Design of real-time ethernet bus controller

CHEN Lingyu; YANG Lizhi; ZHAO Donglin; ZHU Wenliang

doi:10.37188/OPE.20233101.0014

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Design of real-time ethernet bus controller

Independently Cotrollable Key Technology of manufacture equipment programmable control system | 更新时间：2023-02-07

- Design of real-time ethernet bus controller
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 1, Pages: 14-26(2023)
- 作者机构：
  
  1.国防科技大学智能科学学院，湖南长沙 410073
  2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233101.0014
  CLC： TP273
- Received：02 September 2022，
  
  Revised：30 September 2022，
  
  Published：10 January 2023
- 稿件说明：
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陈凌宇,杨立志,赵东林等.实时以太网总线控制器设计[J].光学精密工程,2023,31(01):14-26.

CHEN Lingyu,YANG Lizhi,ZHAO Donglin,et al.Design of real-time ethernet bus controller[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):14-26.
陈凌宇,杨立志,赵东林等.实时以太网总线控制器设计[J].光学精密工程,2023,31(01):14-26. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0014.

CHEN Lingyu,YANG Lizhi,ZHAO Donglin,et al.Design of real-time ethernet bus controller[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):14-26. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0014.

摘要

在总线式控制系统中，现场总线的传输速率和同步精度是影响多轴协同加工任务完成速度和精度的关键因素。为满足高速、高精制造装备对控制系统现场总线传输速率、同步精度的性能要求，解决工业通信总线信息安全问题，以国产FPGA芯片为平台，设计符合IEEE802.3规范的通用以太网接口电路，构建线型级联网络拓扑架构。通过研究工业控制过程数据与服务数据的通道传输原理，提出了一种通道映射的数据传输方法，使总线数据的传输效率得到提升。采用分布式时钟同步机制，利用时间戳计算网络传输延时和时间偏移，通过对总线控制器进行补偿达到同步控制的目的。实验结果表明，所设计的高精度同步实时以太网总线控制器，在100 Mb/s以太网链路中最小通信周期可达250 μs，网络各节点的同步精度小于50 ns，达到国际先进水平。

Abstract

In a bus-based control system， the transmission rate and synchronization accuracy of the fieldbus are key factors affecting the speed and accuracy of multi-axis collaborative machining tasks. To satisfy the performance requirements of high-speed and high-precision manufacturing equipment， the transmission rate and synchronization accuracy of the control system must be optimized and the information security of industrial communication must be ensured. Based on domestic FPGA chip， a general Ethernet interface circuit that conforms to the IEEE802.3 specification is designed and a linear cascaded network topology is constructed in this study. Considering the channel transmission principle of industrial control process and service data， a data transmission method for channel mapping is proposed， improving the bus efficiency. A distributed clock synchronization mechanism is used to calculate the network transmission delay and time offset using timestamps， and synchronization control is achieved by compensating for the bus controller. Experimental results show that the designed high-precision synchronous real-time Ethernet bus controller can achieve a minimum communication period of 250 μs in a 100 Mb/s Ethernet link， and that the synchronization accuracy of each node in the network is less than 50 ns， which corresponds to the international advanced level.

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