發(fā)布時(shí)間：2014-12-31 10:16

 

【摘要】 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和以工業(yè)以太網(wǎng)為典型的新型現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的迅速蔓延為生產(chǎn)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。其中基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)總線以其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸高速高效,以及實(shí)現(xiàn)成本低廉等特點(diǎn)成為當(dāng)今和未來(lái)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的方向。開(kāi)展基于EtherCAT,總線相關(guān)接口技術(shù)的研究開(kāi)發(fā),對(duì)于提升我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文以基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)為研究背景,重點(diǎn)研究EtherCAT總線協(xié)議,主站控制系統(tǒng)架構(gòu),軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試方法等幾個(gè)方面。本文首先對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展情況進(jìn)行介紹,闡述了工業(yè)以太網(wǎng)和EtherCAT,總線的工作原理,并深入分析了EtherCAT,總線協(xié)議。接著,詳細(xì)分析系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),將EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)與ARM嵌入式技術(shù)相結(jié)合,提出了基于EtherCAT主站系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案,對(duì)主站電路原理圖的各個(gè)功能單元關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的論述,并最終完成了主站系統(tǒng)的PCB局布線設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了EMC方面的設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。然后,提出了基于Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的架構(gòu),詳細(xì)闡述EtherCAT主站系統(tǒng)軟件方面設(shè)計(jì),介紹軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分析了EtherCAT主站與從站之間通訊的實(shí)現(xiàn)機(jī)理,通過(guò)對(duì)應(yīng)用層模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā),完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。最后,在軟硬件完成的基礎(chǔ)上搭建測(cè)試平臺(tái),選用BECKHOFF公司所生產(chǎn)的EtherCAT,總線耦合器BK1120和I/O模塊(KL2809、KL1809)組成從站系統(tǒng),與本課題所設(shè)計(jì)的EtherCAT的主站模塊組成整套系統(tǒng),并進(jìn)行測(cè)試和結(jié)果分析。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：EtherCAT主站軟硬件設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。 

1緒論

1.1課題的研究背景及意義
隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)以其傳輸速率高、數(shù)據(jù)量大、應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、兼容性和開(kāi)放性好等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的缺陷。從信息集成的角度出發(fā)，將現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)相結(jié)合是企業(yè)實(shí)現(xiàn)“管控一體化”的最好方案。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。其中，以基于普通工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸而來(lái)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷完善和標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)己成為當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有更廣泛的應(yīng)用性、豐富的軟硬件資源，并且其支持所有的編程語(yǔ)言。另外基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)、以通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫對(duì)接。在工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)己經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究課題。目前世界上比較成熟的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)如下：Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profmet、Powerlink、EtherCAT 以及我國(guó)研制的EPA 等。其中 EtherCAT(Ethemet for Control Automation Technology)標(biāo)準(zhǔn)總線以其卓越的優(yōu)點(diǎn)正獲得越來(lái)越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的青睞，該工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是由德國(guó)BECKHOFF自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。
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1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1工業(yè)以太網(wǎng)研究現(xiàn)狀
國(guó)際電工委員會(huì)IEC幵始修訂實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(real-timeethemet, RTE)標(biāo)準(zhǔn)，目的在于推動(dòng)工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)通信技術(shù)的全面應(yīng)用國(guó)外的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)早在1995年左右就開(kāi)始了對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的研究，然而國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究才剛剛幵始，目前也只是處于理論階段。世界上成立了許多關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)的行業(yè)協(xié)會(huì)和組織，在歐洲，成立了以推廣Ethernet在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用為目的聯(lián)盟IANOA。在美國(guó)，成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)（IndustrialEthernet Association，lEA ),其目的在于推動(dòng)建立工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)；目前，世界上各大公司以及標(biāo)準(zhǔn)組織所提出工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要有：Modbus/TCP、EtherNet/IP、ProfiNET、EtherCAT 以及我國(guó)研制的 EPA 等。我國(guó)于2005年02月自主研發(fā)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EPA通信協(xié)議Real lime Ethemet EPA(Ethemet for Plant Automation)順利通過(guò)IEC各國(guó)家委員會(huì)的投票，正式成為lEC/PAS62409文件。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，幵展了 EPA( ethemet for plant automation)技術(shù)的研究，由浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、大連理工等單位聯(lián)合成立的工作組，經(jīng)過(guò)3年多的努力，以高效、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和UDP/1P協(xié)議的確定性通信調(diào)度策略為基礎(chǔ)，將大量成熟網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通訊[4],為適用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作建立起了一種全新的標(biāo)準(zhǔn)。
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2 EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)介紹

2.1工業(yè)以太網(wǎng)
工業(yè)以太網(wǎng)，一般是指在技術(shù)上兼容商用以太網(wǎng)，但在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)兩者是有所區(qū)別的，對(duì)于材料、產(chǎn)品的強(qiáng)度、實(shí)時(shí)性、互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性和適用性等方面要能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求。工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)始在控制層網(wǎng)熬中逐漸占據(jù)主流位置，并且滲透到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)[7~9]。工業(yè)以太網(wǎng)有以下幾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
(1)以太網(wǎng)是一種全幵放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)在水平層面上集成不同廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；
(2)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)在垂直方向上的集成，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)；
(3)通信速率高，當(dāng)前廣泛使用10M和100M快速以太網(wǎng)能夠滿足企業(yè)信息系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬和性能要求。在許多情況下，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)無(wú)法滿足傳輸要求。目前千兆以太網(wǎng)技術(shù)己經(jīng)逐漸成熟，并開(kāi)始適用，10G以太網(wǎng)也正在研究當(dāng)中。
(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ�，用戶在技術(shù)升級(jí)方面可以共享資源，而無(wú)需獨(dú)自的研究投入，相比較，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都是無(wú)法達(dá)到的。
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2.2 EtherCAT總線技術(shù)
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)作為一種更為新型超高速總線，是2003年由德國(guó)BECHHOFF公司推出的一種可直達(dá)I/O層的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)[13]。EtherCAT為系統(tǒng)以其高實(shí)時(shí)性和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為現(xiàn)場(chǎng)總線建立了新的標(biāo)準(zhǔn)，縮減了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本。EtherCAT總線適用性非常廣泛，任何帶有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)芯片的控制單元都可以作為EtherCAT主站。EtherCAT總線有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸量大，高效高速，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。數(shù)據(jù)刷新周期短，可用于工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制，1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間僅為30tis，與100個(gè)伺服軸的通訊只需10(Hxs，另外分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了軸與軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒，因此非常適用作伺服技術(shù)中閉環(huán)控制[16]。EtherCAT能實(shí)現(xiàn)從最高層管理層到最底層設(shè)備接口信息的無(wú)縫連接，不但能實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)的髙效交換,而且能滿足基于PC機(jī)實(shí)時(shí)控制的技術(shù)要求，因此，非常適用于過(guò)程數(shù)據(jù)的優(yōu)化傳輸。
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3 ETHERCAT控制器主站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)....... 16
3.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)....... 16
3.2主站控制器的硬件電路原理圖設(shè)計(jì)....... 16
3.3 PCB 布局....... 34
3.4PCB 布線 .......35
3.5系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)....... 37
3.6本章小結(jié) .......37
4 ETHERCAT控制器主站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)....... 38
4.1軟件系統(tǒng)幵發(fā)平臺(tái).......38
4.2主站軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)....... 38
4.3主站軟件具體實(shí)現(xiàn)方式 .......40
4.4主站狀態(tài) .......41
4.5數(shù)據(jù)幀通訊管理....... 43
4.6應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)....... 44
4.6.1主站和從站的配置....... 44
4.6.2周期任務(wù)的實(shí)現(xiàn)....... 46
4.7本章小結(jié) .......46
5系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)....... 47
5.1系統(tǒng)功能要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)....... 47
5.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建....... 47
5.3實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果分析....... 49
5.4本章小結(jié) .......51

5系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

5.1系統(tǒng)功能要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)
通過(guò)本課題所設(shè)計(jì)的EtherCAT主站與BECKHOFF公司所生產(chǎn)的EtherCAT總線耦合器和數(shù)字量輸入輸出模塊組成測(cè)試平臺(tái)。主從站之間進(jìn)行通訊從而控制數(shù)字量輸出模塊輸出數(shù)字量信號(hào)。使用抓包工具WireShark,抓取主站與從站之間通訊的數(shù)據(jù)包，分析主從站之間是否能正常通訊。另外通過(guò)使用PC機(jī)上所安裝的OPC軟件，可以直接獲取相關(guān)的系統(tǒng)重要設(shè)備信息如CPU使用率、數(shù)據(jù)處理時(shí)間和掃描周期等等。其中EtherCAT主站為本課題所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，EtherCAT從站選用的是德國(guó)倍福公司所生產(chǎn)的EtherCAT總線耦合器BK1120,數(shù)字量輸出模塊KL2809和數(shù)字量輸入模塊KL1809所組成的從站系統(tǒng)。通過(guò)主站與從站之間的實(shí)時(shí)通訊，從而可以實(shí)現(xiàn)控制數(shù)字信號(hào)輸出和檢測(cè)數(shù)字信號(hào)的輸入。因此可以通過(guò)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本課題所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的控制通信功能和產(chǎn)品實(shí)時(shí)性操作的性能。
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結(jié)論

本文首先介紹了課題的研究背景，引出工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀。其次，通過(guò)分析EtherCAT總線的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，深入研究了 EtherCAT系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、報(bào)文尋址、通訊管理以及狀態(tài)機(jī)。接著詳細(xì)介紹了 EtherCAT主站模塊的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，近一步驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效果，并通過(guò)最終的結(jié)果分析，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合EtherCAT協(xié)議規(guī)程。本文主要完成了一下幾個(gè)方面的工作：
1.深入研究了 EtherCAT總線技術(shù)，筆耕文化推薦期刊，分析了主從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及主從通訊的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。
2.通過(guò)將ARM嵌入式技術(shù)與EtherCAT總線技術(shù)相結(jié)合，完成了 EtherCAT主站硬件電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)增加必要的EMC設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性。
3.提出了基于Lirmx操作系統(tǒng)EtherCAT主站的軟件架構(gòu)，一定程度上提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。通過(guò)完成了 EtherCAT協(xié)議棧開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了主從之間的基本通訊。
4.根據(jù)設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，搭建測(cè)試平臺(tái)，并最終完成系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試-

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參考文獻(xiàn):

[1] 李建峰,蘇金濤.  基于DSP和PowerPC的EtherCAT主站控制器設(shè)計(jì)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù). 2013(16)
[2] 張少勛,郗曉田.  基于Linux-RTAI的EtherCAT主站研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程. 2013(10)
[3] 馬春敏,康存鋒,黃旭東,鄭學(xué)科,楊建武,費(fèi)仁元.  基于Linux的EtherCAT主站的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化. 2011(08)
[4] 賈紅輝,夏煥軍.  PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容性淺析[J]. 信息與電腦(理論版). 2010(06)
[5] 王維建.  工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)的原理及其實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2010(13)
[6] 馬世平.  現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[J]. 機(jī)電一體化. 2007(03)
[7] 陳獻(xiàn)鐸,孫國(guó)鋒,韓學(xué)崗.  工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)特點(diǎn)[J]. 山東化工. 2006(03)
[8] 姜曉林,韓江,夏鏈,成勇.  現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用分析[J]. 現(xiàn)代制造工程. 2006(03)
[9] 向紅權(quán),蘇先海,王瑛.  PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容性[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2006(06)
[10] 沈航,徐紅泉,蔡慧,吳靖.  工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置. 2005(01)



本文編號(hào)：10949