1、计算机工程与应用计算机工程与应用分布式运动控制系统罗福源周云飞尹消通信设计与实现计算机工程与应用计算机工程与应用华中科技大学 机械科学与工程学院国家数控系统匚程技术中心试汉 合肥工业大学 机械与汽车工程学院 合肥摘要为了满足强实时性分布式运动控制系统中多处理器烏速互连的耍求设讣了 -种使川光纤作为通信介质的崗速小行链路 通信解决方案 详细描述了的物理层结构、传输层和应用层勿议以及编程实现的方法.该通信方案已经在步进扫描光刻机研制项I中得到成功应用实践证明其其右叮靠性岛、协议开销小、抗电磁F扰能力强、编程容易等优点 。
关键诃分布式运动控制位错率高速小行链路通倍协议文章编号文献标识码中图分类号计算机 。

2、工程与应用计算机工程与应用作者简介罗福源男博七研究生主要研究方向为离速髙粘度数控装备的运动控制y计様机系统結构周云飞男博七教授湖北省有突出贡献中育年&家获国家政府津贴主耍研究方向为数控技术及其应用尹沿女合肥匸业人学教师研究方向为计様机数控技术 。
绪论许多工业计知机控制系统例如光刻机的步进打描运动控 制系统不仅运动控制任务相当复杂而II.要求极高的速度和 精度 。
为了提高速度 减少时间延迟 往往便用多个处理器分别 实现数据采集、信号处理、伺服计算和功率驱动等控制环节 为 了提高耕度减小信号失貞数据采集模块要尽可能地靠近传 感器功率驱动模块矍尽可能地靠近电机而信号处理和何服 计篦则要整介在一起以便集中 。

3、控制因为设备体积庞大这些 处理模块往往分布右距离较远的物理位代山此形成了分布式 运动控制系统 。
如果用通倍电缆将乞个系统模块连接不仅会 导致系统连线緊多杂乱还会带来难以克服的电磁干扰问题. 光纤通信具有宽带和抗电磁干扰的优良特性因此以光纤作为 通信介质在各个运动控制模块之间建立点到点的高速串行链 路通信可谓足一种完美的解决方案 。
事实上光纤通信已经在计算机网络和许多电子电器 得到广泛便用.然而分布式运动控制系统是-个强实时系统 为了提高实时件并阳低实现难度耍求系统模块中乞个处理器 之间的通a协议开销尽町能地小而且通r时间延迟屛右确宦 件显然 现冇的网络架构和通信协议并不满足这叫要求必须 根据分布式 。

4、运动控制系统的特点设计专门的通信协议 。
分布式运动控制系统模熨及特点图是一个最小化的分布式运动控制系统模科该系统山主控模块、数据采集模块、功率驱动模块部分组成 。
和 都从屈于 其中 是 的算目”它负责实时监 控运动位世、迫机状态以及运行环境 温度、湿度和压力等 并 及时汇报给足 的吁脚”它把來自 的数字指令转换为模拟电斥信号 并输出到功率放大驱动辭中驱动电 机此外还提供紧急情况时的电机保护功能 。
和 的主要 任务是时序逻辑运第 因而使用现场可編程门陈列作为运算处理器 。
而 需要完成复杂的浮点运算使用 数 了信巧处理器 作为核心处理器 。
打从屈模块z间通过双 芯光纤相连.图 是山等个形如图 的子系统构 。

5、成的复杂运动控 制系统 。
冬个子系统的主控模块接受的统-控制通过总线互通信息.和之间还可通过光纤通信实现数据交换 。
与图稍有不同的是图 中的 含有片拥冇更强的处理能力和光纤信道这使得每块可以与两块相连.可见该分布式运动控制系统具有以下特点构成光纤通信网络的基木组成单位都是点到点的高速 串行双向通信链路 。
两点Z间的比纤信道是用的而II发送和接收通道 独立 不会造成数据拥塞和资源冲突 这从硬件上确保了实时 通信 。
从屈模块只是被动地接受上控模块的控制因而主控 模块可以灵活地更改数据传输周期.借助总线发送同步控制信号各个主控模块易r实现粘确的时钟同步 。
】：拧快坎“芯比纤从属槓块分布式运功控制垠小系统楔旳P 。

6、bwcr PCVME总线 主控慣块双芯光紆从凤帳块复杂运动控制系统的通信模型图分布式运动控制系统棋型适合于运动控制的通信协议协议层次划分根据以匕分析 本文设计了适合于分布式运动控制的 通信协议 。
该协议分成如图所示的个层次应用出、 传输层和物理层.在应用层打应用层之间以及传输层与传输 层之间是虚拟通讯并没有实际的连线 。
应用Q处在敲高层它解决了数据含义、地址约定以及系 统触发命令等山I向八体应用的问题 。
传输以为应川JS提供T可 旅的信息传输设施 。
它屏蔽了应用层下而的网络操作的细节 此外传输层负责成帧解帧成帧指的是将各个寄存器数据组 织成-个符介约宦帧格式的数据包解帧止好相反它是将数 据包解开按约定 。

7、帧恪式读取数据并存放到相应的寄存器中、 签错控制、链路控制和数据流控制 。
物理层处在绘低层它解决 的是两个通讯模块之间在物理上和电气上是如何连接的问题 物理层结构物理层结构如图所示其中光纤收发器实现基于 止射様耦合逻辑的电光比电借号转换发送器负责将传输控制器发送的并行位数据进行编码再串行输岀到光纤收发辭接收器疋好相反它负责将光纤收发器收到的小行数据进彳亍解码再井行输出到传输控制器.为实现时钟同步防止数抓丢失伎输控制器 内部编稈实现数据缓冲器或 。
编码和解码均連循和协议 。
山于发送和接收通道独立因此可以实现全双工通信.传输控制器与运动控制处理器或之间通过位的地址总线、位的数据总线以及”干控制和状态倍马 。

8、线 连接.因为处于主动控制地位中的 可以根据需要学控传输控制器的接口总线并发送数据或响应传输控制器 的中断并接收总线上的数据所以称 为曹能模块而 和 处于从屈地位它们的传输控制器只冇在收到数据或传 输命令垢才会骡动总线左读写运动控制处理器中的寄存器W 此称 和为非智能模块 。
出实上两者都没仃任何智能可言本质上也没有什么差别只是在与传输控制器的接曲拟通信通佶蟆块通信模块图适合于运动控制的协议层次划分传输层协议传输层协议帧格式简单叮靠起见针对运动控制的传输层协议只包含种类型的帧数据帧、确认帧和触发传输帧 。
这类帧H冇不 同的优先权优先权最高的是触发传输帧其次是确认帧再次 是数犯帧 。
在没有任何帧需嬰发送 。

9、时游节点向II标节点发送 特殊传输了符作为填充该7符可起到时钟同步作用.还可作为表征等待周期的特定字符当发送数据帧的中途发生数据读取9待的时候插入到行数据流中 。
不同帧的祯格式如下数据帧口总线模式方面存在小小的差别而已 。
在智能模块中传输控 制器工作在被动模式在非智能模块中传输控制器工作在主 动模式.光纤1主控模快从属模块图物理层结构罗福源 周云飞 尹 涓 分布式运动控制系统通信设计与实现数据帧的格式如图所示 。
一个数据帧包括个基本元 B帧开始符、帧头、校验和、数据段以及帧结束符 。
帧头和数据段都是个7节构成的 位长字其中祯头定义了帧长度开始地址控制信息等内容.1414141SOF帧头CHS(HS( 。

10、HSSOFSOFJF始符3帧长度域CHS-EOF帖结束符图传输肚数据帧格式确认帧确认帧是LI的机块接收到数据以石向源模块发送的衣征 数据接收悄况的-个特殊帧 。
确认帧山-个确认传输字符紧跟若一个付的状态信息构成如图所示状态信息告 知发送方有关接收力此时的链路状态 。
确认帧可以单独发送 也可以插入到一个数据帧中发送.图传输层确认帧与触发传输恢格式触发传输帧触发传输帧垠简单它实际上就是一个触发传输字符 它用丁触发口标系统进行数据传输或信；采样是实时系 统的匝要组成部分和确认帧一样触发传输帧可以单独发送 也可以插入到一个数据帧中发送 。
以上*类帧中用到的特殊传输了符、的编码可以从代码表规定的中选用但耍注盘 。

11、避免选用特定的同步7符 。
传输控制机制一般的 接收器和发送器集成电路芯片可维持小于 的位错率但这样的位错率对于耍求苟刻的耕密运动控制而言仍然圧不够的.式 给出了 的定义由它可根据式 计算出平均无故障时间-对于速率为的光纤通信每小时发送的比特数为 x 山此可粥出 仅有即平均不到将会出现一个比特错而在伺服运动控制中任何- 个比待的传输错谋都可能导致严重的 后果.错谋的比特数发送的总比特数MX小时发送的总比特数为T捉高数那传输|龌性必须引入仃效地错谋检测与控 制措施 。
适合J：运动控制的 传输层协议使用-种基J：数 据帧确认与重传的机制实现对数据链路的错溟控制其工作原 理如图所示.图中链路状念信息与控制 。

12、信息是分别是一个 特殊的字节.链路状态信息由接收方发送链路控制信息山发 送方发送接收端执行.接收端在接收到发送端发送的数据帧 之后 对所接收的数据进行 校验和”错谋、违规信号错谋、祯格式错谋3错谋项I的检测 。
其中求校验和的公式如E式中一帧长度 数据段号对于帧头而言按位収反操作个 位数据的第个字节图传输控制机制由式可见使用校验和”能够检测出以卜儿类数据传输只发生在某一字节内的任总比特错误不同字节内的奇数个比特错误数据排列顺用与数据段号不匹配的错谋不同字节内并发的但位乳不同的参个比特错误.可见校验和”检测简便易行H检错能力很崗.另外按位取反操作 有利传输比特流中与的数LI均衡 。
然而毎个7节数 拥Z 。

13、后就耍插入 个了节的校验和”这总味若狡验和”检测 方法消耗了五分Z的通信链路带宽但对F需婆岛可靠性的 运动控制而言这样的协议开销是值得的 。
如果没冇检测到错谋接收端就执疔链路控制命令并把 接收的有效数据写入到约定的奇存器中同时还把错汉检测结 果封裝到琏路状念倍息中作为确认帧的-部分发送到脈发送 端从而让脈发送端了解到接收端的数拯接收状态如果有错 谋发生就可以由错谋信息决定是否重传数据如果是严重错 谋则要采取紧急停机或父位操作 。
数据是否重传耍山所传数据 的屈性决定-般对于运动控制系统中与伺服周期密切相关的 和 采样信号不宜重传而对时效性不敏感的控制 或状态数拥可以重传 。
山于 和处于从属地位它们不会 。

14、主动向发送数据帧 。
当需婆它们的数据时就发出一个字符或 收到这个7符并等待指定的-段延迟时间后再开始数抑转换或采集然后组织一个数抵包发送给这就是如图所不的触发传输机制 。
这个机制可保证运动控制系统的 乞个模块受控丁一个统一的系统同步触发信兮从而实现高耕 度的多轴同步控制.另外在这种触发传输机制中如果作为接 收竭的发现接收到的数据有误它也对以根据控制的需S不向 或发送包倉错谋信息的确认帧以避免已经超过时限的失效数据被再次传输 。
延迟傑定的一段时间开始数据转换或采集发迖数据包刘II林模块图还路控制触发传输机制传输层协议的 编程实现山于 需要实现全双工通讯因此 程序分成并 行的接收和发送两个模块 。
它们的控 。

15、制核心分别为接收状态机 和发送状态机.图 足按收状态机的状态跃迁图 。
山于砸认帧 的优先权比数据帧高因此在接收数据帧的中途 冇可能接收 到确认頼 这时接收状态机将跳转到接收确认帧状态 持接收 完毕再返冋接收数抑:帧状态接收数据接收状态机允许任何时 刻插入数目不定的同步字符在任何状态收到同步字符时状 态机的状态保持不变 。
在整帧数据接收完Z肓接收模块将向 发送模块发出 谛求以让它发送确认帧给脈发送靖. 如果接收模块收到带错谋链路状态信息的确认帧就向发送模 块发出 请求以让它把上次发送的数据帧再发送 一送 。
考也以下儿类寄存器是必须的工程i只别码寄存器 。
工程识别码足-个模块区别于其 它模块的数字编码”。

16、r程识别码不I兀配的炳模块之间不能通 信 。
这样可防止安装错误造成系统事故 。
模块状态寄存器 。
该寄存器有利丁主控模块及时了解 被控模块的T作状态还有利于故障诊断.模块控制寄存器 。
该寄存器有利于主控模块以简洁的 命令宏观地设定被控模块的工作模式和运彳亍参数等 。
软件版本号寄存器该寄存器提供了一个软件版本编 号便于系统版本控制和升级维护 。
结论在分布式运动控制系统的主模块与远程从属模块之 间建立了 一条高效高性能的数据交换通路 。
本文根据分布式运 动控制系统的强实时性和耕确同步要求 设计r-种可靠性 高、协议开销小、时间延迟短、易于 实现的 通倍协 议本文所述通信方案已经成功应用于步进打描投影光刻机的 研制 。

17、项ti中.系统仿真和样机试验表明数据发送和接收时序 止确、逻辑严密、运行可靠 。
收稿口期 年 月参考文献图 是发送状念机的状念跃迁图.山丁发送数据时 传输 控制器需从运动控制处理器读収数据如果这时数据总线忙则 需等待因此发送状念机比接收状态机稍复杂一些初始时刻 发送状态机处于空闲状态不停地发送同步字符在收到或请求时进入等待数据发送状态如果是请求 在此状态即使总线不忙 也婆延迟预定的-段时间 后才进入貞 正的发迖数抵状念 。
如果总线忙则还要等待额定 的时间直到总线不忙为止 。
如果是请求则不需额外的延迟但仍需査询总线状态在呦认总线不忙时才能进入 发送数据状态.在任何状态如果收到请求均要立即中断当询操作。

【分布式|分布式运动控制系统HSSL通信设计与实现】18、然后发送确认帧 再返阿原米的状态 。
应用层协议应用层规定了数据帧中孑个数据的仟义以及对应的寄存 器地址 。
详细的应川层协议需要根据运动控制的具体内容决 定没冇固定的模式可依 。
但是对丁如图 所示的复杂运动 控制系统为了提高可靠性和可维护性从计算机T程的角度乍拧数据通信设备中协议软件研发的经验9思考 计様机匚程 与应川宋克柱王砚方的原理及其在光纤通信中的应用电子技术王金明程序设计教程北京人民邮电出版社井文才周单刘卫等用于计算机总线并行互连的高速光耳连链 路岛技术通讯畅传栋余张危壬行刚等端到端的流媒体传输控制技术研究综 述计算机工程与应用李明康挣秋贸祎平嵌入式协议栈的研究打开发 计様机工程与应用孙强周虚光纤通伉系统及其应用 北京沽华人学HI版社 。

稿源：(未知)

【傻大方】网址：/a/2021/0810/0023573019.html

标题：分布式|分布式运动控制系统HSSL通信设计与实现