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NCUC-Bus现场总线技术研究及实现

作　者: 陈天航
导　师: 唐小琦
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 现场总线数控系统实时通信精确时间同步高可靠性 FPGA
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高速高精控制是现代数控系统的发展趋势,传统的“脉冲量或模拟量接口”已经不能满足现代数控系统高速高精加工的通信要求,全数字现场总线技术成为数控系统通信发展的主流。至今为止,世界上公布的现场总线不下100种,但各种总线标准之间互不兼容,技术特点各异。我国的数控系统如果单纯的引用国外现场总线技术,不仅费用高昂,而且难以突破国外的技术壁垒。因此,本文结合我国数控系统发展的特点,开展具有自主知识产权的数控系统现场总线技术研究具有重要意义。论文的主要内容有:研究了当前国外主流数控系统现场总线技术特点与通信机制,针对多轴、多通道、高速、高精控制需求,参照OSI七层网络通信模型建立了NCUC‐Bus(NC Union of China Field Bus,中国数控总线联盟)数控系统现场总线通信模型。基于该通信模型研究了数控系统现场总线实时通信、时钟同步和通信可靠性等关键技术,提出了NCUC‐Bus现场总线的硬件接口、通信协议总体设计方案。研究了IEC 61158现场总线国际标准中的实时以太网类型总线协议,采用确定性通信、精简协议处理机制、FPGA硬件实现等技术,来保证NCUC‐Bus总线通信强实时性;参考IEEE 1588精确时间同步协议,针对双环形拓扑,提出了NCUC‐Bus精确时钟同步协议,提高同步控制精度;采用双环冗余硬件结构、实时数据报文重发机制、差错检测和处理机制,提高NCUC‐Bus总线系统的可靠性。基于FPGA +PHY+CPU硬件平台,将现场总线的硬件接口和通信协议集成到华中8型数控装置、全数字伺服驱动装置、全数字主轴伺服驱动装置和PLC模块等产品中,实现了华中8型总线式数控系统的成套性,通过了总线数控系统的功能、性能测试及加工实验验证,成功地应用于10多台数控重大专项支持的精密卧式加工中心、大型高速5轴联动龙门铣床、车铣复合加工中心等高档数控机床中。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-17
  1.1 课题来源、研究背景与研究意义  8-9
  1.2 数控系统现场总线技术  9-11
  1.3 国内外研究现状分析  11-15
  1.4 本文的主要工作内容  15-17
2 NCUC-Bus 现场总线体系结构  17-26
  2.1 引言  17-18
  2.2 OSI 体系结构与NCUC-Bus 体系结构  18-21
  2.3 NCUC-Bus 现场总线硬件平台结构  21-23
  2.4 NCUC-Bus 现场总线状态机  23-25
  2.5 本章小节  25-26
3 NCUC-Bus 现场总线协议关键技术  26-40
  3.1 引言  26-28
  3.2 NCUC-Bus 通信实时性技术  28-30
  3.3 NCUC-Bus 通信同步性技术  30-34
  3.4 NCUC-Bus 可靠性技术  34-39
  3.5 本章小结  39-40
4 NCUC-Bus 现场总线协议实现  40-50
  4.1 NCUC_BUS IP 核介绍  40-41
  4.2 数据帧处理  41-43
  4.3 NCUC-Bus 数据存储区结构  43-46
  4.4 时间同步处理  46-48
  4.5 CRC 处理  48-49
  4.6 本章小结  49-50
5 NCUC-Bus 现场总线性能测试与应用  50-60
  5.1 NCUC-Bus 现场总线测试平台结构  50-52
  5.2 NCUC-Bus 现场总线实时性测试  52-53
  5.3 NCUC-Bus 现场总线时间同步性测试  53-56
  5.4 NCUC-Bus 现场总线可靠性测试  56-58
  5.5 NCUC-Bus 现场总线原型样机与应用  58-59
  5.6 本章小结  59-60
6 全文总结与展望  60-62
  6.1 全文总结  60
  6.2 展望  60-62
致谢  62-63
参考文献  63-66
附录  66

NCUC-Bus现场总线技术研究及实现

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