本发明公开了一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，用于数控机床上的位置检测元件与数控机床外部控制模块之间的通信，该接口包括：现场可编程逻辑门阵列FPGA，用于数据的发送缓冲、接收缓冲以及协议处理；以太网物理层PHY芯片，与所述现场可编程门阵列FPGA通信，用于发送和接收数据，将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列FPGA进行处理；网络变压器，与所述太网物理层PHY芯片连接，用于隔离信号；和双绞线接头，与所述网络变压器相连，用于发送和接收模拟信号。本发明可以将总线的通信速率提高到100M，传输延迟可以减小到1微秒以内，满足了现行的数控机床高速、高精度加工的要求。
1.一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，用于数控机床上的位置检测元件与数控机床外部控制装置之间的通信，该接口包括：现场可编程逻辑门阵列FPGA，用于数据的发送缓冲、接收缓冲以及协议处理；
以太网物理层PHY芯片，与所述现场可编程门阵列FPGA通信，用于发送和接收数据，将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列FPGA进行处理；
网络变压器，与所述太网物理层PHY芯片连接，用于隔离信号；和
双绞线接头，与所述网络变压器相连，用于发送和接收模拟信号；
2.根据权利要求1所述的一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，其特征在于，所述的现场可编程门阵列FPGA包括：数据发送缓冲区(1021)，用于存放需要发送的数据，所述以太网物理层PHY芯片直接从数据发送缓冲区(1021)读取数据并发送；
数据接收缓冲区(1022)，用于存放接收到的数据，由所述现场可编程逻辑门阵列FPGA读取；和总线协议处理模块(101)，其一方面用于将从位置检测元件读到的位置数据按照预定的总线协议进行打包，然后写入数据发送缓冲区(1021)，另一方面将从数据接收缓冲区(1022)接收来的数据，包括检测元件的初始化数据和参数设置数据，进行解包。
3.根据权利要求1或2所述的一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，其特征在于，所述的预定的总线协议中的通信数据为双向传输的数据帧，其中，由外部控制装置发给位置检测元件的命令或参数设置帧，称为指令帧，由位置检测元件发给外部控制装置的包含位置信息的数据帧，称为位置帧，其中，所述指令帧包括：(1)数据区，其包含外部控制装置发给总线式检测元件的指令、地址参数，长度为32bit；(2)校验码，其采用CRC16校验；长度为16bit；
所述位置帧包括：(1)数据区，其包含故障标识，位置信息，状态信息，内部寄存器地址编码和参数值，长度为80bit；(2)校验码，其采用CRC16校验，长度为16bit。
4.根据权利要求3所述的一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，其特征在于，所述指令帧的数据区包括：(1)模式指令，长度为8bit；(2)位置检测元件内部寄存器地址编码，长度为8bit；和(3)检测元件寄存器参数值，长度为16bit。
5.根据权利要求4所述的一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，其特征在于，所述的模式指令包括如下3种：(1)复位位置检测元件，并读取编码器位置值及状态信息；(2)写检测单元寄存器值，并读取编码器位置值及状态信息；和(3)读检测单元寄存器值，编码器位置值及状态信息。
6.根据权利要求3所述的一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，其特征在于，所述位置帧的数据区包括：(1)故障标识，长度为2bit，用于标注位置检测元件的状态；
(2)位置信息，长度为46bit，用于指示位置检测元件当前的位置值；
(3)位置检测元件状态信息，长度为16bit，用于指示位置检测元件中光源、信号幅值和位置计算的工作状态；
(4)检测元件寄存器参数值，长度为16bit，其为与指令帧中地址编码对应的位置检测元件内部寄存器的值。
7.根据权利要求4或5所述的一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口，其特征在于，所述位置帧的数据区包括：(1)故障标识，长度为2bit，用于标注位置检测元件的状态；
(2)位置信息，长度为46bit，用于指示位置检测元件当前的位置值；
(3)位置检测元件状态信息，长度为16bit，用于指示位置检测元件中光源、信号幅值和位置计算的工作状态；
(4)检测元件寄存器参数值，长度为16bit，其为与指令帧中地址编码对应的位置检测元件内部寄存器的值。
一种数控机床位置检测元件的现场总线接口
技术领域
[0001] 本发明属于数控技术，具体涉及一种数控机床位置反馈元件的现场总线接口。
背景技术
[0002] 在数控机床控制系统中，位置检测元件一般采用编码器或光栅尺，其信号接口一般为TTL电平、1VPP的正余弦脉冲串或者串行编码的形式。如果采用脉冲串的方式传输信号，容易受到工业环境的电磁干扰，不适应于工业现场的高频传输。
[0003] 为了提高位置反馈精度，在数控机床控制系统中，位置反馈元件与控制装置之间的接口出现了采用串行总线的传输的数字通信方式。目前，国外一些主要的厂商生产的位置反馈器件及接口大部分都采用串行总线的通信方式，如ENDAT，SSI，PROFIBUS-DP、FANUC02，MIT02-4，BISS，HIPERFACE等总线。与TTL和正余弦脉冲串方式相比，串行总线方式具有较高的可靠性和实时性，同时可选择传输增量或者绝对位置，易于实现数控机床的多轴同步控制，但是串行总线方式由于其通信速率的限制，信号具有延时，降低了信号的实时性，因此，难以满足数控机床高速、高精度的加工要求。
[0004] 因此，提高串行总线的通信速率是减少信号延时的方式之一，但由于当前串行总线的信号采用的是电平传输方式，其通信速率提高受到限制，通常只有数兆比特，随着传输电缆线的增长，通信速率逐步降低。较低的传输速率导致产生较大的延迟，从而影响数控机床的响应速度和加工精度。如国外某品牌的绝对式码盘采用通信2M的通信速率，传输31位的码盘信号，加上总线的数据帧头、帧尾及校验位等，总共有54位数据需要传输，线路上至少产生27微秒的延迟。若将总线的通信速率提高到100M，则传输延迟可减小到1微秒以内，基本可以忽略不计。
发明内容
[0005] 本发明提出了一种数控机床位置反馈元件的现场总线接口，该接口基于工业以太网技术，用于数控机床位置检测元件的通信，解决了现有传输方式的延迟问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
[0007] 位置检测元件为相对或者绝对式的旋转式编码器或光栅尺，其输出的信号为并行数字信号；外部控制装置(称为主控模块)可以是伺服驱动装置或数控装置。上述位置检测元件与外部控制装置通过现场总线接口相连，实现两者之间的通信。现场总线工作于主从模式，其中外部控制装置工作于主模式，位置检测元件工作于从模式。
[0008] 一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口包括：
[0009] 现场可编程逻辑门阵列FPGA，用于数据的发送缓冲和接收缓冲以及协议处理；
[0010] 以太网物理层PHY芯片，与所述现场可编程门阵列FPGA通信，用于发送和接收数据，将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列FPGA进行处理；
[0011] 网络变压器，与所述PHY连接，用于隔离信号；
[0012] 双绞线接头，与所述网络变压器相连，用于发送和接收模拟信号。
[0013] 所述现场可编程门阵列FPGA包括：总线协议处理模块，用于端口的初始化、指示如何提取有效数据、数据帧的打包；发送缓冲区，用于存放需要发送的数据，PHY直接从发送缓冲区读取数据并发送；接收缓冲区，用于存放接收到的数据，由FPGA读取。
[0014] 本发明提出的一种数控机床位置反馈元件的现场总线接口可以将总线的通信速率提高到100M，传输延迟可以减小到1微秒以内，满足了现行的数控机床高速、高精度加工的要求。
附图说明
[0015] 图1为检测元件现场总线接口原理图；
[0016] 图2为本发明基于以太网技术的检测元件的现场总线接口结构图；
[0017] 图3为指令帧的格式示意图；
[0018] 图4为指令帧的数据区格式示意图；
[0019] 图5为位置帧的格式示意图；
[0020] 图6为位置帧的数据区格式示意图；
[0021] 图7为主控模块通讯时序关系图；
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0023] 图1为检测元件现场总线接口原理图，虚线框中为本发明主要内容。位置检测元件为相对或者绝对式的旋转式编码器或光栅尺，其输出的信号为并行数字信号，与现场总线接口相连；外部控制装置(称为主控模块)可以是伺服驱动装置或数控装置，也与同样的现场总线接口相连。现场总线工作于主从模式，其中外部控制装置工作于主模式，总线式检测元件工作于从模式。
[0024] 本发明利用通用以太网物理层芯片PHY和通用现场可编程逻辑门阵列FPGA实现了位置检测元件信号的高速通信，不需采用专用硬件，维护容易且成本低。
[0025] 以太网物理层PHY芯片，与所述现场可编程门阵列FPGA通信，用于发送和接收数据。位置检测元件的并行信号由现场可编程门阵列FPGA进行串行编码后，通过以太网物理层PHY芯片，产生网络差分信号传输出去；同时接收网络中传输的差分信号，用于现场可编程门阵列进行处理。
[0026] 图2为本发明基于以太网技术的检测元件的现场总线接口结构图，该接口包括：
[0027] (1)现场可编程门阵列FPGA100，一端与位置检测元件连接，用于接收检测元件的位置信号；另一端与物理层PHY芯片103连接，用于与物理层PHY芯片103的通信。现场可编程门阵列FPGA100包含协议处理模块101和数据发送缓冲区1021和数据接收缓冲区1022。协议处理模块101一方面用于将从位置检测元件读到的位置数据按照预定的总线协议进行打包，然后写入数据发送缓冲区1021，另一方面是将从数据接收缓冲区1022接收来的数据，包括对检测元件的初始化、参数设置等数据进行解包；
[0028] (2)以太网物理层PHY芯片103，与现场可编程门阵列FPGA100和网络变压器104进行通信，用于将数据发送缓冲区1021的数字数据转换为差分模拟信号发送到网络变压器104，并从网络变压器104接收从网络中传输的差分模拟信号，将其转变为数字信号，用于现场可编程门阵列FPGA100进行处理。
[0029] (3)网络变压器104，与以太网物理层PHY芯片103连接，用于信号隔离；
[0030] (4)双绞线RJ45接头105，与网络变压器104相连，用于发送和接收网络信号。
[0031] 主控模块与总线式检测元件的通信是通过上述预定的总线协议实现的。该协议中的通信数据为双向传输的数据帧，其中，由主控模块发给位置检测元件的命令或参数设置帧，称为指令帧，由位置检测元件发给主控模块的包含位置信息的数据帧，称为位置帧。主控模块与位置检测元件采用点对点的通信方式。
[0032] 指令帧的格式如图3所示，它包含以下几个部分：
[0033] (1)数据区，包含主控模块发给总线式检测元件的指令、地址参数；长度为32bit[0034] (2)校验码，采用CRC16校验；长度为16bit.
[0035] 指令帧的数据区包含以下三个部分(见图4)：
[0036] (1)模式指令；8bit
[0037] (2)位置检测元件内部寄存器地址编码；8bit
[0038] (3)检测元件寄存器参数值；16bit
[0039] 指令模式的8个Bit的具体含义如表1所示：
[0040] 表1：指令模式格式
[0041]
[0042] 指令帧提供了8位地址编码信息，作为位置检测元件的存储区分配，其内容如表2所示。
[0043] 表2：位置检测元件的存储区分配
[0044]
[0045]
[0046] 位置帧的格式如图5所示，包含以下几个部分：
[0047] (1)数据区，包含故障标识，位置信息，状态信息，内部寄存器地址编码和参数值(可选)。长度为80bit。
[0048] (2)校验码，采用CRC16校验；长度为16bit.
[0049] 位置帧的数据区包含以下四个部分(见图6)：
[0050] (1)故障标识；2bit；标注位置检测元件的状态，00为正常，11为错误；
[0051] (2)位置信息；46bit；指示位置检测元件当前的位置值；
[0052] (3)位置检测元件状态信息；16bit；指示位置检测元件中光源、信号幅值、位置计算等的工作状态。
[0053] (4)检测元件寄存器参数值；16bit；指与指令帧中地址编码对应的位置检测元件内部寄存器的值。
[0054] 位置检测单元状态信息主要标识其光源、信号幅值、位置计算等的工作状态，如表3所示。
[0055] 表3：位置检测单元状态信息表
[0056]
[0057] 在本发明中，伺服驱动装置或数控装置(主控模块)采用主从点对点通信模式与位置检测元件进行通信。在主控模块复位位置检测元件后，主控模块采用主-从问答方式进行点对点的通信。其时序关系如图7所示：
[0058] 本发明提出的现场总线接口是以RJ45为例进行说明，事实上，现场总线接口不局限于RJ45，同样适应光纤总线，通信速率也不局限于100M，也可此采用通信速率更高的光纤总线，如10G等。
