎng)絡(luò)中接入從站的數(shù)量、種類以及連接次序等。接著，主站任意選擇一個以太網(wǎng)物理層端口發(fā)送總線配置幀，該總線配置幀中攜帶的CM-ID命令字段為AOlO或A0120，該總線配置幀要求各從站根據(jù)主站的地址逐次加I作為設(shè)備自身的地址，主站及從站的地址指示主站或從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置，一般用介質(zhì)訪問控制(Media Access Control, MAC)地址表示，如圖5所示。耦合器對主站發(fā)送來的總線配置幀采取“立即轉(zhuǎn)發(fā)，分析截斷”的策略，首先進行以太網(wǎng)物理層(PHY)的初始化，之后，硬件處理模組接收到總線配置幀(RXD)時，無需等待接收完整的總線配置幀，只要接收到CM-ID命令字段后，如圖6所示，立即發(fā)送控制信號(Ctrl)中斷總線配置幀的轉(zhuǎn)發(fā)過程，同時將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)處理的控制權(quán)交給軟件處理模組，從站未完整接收的總線配置幀將被丟棄，軟件處理模組將構(gòu)建配置命令數(shù)據(jù)幀并順序依次向各個網(wǎng)口發(fā)送該配置命令數(shù)據(jù)幀(TXD )。(二)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為主站發(fā)送的攜帶有目標從站地址信息的單播幀時，硬件處理模組直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目標從站，以觸發(fā)目標從站進行單播幀的數(shù)據(jù)更新。(三)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為主站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，硬件處理模組直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各從站。(四)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為主站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，硬件處理模組直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各從站。
上述第(二)、(三)及(四)的處理可如圖7所示。(五)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為從站發(fā)送的配置反饋數(shù)據(jù)幀且當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置的地址信息(MAC地址)以及網(wǎng)口信息時，硬件處理模組將控制權(quán)交給軟件處理模組，軟件處理模組以地址信息及網(wǎng)口信息更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站或下一從站。結(jié)合上述(一)的處理，耦合器中的硬件處理模組根據(jù)從從站返回的配置反饋數(shù)據(jù)幀中攜帶的用于指示從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置的地址信息(MAC地址)以及網(wǎng)口信息等，更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，從而使耦合器獲知從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置，主站也能獲知網(wǎng)絡(luò)中接入從站的數(shù)量、種類以及連接次序等。例如，軟件處理模組先向網(wǎng)口 O發(fā)送第一配置命令數(shù)據(jù)幀，根據(jù)網(wǎng)口 O返回的第一配置反饋數(shù)據(jù)幀確定網(wǎng)口 O上連接從站的數(shù)量和方式，進而更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，然后，軟件處理模組向網(wǎng)口 I發(fā)送更新后的第二配置命令數(shù)據(jù)幀，根據(jù)網(wǎng)口I返回的第二配置反饋數(shù)據(jù)幀確定網(wǎng)口 I上連接從站的數(shù)量和方式，再更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，以此類推，直至耦合器所有網(wǎng)口上的從站連接情況得到配置，最終設(shè)置網(wǎng)絡(luò)整體參數(shù)，并將最后一次更新的配置反饋數(shù)據(jù)幀通過主站連接的網(wǎng)口發(fā)送至主站，如圖8所示，圖中 Ctrl_s表示選擇發(fā)送配置反饋數(shù)據(jù)幀到從站還是主站。(六)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為目標從站發(fā)送的攜帶有目標從站的地址信息的單播反饋幀且當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有目標從站的更新數(shù)據(jù)時，硬件處理模組直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站以通知主站目標從站已進行數(shù)據(jù)更新，主站即可獲得該更新的數(shù)據(jù)并進行后續(xù)處理。(七)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為從站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，硬件處理模組判斷是否從各從站均已接收到當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站。(A)當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型為從站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，硬件處理模組判斷是否從各從站均已接收到當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則根據(jù)所保存的配置信息構(gòu)建攜帶有各從站的更新數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)幀，并將新數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站。上述第(六)、(七)及(八)的處理可如圖9所示。需要說明的有如下幾點
I、硬件處理模組根據(jù)指示信息判斷數(shù)據(jù)幀的類型中，指示信息可以為除CM-ID命令字段之外的其他字段，如自定義字段等，那此時主站及從站的處理將隨之有一定變化，但仍然能夠達到本發(fā)明所稱的強實時性的效果。2、作為其他實施方式，除總線配置幀及配置反饋數(shù)據(jù)幀的處理轉(zhuǎn)發(fā)由軟件處理模組實現(xiàn)之外，其他單播幀、單播反饋幀、無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀、無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀、需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀及需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀中一個或多個可采用硬件處理模組進行處理轉(zhuǎn)發(fā)，仍然能在實時性方面表現(xiàn)出優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的效果。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例的NCUC-Bus耦合器103可具體由如圖10所示的結(jié)構(gòu)組成 收發(fā)模塊1001，用于從主站101或從站102獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于
指示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息；
處理模塊1002，與收發(fā)模塊1001相連，包括軟件處理模組及硬件處理模組，用于根據(jù)指示信息指示的類型，選擇軟件處理模組或硬件處理模組進行當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。
具體地，處理模塊1002包括軟件處理模組10021、硬件處理模組10022及連接軟件處理模組10021及硬件處理模組10022的控制總線10023，
在處理從主站到從站的數(shù)據(jù)幀時
硬件處理模組10022，用于根據(jù)指示信息判斷所述類型，當(dāng)類型為主站發(fā)送的攜帶有目標從站地址信息的單播幀時，直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目標從站，以觸發(fā)目標從站進行單播幀的數(shù)據(jù)更新；當(dāng)類型為主站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各從站；當(dāng)類型為主站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各從站；當(dāng)類型為主站發(fā)送的總線配置幀時，接收到指示信息后立即中斷轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)前數(shù)據(jù)幀后，將控制權(quán)交給軟件處理模組10021 ；
軟件處理模組10021，用于在獲得控制權(quán)后，構(gòu)建配置命令數(shù)據(jù)幀并向各從站依次發(fā)送配置命令數(shù)據(jù)幀以定義從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置。在處理從從站到主站的數(shù)據(jù)幀時 硬件處理模組10022，用于根據(jù)指示信息判斷類型，當(dāng)類型為目標從站發(fā)送的攜帶有目標從站的地址信息的單播反饋幀且當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有目標從站的更新數(shù)據(jù)時，直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站以通知主站目標從站已進行數(shù)據(jù)更新；當(dāng)類型為從站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，判斷是否從各從站均已接收到當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則直接將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站；當(dāng)類型為從站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，判斷是否從各從站均已接收到當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則根據(jù)所保存的配置信息構(gòu)建攜帶有各從站的更新數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)幀，并將新數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站；當(dāng)類型為從站發(fā)送的配置反饋數(shù)據(jù)幀且當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示從站在網(wǎng)絡(luò)中的位置的地址信息以及網(wǎng)口信息時，將控制權(quán)交給軟件處理模組；
軟件處理模組10021，用于在獲得控制權(quán)后，以地址信息及網(wǎng)口信息更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站或下一從站。NCUC-Bus I禹合器的處理模塊202可由可編程邏輯門陣列(Field-ProgrammableGate Array, FPGA)實現(xiàn)，具體如圖11所示，其中
硬件中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、MACO-15、MAC 上行鏈路(MACUPLINK)、MAC下行鏈路(MAC DOWNLINK)、復(fù)用模塊(MUX)、解復(fù)用模塊(DEMUX)、硬件中斷模塊(IRQ)等組成硬件處理模組10022 ；
軟件 CPU、隨機存儲器(Random Access Memory, RAM)、只讀內(nèi)存(Read-Only Memory,ROM)、時鐘同步模塊(SYNC I/F)、閃存控制器(Flash Controller)、聯(lián)合測試行動組(JointTest Action Group, JTAG)、鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL)等組成軟件處理模組 10021 ;
AVAL0N-MM BUS作為控制總線10023 ；
具體地
硬件CPU，為HW CPU,是硬件處理的核心邏輯單元；
MAC0-15，從站(該例中為16個，并對應(yīng)16個以太網(wǎng)端口)MAC模塊，該模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)的MAC層控制，與作為收發(fā)模塊1001的PHY對接，收發(fā)數(shù)據(jù)可由硬件CPU或軟件CPU通過AVAL0N-MM BUS 訪問；
MAC UPLINK及MAC DOWNLINK，主站對接的上行/下行端口的MAC層模塊，該模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)的MAC層控制，與PHY對接，收發(fā)數(shù)據(jù)可由硬件CPU或軟件CPU通過AVAL0N-MM BUS訪問；
MUX,將上行/下行鏈路的MAC層數(shù)據(jù)復(fù)用傳輸?shù)接布﨏PU ；
DEMUX,將硬件CPU傳輸出的數(shù)據(jù)幀分配到上行/下行鏈路；
IRQ，硬件CPU對數(shù)據(jù)幀的CM-ID命令字段進行分析，如果發(fā)現(xiàn)總線配置幀或配置反饋數(shù)據(jù)幀時，通過此模塊經(jīng)AVALON-MM BUS向軟件CPU產(chǎn)生中斷；
軟件CPU，為NIOS II CPU，是軟件處理的核心邏輯單元；
RAM,軟件的隨機訪問數(shù)據(jù)內(nèi)存，提供AVALON-MM BUS總線訪問；
R0M，軟件程序存儲空間，提供AVALON-MM BUS總無線訪問；
SYNC I/F，可實現(xiàn)耦合器級聯(lián)的時鐘同步分配；
Flash Controller, FPGA的外部程序存儲控制模塊；
JTAG，F(xiàn)PGA編程接口模塊；
PLL，提供系統(tǒng)內(nèi)時鐘。作為一種實施方式，上述軟件處理模組以及硬件處理模組還可以采用FPGA與單片機組合的形式實現(xiàn)，型號可多選。進一步地，可將兩個或多個耦合器進行級聯(lián)，耦合器之間利用上述SYNC I/F來保持時鐘同步，這樣，在級聯(lián)系統(tǒng)中采用統(tǒng)一時鐘信號。由某一個耦合器提供級聯(lián)系統(tǒng)的高精度時鐘信號，并作為級聯(lián)系統(tǒng)的唯一時鐘，以減少時鐘頻率不同步造成的累計時間誤差。實施本發(fā)明實施例的數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)、耦合器及通信方法，在系統(tǒng)完成樣機設(shè)計后，邏輯分析儀的測試結(jié)果表明耦合器對主站數(shù)據(jù)包基本實現(xiàn)了立即轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)延時在幾個時鐘周期以內(nèi)；同時，耦合器對從站返回的數(shù)據(jù)包實現(xiàn)了“邊接收邊分析”，并將重組后的數(shù)據(jù)包發(fā)回主站。以其中一次測試為例，為便于測試，主站僅有一個以太網(wǎng)端口(端口號16)與耦合器通信，一個從站占用的兩個端口的端口號分別是14和15?？梢?，當(dāng)耦合器接收到主站發(fā)來的64字節(jié)數(shù)據(jù)幀(不是總線配置幀或配置反饋數(shù)據(jù)幀)，硬件CPU的轉(zhuǎn)發(fā)延遲僅一個時鐘周期(14號端口);當(dāng)耦合器收到從站返回的數(shù)據(jù)幀(15號端口)時，剛剛接收完畢就立即發(fā)送更新的數(shù)據(jù)幀給主站。由于耦合器硬件電路具有從站端口同時收發(fā)的特性，所以耦合器收發(fā)延遲并不會隨著從站數(shù)量的增加而產(chǎn)生明顯的增加。實驗表明，在所有端口都接有從站的情況下，耦合器造成的數(shù)據(jù)延遲在6us以內(nèi)，這樣可以保證總環(huán)路通信周期小于40us。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)的通信方法，所述系統(tǒng)包括主站、從站，以及連接所述主站及從站形成網(wǎng)絡(luò)的耦合器，其特征在于，所述耦合器設(shè)置有軟件處理模組及硬件處理模組，所述方法包括 獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息； 根據(jù)所述指示信息指示的類型，選擇所述軟件處理模組或硬件處理模組進行所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述指示信息指示的類型，選擇所述軟件處理模組或硬件處理模組進行所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理具體為 所述硬件處理模組根據(jù)所述指示信息判斷所述類型， 當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的總線配置幀時，所述硬件處理模組接收到所述指示信息后立即中斷轉(zhuǎn)發(fā)所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀后，將控制權(quán)交給所述軟件處理模組，所述軟件處理模組構(gòu)建配置命令數(shù)據(jù)幀并向各所述從站依次發(fā)送所述配置命令數(shù)據(jù)幀以定義所述從站在所述網(wǎng)絡(luò)中的位置； 當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的攜帶有目標從站地址信息的單播幀時，所述硬件處理模組直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目標從站，以觸發(fā)所述目標從站進行單播幀的數(shù)據(jù)更新；當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，所述硬件處理模組直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各所述從站； 當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，所述硬件處理模組直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各所述從站。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述指示信息指示的類型，選擇所述軟件處理模組或硬件處理模組進行所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理具體為 所述硬件處理模組根據(jù)所述指示信息判斷所述類型， 當(dāng)所述類型為所述從站發(fā)送的配置反饋數(shù)據(jù)幀且所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示所述從站在所述網(wǎng)絡(luò)中的位置的地址信息以及網(wǎng)口信息時，所述硬件處理模組將控制權(quán)交給所述軟件處理模組，所述軟件處理模組以所述地址信息及網(wǎng)口信息更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，并將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述主站或下一從站； 當(dāng)所述類型為目標從站發(fā)送的攜帶有所述目標從站的地址信息的單播反饋幀且所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有所述目標從站的更新數(shù)據(jù)時，所述硬件處理模組直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站以通知所述主站所述目標從站已進行數(shù)據(jù)更新； 當(dāng)所述類型為所述從站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，所述硬件處理模組判斷是否從各所述從站均已接收到所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述主站； 當(dāng)所述類型為所述從站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，所述硬件處理模組判斷是否從各所述從站均已接收到所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則根據(jù)所保存的配置信息構(gòu)建攜帶有各所述從站的更新數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)幀，并將所述新數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述主站。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述指示信息為CM-ID命令字段。
5.一種數(shù)控聯(lián)盟總線耦合器，其連接有主站及從站，其特征在于，包括 收發(fā)模塊，用于從所述主站或從站獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息； 處理模塊，包括軟件處理模組及硬件處理模組，用于根據(jù)所述指示信息指示的類型，選擇所述軟件處理模組或硬件處理模組進行所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理。
6.如權(quán)利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述處理模塊包括所述軟件處理模組、硬件處理模組及連接所述軟件處理模組及硬件處理模組的控制總線， 所述硬件處理模組，用于根據(jù)所述指示信息判斷所述類型，當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的攜帶有目標從站地址信息的單播幀時，直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目標從站，以觸發(fā)所述目標從站進行單播幀的數(shù)據(jù)更新；當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各所述從站；當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播幀時，直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送給各所述從站；當(dāng)所述類型為所述主站發(fā)送的總線配置幀時，接收到所述指示信息后立即中斷轉(zhuǎn)發(fā)所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀后，將控制權(quán)交給所述軟件處理模組； 所述軟件處理模組，用于在獲得所述控制權(quán)后，構(gòu)建配置命令數(shù)據(jù)幀并向各所述從站依次發(fā)送所述配置命令數(shù)據(jù)幀以定義所述從站在所述網(wǎng)絡(luò)中的位置。
7.如權(quán)利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述處理模塊包括所述軟件處理模組、硬件處理模組及連接所述軟件處理模組及硬件處理模組的控制總線， 所述硬件處理模組，用于根據(jù)所述指示信息判斷所述類型，當(dāng)所述類型為目標從站發(fā)送的攜帶有所述目標從站的地址信息的單播反饋幀且所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有所述目標從站的更新數(shù)據(jù)時，直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主站以通知所述主站所述目標從站已進行數(shù)據(jù)更新；當(dāng)所述類型為所述從站發(fā)送的無需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，判斷是否從各所述從站均已接收到所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則直接將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述主站；當(dāng)所述類型為所述從站發(fā)送的需進行數(shù)據(jù)更新的廣播反饋幀時，判斷是否從各所述從站均已接收到所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，若是，則根據(jù)所保存的配置信息構(gòu)建攜帶有各所述從站的更新數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)幀，并將所述新數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述主站；當(dāng)所述類型為所述從站發(fā)送的配置反饋數(shù)據(jù)幀且所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示所述從站在所述網(wǎng)絡(luò)中的位置的地址信息以及網(wǎng)口信息時，將控制權(quán)交給所述軟件處理模組； 所述軟件處理模組，用于在獲得所述控制權(quán)后，以所述地址信息及網(wǎng)口信息更新本地轉(zhuǎn)發(fā)地址表，并將所述當(dāng)前數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述主站或下一從站。
8.如權(quán)利要求5所述的耦合器，其特征在于，所述指示信息為CM-ID命令字段。
9.一種數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)，包括主站，以及從站，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括如權(quán)利要求5-8中任一項所述連接所述主站及從站形成網(wǎng)絡(luò)的耦合器。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)包括多個級聯(lián)的所述耦合器時，耦合器之間保持時鐘同步。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種數(shù)控聯(lián)盟總線系統(tǒng)、耦合器及通信方法，首先獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中攜帶有用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型的指示信息；然后根據(jù)指示信息指示的類型，選擇軟件處理模組或硬件處理模組進行當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的處理，這樣，耦合器采取軟硬件協(xié)同處理的方法，針對NCUC-Bus規(guī)范中不同類型的數(shù)據(jù)幀采取差異化的處理手段，對于強實時性要求的數(shù)據(jù)幀采用硬件內(nèi)核處理轉(zhuǎn)發(fā)，對于對實時性要求不高的數(shù)據(jù)幀采用軟件內(nèi)核處理轉(zhuǎn)發(fā)，最大化提高了現(xiàn)場總線的強實時性，使環(huán)形鏈路中從站數(shù)量與數(shù)據(jù)幀環(huán)路傳輸延遲之間的相關(guān)性大大減弱，從站的增加幾乎不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的傳輸延遲增加。
文檔編號H04L29/12GK102833140SQ201210271388
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者徐迪宇, 梁堯, 胥小武, 周維鷗, 周智勛 申請人:深圳清華大學(xué)研究院