發(fā)布時間：2020-12-12 21:33

　　傳統(tǒng)現(xiàn)場總線由于分類標(biāo)準(zhǔn)繁多無法統(tǒng)一、傳輸數(shù)據(jù)量小等缺點越來越難以滿足不斷發(fā)展的工業(yè)控制需求,基于以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場總線逐漸成為一個重要的發(fā)展方向。EtherCAT是一種實時可靠的工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù),具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速度快、效率高等優(yōu)點。本論文設(shè)計了一套EtherCAT主站協(xié)議棧的完整方案,分別使用RTX和Xenomai實時擴展內(nèi)核提升了Windows和Linux兩個系統(tǒng)平臺下主站系統(tǒng)的實時性能,并提出一種時鐘漂移補償計算方法提高了主從系統(tǒng)間的同步精度。本文首先研究了EtherCAT總線協(xié)議,深入解析物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層多個協(xié)議要點,包括物理傳輸標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、尋址方式、通信服務(wù)命令、分布時鐘、狀態(tài)機、存儲同步管理通道以及CoE協(xié)議。通過對EtherCAT協(xié)議和主從站通信需求的深入分析,實現(xiàn)了由主站協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)通信硬件組成的EtherCAT主站系統(tǒng)。主站協(xié)議棧根據(jù)功能劃分為四個模塊:協(xié)議配置模塊、通信運行模塊、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊和應(yīng)用層接口模塊。各模塊根據(jù)設(shè)計要求互相配合,實現(xiàn)從站各狀態(tài)下配置協(xié)議通道、控制從站狀態(tài)轉(zhuǎn)換、在從站運行期間收發(fā)過程數(shù)據(jù)幀控制從站輸出的功能。深入研究了... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：97 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

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圖 4-2 RTX/Windows 延遲測試結(jié)果4.1.2 Xenomai/Linux 實時系統(tǒng)Linux 是一個高可靠性、高可移植性、可剪裁、免費的操作系統(tǒng)，最大的特點是源代碼完全公開，具有功能強大、開發(fā)工具多等特點。Linux 系統(tǒng)存在快速執(zhí)行服務(wù)程序而關(guān)閉中斷的機制，高優(yōu)先級任務(wù)無法搶占低優(yōu)先級任務(wù)運行，增加了中斷響應(yīng)和任務(wù)調(diào)度時間，極大地破壞了實時性。同時 Linux 系統(tǒng)時鐘粒度粗糙，系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)能達(dá)到的最小周期相對過大，接近 1ms 左右，而一般伺服系統(tǒng)的最小控制周期已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 1ms。同時如果系統(tǒng)時鐘粒度設(shè)置太小，會增大系統(tǒng)資源開銷降低系統(tǒng)吞吐率[64]。因此配置一個實時 Linux 系統(tǒng)是開發(fā) EtherCAT 實時主站的前提條件之一。Linux 實時改造方法包括修改 Linux 內(nèi)核源碼和雙內(nèi)核法[65]。修改內(nèi)核源碼可以通過安裝 Preempt_RT 實時補丁實現(xiàn)操作[66]。雙內(nèi)核法是在 Linux 內(nèi)核外擴展一個用于執(zhí)行實時任務(wù)的微內(nèi)核，兩個內(nèi)核在同一個硬件平臺配合工作，對原有內(nèi)核的修改小，保

圖 4-4 Xenomai 1ms 延遲測試結(jié)果分析該測試結(jié)果，在 1ms 調(diào)度情況下沒有出錯，平均延遲時間小于 1.5μs，最間低于 16μs。根據(jù)該測試結(jié)果可知，Xenomai/Linux 實時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有時性能，能夠滿足高速高精度的工業(yè)運動控制領(lǐng)域的實時性需求。 實時網(wǎng)絡(luò)通信在工業(yè)控制計算機平臺上常使用集成網(wǎng)卡完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的通為保證主站軟件網(wǎng)絡(luò)通信收發(fā) EtherCAT 數(shù)據(jù)幀的實時性，需要將系統(tǒng)平臺的設(shè)備添加到相應(yīng)的實時擴展系統(tǒng)中，配置實時的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。RTX 和 X絡(luò)通信及網(wǎng)卡驅(qū)動配置安裝方式互不相同，分別介紹如下。（1）RTX 子系統(tǒng)提供有實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)通信的接口函數(shù)，同時提供有網(wǎng)卡設(shè)備件。網(wǎng)卡設(shè)備默認(rèn)為 Windows 的硬件設(shè)備，在 RTX 屬性控制面板或 Wind理器的網(wǎng)卡驅(qū)動安裝界面中選取 INF 文件即可轉(zhuǎn)換到 RTX 子系統(tǒng)下。程序開發(fā)過程中，RTX 網(wǎng)卡初始化函數(shù)需要輸入目標(biāo)網(wǎng)卡設(shè)備的型號、PCI 總

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
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[3]實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT主站的研究與設(shè)計[D]. 李俊杰.廣東工業(yè)大學(xué) 2016
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[10]基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)主站設(shè)計與應(yīng)用研究[D]. 楊林.南京理工大學(xué) 2014



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