基于以太网的数控系统现场总线技术研究

论文摘要

目前国产数控装置与伺服驱动之间的接口仍然采用“脉冲量或模拟量接口”标准,不能满足高速高精数控系统的通信要求,已经成为高档数控系统发展的主要瓶颈。而国外高档数控系统内部各模块之间的通信大都采用数字式现场总线,解决了通信瓶颈问题。但是这些现场总线多采用专用的硬件设备,技术保密,互不兼容,开发成本高。相对而言,以太网技术成熟、开放性好、兼容性强、成本低。因此将以太网技术引入数控系统,实现数控系统现场级实时通信与同步是我国下一代高档数控系统的重要研究内容,论文围绕这个主题展开以下研究。研究了国外主流数控系统现场总线技术的体系结构和通信协议、分析了它们用于数控系统现场总线存在的优缺点。提出了基于以太网透明模型的数控系统分级实时通信与同步体系结构。针对数控系统现场总线的硬实时通信和精确时间同步要求,将实时通信和同步操作结合起来,提出了一种实时通信和精确时间同步算法,在通信周期不变的基础上完成了精确时间同步功能。基于实时通信和精确时间同步算法,提出了一种实时通信和精确时间同步协议,并研究了总线传输及可靠性通信技术。设计了具体的实现方案,使实时通信和同步操作成为一个和谐的整体,达到互相兼顾、避免干扰和减轻负载的目的。提出了一种基于混合任务模型的动态现场总线调度算法,有效地解决了包含周期实时任务、非周期实时任务、非实时任务和分时任务在内的混合任务系统在现场总线中的动态多处理器实时调度问题。建立了数控系统现场总线的任务模型及任务的形式化描述,设计了基于任务层次关系和截止时间特性的优先级策略,采用添加关系的方法将分时问题转换为一般问题,设计了现场总线调度算法。通过数控系统实时通信与精确时间同步协议的调度实例对算法进行了验证,分析了算法的性能。开发了一种数控系统现场总线控制器及基于以太网现场总线的数控系统原型样机,对所设计的实时通信、精确时间同步协议及可靠性进行了实验验证和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景与研究意义
• 1.2 数控系统对现场总线的需求分析
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.4 本文的主要工作内容
• 2 基于以太网的数控系统体系结构研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于以太网透明模型的分级实时通信体系结构
• 2.3 分级时间同步体系结构
• 2.4 小结
• 3 实时通信和精确时间同步技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 实时通信和精确时间同步算法及其优化
• 3.3 实时通信与精确时间同步协议研究
• 3.4 现场总线数据传输处理技术研究
• 3.5 小结
• 4 现场总线通信调度算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 现场总线任务模型的建立
• 4.3 基于混合任务模型的现场总线调度技术的研究
• 4.4 基于混合任务模型的现场总线调度算法的设计
• 4.5 实例研究-实时通信与精确时间同步协议的调度
• 4.6 基于混合任务模型的现场总线调度算法的性能分析
• 4.7 小结
• 5 数控系统现场总线可靠性设计
• 5.1 引言
• 5.2 硬件冗余机制
• 5.3 检错/纠错码机制
• 5.4 基于检错/纠错码与选择重发机制的差错控制
• 5.5 小结
• 6 现场总线性能测试实验与系统实现
• 6.1 实验平台
• 6.2 实时性测试与分析
• 6.3 同步性测试与分析
• 6.4 可靠性测试与分析
• 6.5 系统实现
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 专利和科研成果