實時工業乙太網EtherCAT通信控制器的製作方法

2023-05-08 14:52:46

專利名稱：實時工業乙太網EtherCAT通信控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於微處理器的實時工業乙太網EtherCAT(Ethemet for Control and Automation Technology)通信控制器，屬於工業自動化控制領域。(二) 背景技術-EtherCAT是一種用於工業自動化的乙太網技術，是國際標準IEC/PAS62407 以及IS015745-4的一部分。EtherCAT使用全雙工100Mb/s乙太網，系統由一 個基於PC計算機的控制和通信主站以及若干從站通信節點組成，主站使用標 準的乙太網控制器，協議和驅動程序由軟體實現。從站通信節點使用轉發器處 理技術。如圖l所示，PC計算機主站l,具有標準100BASE-TX乙太網卡，2 為通信電纜，3、 4、 5為通信節點。控制周期由主站發起，發出下行電報，報 文的最大有效數據長度為1486位元組。在下行電報經過從站通信節點時，從站通 信節點從報文中按地址讀取各自的指令數據，並將狀態數據插入到報文中。每 個從站通信節點大約產生10ns的時間延遲。當下行電報到達最後一個從站通信 節點後，該節點將電報作為上行電報經過各個通信節點發回，到達主站，表示 一次通信結束。控制和通信主站通常為基於PC計算機的工業自動化控制裝置， 例如數控工具機控制器(CNC)和可編程控制器；從站通信節點通常連接數字 伺服驅動器、開關量輸入輸出等工業自動化執行設備以及傳感器。EtherCAT主站通常為PC計算機，使用實時作業系統，或者對普通操作系 統進行實時擴展，限制了系統的應用範圍，特別是限制了在非PC計算機控制 系統和嵌入式控制系統中的應用。(三)

發明內容
本發明的目的是提供一種基於微處理器的嵌入式EtherCAT通信控制器， 使用戶在應用EtherCAT技術時，不必開發複雜的主站通信程序，只需要開發
簡單的從站通信節點驅動程序，就能實現邏輯控制主站與邏輯控制從站之間的 通信，極大地簡化了控制主站的通信驅動程序開發工作。本發明一種實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，由通信控制器及其配 套的電腦程式組成。通信控制器是由內嵌100Mb/s乙太網控制器和USB接口控制器的微處理 器、乙太網接口電路、USB接口電路、FLASH存儲器以及其它輔助電路組成; 微處理器為核心器件，操作各外圍電路來實現功能；通信控制器作為EtherCAT 通信主站使用通信電纜連接外部節點。其中，通信控制器可以由上位PC計算機通過USB接口對通信參數進行離 線(offline)配置，配置參數存儲在通信控制器的FLASH存儲器中，供系統 獨立運行時使用。配套的電腦程式包括基於微處理器的EtherCAT主站通信程序和基於PC 的配置軟體。該EtherCAT主站通信程序的一個通信周期由兩個EtherCAT數據 幀組成，第一個數據幀定義為取數據幀，讀取各個從站通信節點的輸出數據， 第二個數據定義為發數據幀，將取回的數據經過整理髮送給相應的從站通信節 點，從而實現邏輯控制主站和邏輯控制從站之間的數據交換。通信控制器根據 配置參數配置數據幀中的報文(位置和長度)，使各個從站通信節點進行讀寫操 作，實現通信任務。在本發明中，控制系統在邏輯上也可以實現多邏輯控制主 站系統。在系統安裝階段，該基於PC的配置軟體可以通過USB總線電纜與通 信控制器通信，通過下載配置參數完成對通信控制器的任務和工作參數配置， 該配置參數包括通信周期、邏輯控制主站和從站與通信節點的映射關係、報文 地址、報文長度等。本發明一種實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，其優點及功效在於 l.擴大了 EtherCAT技術的使用範圍，控制主站可以是非PC計算機控制系統和 嵌入式控制裝置;2.不必深入了解EtherCAT技術的細節以就可以實現EtherCAT 的應用。

-圖1是EtherCAT協議運行原理；
圖2是本發明的工作原理示意圖；圖3是本發明軟體流程圖；圖4是本發明的數據取發周期控制圖；圖5是本發明由計算機配置的示意圖；圖6是圖2中通信控制器7的結構示意圖,圖中具體標號如下1、 PC計算機主站 6、 EtherCAT數據幀 9、取數據幀 12、 USB總線電纜 15、 USB接口電路2、通信電纜7、通信控制器10、發數據幀13、計算機16、乙太網接口電路3、 4、 5、通信節點8、控制單元11、取發數據周期時間14、微處理器17、 FLASH存儲器具體實施例方式本發明一種實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，由通信控制器及其配 套的電腦程式組成。該通信控制器，如圖6所示，其是由內嵌100Mb/s乙太網控制器和USB 接口控制器的微處理器14、乙太網接口電路16、 USB接口電路15、 FLASH存 儲器17以及其它輔助電路組成；2為通信電纜，12為USB總線電纜。微處理 器14為核心器件，操作各外圍電路來實現功能；通信控制器7作為EtherCAT 通信主站使用通信電纜2連接外部節點。乙太網接口電路16和微處理器14共 同完成收發乙太網數據幀的功能。配套的電腦程式包括基於微處理器的EtherCAT主站通信程序和基於PC 的配置軟體。請參閱圖2所示，通信控制器7產生和控制EtherCAT數據幀在 線路中的循環。將通信節點3定義為邏輯控制主站，由控制單元8進行操作； 將通信節點4、 5定義為邏輯控制從站。 一個通信周期由EtherCAT數據幀9和 IO組成，通信過程如下1.通信控制器7發出取數據幀9，在取數據幀9經過 通信節點3時，邏輯控制主站將對邏輯控制從站的控制命令寫在規定的報文 中；在取數據幀9經過通信節點4、 5時，邏輯控制從站將各自的狀態數據寫在 規定的報文中；2.取數據幀9返回到通信控制器7，通信控制器7對取數據幀
9處理，產生發數據幀10; 3.發出發數據幀10，在發數據幀10經過通信節點3 時，邏輯控制主站在規定的報文中讀取各邏輯控制從站的狀態數據，在發數據 幀10經過通信節點4、 5時，各邏輯控制從站從規定的報文中讀取邏輯控制主 站發出的控制命令。本發明軟體流程如圖3所示。通信控制器7周期性地進行 數據取發操作，如圖4所示，其中11為取發數據的周期時間，通常根據控制任 務要求和控制站點數量在0.1-10毫秒之間選擇。其中，通信控制器7可以由上位PC計算機通過USB接口對通信參數進行 離線(offline)配置，配置參數存儲在通信控制器的FLASH存儲器17中，供 系統獨立運行時使用。該配置參數包括通信周期、邏輯控制主站和從站與通 信節點的映射關係、報文地址、報文長度等。圖5是由PC計算機配置本發明 中通信控制器的示意圖。在PC計算機13上運行配置軟體，通過USB總線電 纜12讀寫通信控制器7上的系統配置參數。
權利要求
1、一種實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，其特徵在於其是由通信控制器及其配套的電腦程式組成；所述的通信控制器是由內嵌100Mb/s乙太網控制器和USB接口控制器的微處理器、乙太網接口電路、USB接口電路、FLASH存儲器以及其它輔助電路組成； 該微處理器為核心器件，操作各外圍電路；通信控制器作為EtherCAT通信主站使用通信電纜連接外部節點；該通信控制器可以由上位PC計算機通過USB接口對通信參數進行離線配置，配置參數存儲在通信控制器的FLASH存儲器中，供系統獨立運行時使用；所述的配套的電腦程式包括基於微處理器的EtherCAT主站通信程序和基於PC的配置軟體；該EtherCAT主站通信程序的一個通信周期由兩個EtherCAT數據幀組成，第一個數據幀定義為取數據幀，讀取各個從站通信節點的輸出數據，第二個數據定義為發數據幀，將取回的數據經過整理髮送給相應的從站通信節點，從而實現邏輯控制主站和邏輯控制從站之間的數據交換；在系統安裝階段，該基於PC的配置軟體可以通過USB總線電纜與通信控制器通信，通過下載配置參數完成對通信控制器的任務和工作參數配置。
2、 根據權利要求1所述的實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，其特徵在於 所述的通信控制器根據配置參數配置數據幀中的報文，使各個從站通信節點進 行讀寫操作。
3、 根據權利要求1或2所述的實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，其特徵 在於所述的配置參數包括通信周期、邏輯控制主站和從站與通信節點的映射 關係、報文地址、報文長度。
全文摘要
本發明涉及一種實時工業乙太網EtherCAT通信控制器，其是由通信控制器及其配套的電腦程式組成；該通信控制器是由微處理器、乙太網接口電路、USB接口電路、FLASH存儲器以及其它輔助電路組成；該配套的電腦程式包括基於微處理器的EtherCAT主站通信程序和基於PC的配置軟體；該EtherCAT主站通信程序的一個通信周期由兩個EtherCAT數據幀組成，第一個數據幀為取數據幀，讀取各從站通信節點的輸出數據，第二個數據為發數據幀，將取回的數據經整理髮送給相應的從站通信節點，實現邏輯控制主站和邏輯控制從站之間的數據交換；基於PC的配置軟體通過USB總線電纜與通信控制器通信，通過下載配置參數完成對通信控制器的任務和工作參數配置。
文檔編號G05B19/418GK101132328SQ20071012031
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月15日 優先權日2007年8月15日
發明者劉豔強, 肖文磊, 極 郇 申請人:北京航空航天大學