【摘要】 隨著網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展和以工業(yè)以太網(wǎng)為典型的新型現(xiàn)場總線技術(shù)的迅速蔓延為生產(chǎn)自動控制網(wǎng)絡化奠定了基礎。其中基于EtherCAT的工業(yè)以太網(wǎng)總線以其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)靈活、系統(tǒng)配置簡單、數(shù)據(jù)傳輸高速高效,以及實現(xiàn)成本低廉等特點成為當今和未來工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的方向。開展基于EtherCAT,總線相關(guān)接口技術(shù)的研究開發(fā),對于提升我國工業(yè)自動化水平具有重要的現(xiàn)實意義。本論文以基于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場控制系統(tǒng)為研究背景,重點研究EtherCAT總線協(xié)議,主站控制系統(tǒng)架構(gòu),軟硬件設計和系統(tǒng)測試方法等幾個方面。本文首先對工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展情況進行介紹,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)的硬件設計方案,對主站電路原理圖的各個功能單元關(guān)鍵技術(shù)和設計進行詳細的論述,并最終完成了主站系統(tǒng)的PCB局布線設計。在硬件設計過程中增加了EMC方面的設計,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)的實時控制系統(tǒng)的架構(gòu),詳細闡述EtherCAT主站系統(tǒng)軟件方面設計,介紹軟件系統(tǒng)的開發(fā)平臺和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分析了EtherCAT主站與從站之間通訊的實現(xiàn)機理,通過對應用層模塊進行開發(fā),完成系統(tǒng)的軟件設計。最后,在軟硬件完成的基礎上搭建測試平臺,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),與本課題所設計的EtherCAT的主站模塊組成整套系統(tǒng),并進行測試和結(jié)果分析。最終實驗結(jié)果表明：EtherCAT主站軟硬件設計符合設計要求。 

1緒論

1.1課題的研究背景及意義
隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)以其傳輸速率高、數(shù)據(jù)量大、應用廣泛、技術(shù)成熟、兼容性和開放性好等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的缺陷。從信息集成的角度出發(fā)，將現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結(jié)合是企業(yè)實現(xiàn)“管控一體化”的最好方案。經(jīng)過多年的努力，目前以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)自動化系統(tǒng)。其中，以基于普通工業(yè)以太網(wǎng)基礎上延伸而來的實時以太網(wǎng)技術(shù)的不斷完善和標準化，實時工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)己成為當前工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。工業(yè)以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有更廣泛的應用性、豐富的軟硬件資源，并且其支持所有的編程語言。另外基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)、以通過簡單的網(wǎng)絡設備進行組網(wǎng)，可實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡與辦公自動化網(wǎng)絡的無縫對接。在工業(yè)控制領域，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)己經(jīng)成為一個熱門的研究課題。目前世界上比較成熟的工業(yè)以太網(wǎng)標準如下：Modbus/TCP、EtherNet/IP、Profmet、Powerlink、EtherCAT 以及我國研制的EPA 等。其中 EtherCAT(Ethemet for Control Automation Technology)標準總線以其卓越的優(yōu)點正獲得越來越多的產(chǎn)品研發(fā)人員的青睞，該工業(yè)以太網(wǎng)標準是由德國BECKHOFF自動化公司開發(fā)設計的。
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1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1工業(yè)以太網(wǎng)研究現(xiàn)狀
國際電工委員會IEC幵始修訂實時以太網(wǎng)(real-timeethemet, RTE)標準，目的在于推動工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)通信技術(shù)的全面應用國外的企業(yè)及研究機構(gòu)早在1995年左右就開始了對工業(yè)以太網(wǎng)的研究，然而國內(nèi)對工業(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)會和組織，在歐洲，成立了以推廣Ethernet在工業(yè)自動化領域和嵌入式系統(tǒng)領域的應用為目的聯(lián)盟IANOA。在美國，成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會（IndustrialEthernet Association，lEA ),其目的在于推動建立工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)通訊標準；目前，世界上各大公司以及標準組織所提出工業(yè)以太網(wǎng)標準協(xié)議主要有：Modbus/TCP、EtherNet/IP、ProfiNET、EtherCAT 以及我國研制的 EPA 等。我國于2005年02月自主研發(fā)的實時以太網(wǎng)EPA通信協(xié)議Real lime Ethemet EPA(Ethemet for Plant Automation)順利通過IEC各國家委員會的投票，正式成為lEC/PAS62409文件。在國家863計劃的支持下，幵展了 EPA( ethemet for plant automation)技術(shù)的研究，由浙江大學、中國科學院沈陽自動化研究所、清華大學、大連理工等單位聯(lián)合成立的工作組，經(jīng)過3年多的努力，以高效、穩(wěn)定、標準的以太網(wǎng)和UDP/1P協(xié)議的確定性通信調(diào)度策略為基礎，將大量成熟網(wǎng)絡信息技術(shù)應用于工業(yè)現(xiàn)場設備之間通訊[4],為適用于現(xiàn)場設備的實時工作建立起了一種全新的標準。
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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)，但在設計相關(guān)產(chǎn)品時兩者是有所區(qū)別的，對于材料、產(chǎn)品的強度、實時性、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)場需求。工業(yè)以太網(wǎng)開始在控制層網(wǎng)熬中逐漸占據(jù)主流位置，并且滲透到現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡[7~9]。工業(yè)以太網(wǎng)有以下幾點技術(shù)優(yōu)勢：
(1)以太網(wǎng)是一種全幵放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡，根據(jù)網(wǎng)絡協(xié)議可以實現(xiàn)在水平層面上集成不同廠商的網(wǎng)絡設備；
(2)以太網(wǎng)可以實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡在垂直方向上的集成，形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡；
(3)通信速率高，當前廣泛使用10M和100M快速以太網(wǎng)能夠滿足企業(yè)信息系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡帶寬和性能要求。在許多情況下，現(xiàn)場總線已經(jīng)無法滿足傳輸要求。目前千兆以太網(wǎng)技術(shù)己經(jīng)逐漸成熟，并開始適用，10G以太網(wǎng)也正在研究當中。
(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ�，用戶在技術(shù)升級方面可以共享資源，而無需獨自的研究投入，相比較，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法達到的。
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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BECHHOFF公司推出的一種可直達I/O層的實時以太網(wǎng)技術(shù)[13]。EtherCAT為系統(tǒng)以其高實時性和靈活的拓撲結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場總線建立了新的標準，縮減了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT總線適用性非常廣泛，任何帶有標準以太網(wǎng)芯片的控制單元都可以作為EtherCAT主站。EtherCAT總線有靈活的拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸量大，高效高速，實時性強等突出特點。數(shù)據(jù)刷新周期短，可用于工業(yè)的現(xiàn)場的實時控制，1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新時間僅為30tis，與100個伺服軸的通訊只需10(Hxs，另外分布式時鐘技術(shù)保證了軸與軸之間的同步時間偏差小于1微秒，因此非常適用作伺服技術(shù)中閉環(huán)控制[16]。EtherCAT能實現(xiàn)從最高層管理層到最底層設備接口信息的無縫連接，不但能實現(xiàn)各個設備之間的實時采樣數(shù)據(jù)的髙效交換,而且能滿足基于PC機實時控制的技術(shù)要求，因此，非常適用于過程數(shù)據(jù)的優(yōu)化傳輸。
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3 ETHERCAT控制器主站系統(tǒng)硬件設計....... 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計....... 16
3.3 PCB 布局....... 34
3.4PCB 布線 .......35
3.5系統(tǒng)EMC設計....... 37
3.6本章小結(jié) .......37
4 ETHERCAT控制器主站系統(tǒng)軟件設計....... 38
4.1軟件系統(tǒng)幵發(fā)平臺.......38
4.2主站軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)....... 38
4.3主站軟件具體實現(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應用程序開發(fā)....... 44
4.6.1主站和從站的配置....... 44
4.6.2周期任務的實現(xiàn)....... 46
4.7本章小結(jié) .......46
5系統(tǒng)測試與實驗....... 47
5.1系統(tǒng)功能要求和設計指標....... 47
5.2實驗平臺搭建....... 47
5.3實驗步驟及結(jié)果分析....... 49
5.4本章小結(jié) .......51

5系統(tǒng)測試與實驗

5.1系統(tǒng)功能要求和設計指標
通過本課題所設計的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試平臺。主從站之間進行通訊從而控制數(shù)字量輸出模塊輸出數(shù)字量信號。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。另外通過使用PC機上所安裝的OPC軟件，可以直接獲取相關(guān)的系統(tǒng)重要設備信息如CPU使用率、數(shù)據(jù)處理時間和掃描周期等等。其中EtherCAT主站為本課題所設計的產(chǎn)品，EtherCAT從站選用的是德國倍福公司所生產(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)。通過主站與從站之間的實時通訊，從而可以實現(xiàn)控制數(shù)字信號輸出和檢測數(shù)字信號的輸入。因此可以通過此實驗進一步驗證本課題所設計產(chǎn)品的控制通信功能和產(chǎn)品實時性操作的性能。
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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，通過分析EtherCAT總線的實現(xiàn)機理，深入研究了 EtherCAT系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、報文尋址、通訊管理以及狀態(tài)機。接著詳細介紹了 EtherCAT主站模塊的軟硬件系統(tǒng)的設計，并完成硬件和軟件的設計。最后通過實驗，近一步驗證了系統(tǒng)設計的效果，并通過最終的結(jié)果分析，設計的產(chǎn)品符合EtherCAT協(xié)議規(guī)程。本文主要完成了一下幾個方面的工作：
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)以及主從通訊的實現(xiàn)機理。
2.通過將ARM嵌入式技術(shù)與EtherCAT總線技術(shù)相結(jié)合，完成了 EtherCAT主站硬件電路設計，并通過增加必要的EMC設計，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)控制的實時性。通過完成了 EtherCAT協(xié)議棧開發(fā)，實現(xiàn)了主從之間的基本通訊。
4.根據(jù)設計要求和性能指標，搭建測試平臺，并最終完成系統(tǒng)的軟硬件測試-

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本文編號：10949