基于EtherCAT工业以太网的数据采集系统的研究

摘要

传统的现场总线系统缺少网络通信功能，存在开放性与实时性不足以及兼容性差等缺点，不能满足现代工业控制对实时性及网络化的要求。随着工业4.0的兴起和智能工厂概念的提出，工业以太网在自动控制中的应用越来越广泛。与传统的现场总线相比，工业以太网具有传输速度快、通信距离长、实时性好、数据传输量大、开发成本低等优点。将工业以太网用于数据采集已经成为了数据采集系统的发展趋势。因此，本文在分析了各种工业以太网优缺点的基础上，开展了基于EtherCAT工业以太网的数据采集系统的研究。
　　首先，根据主站的组成方式，选用装有标准网卡的PC机作为主站，选择TwinCAT软件作为主站上位机对从站进行管理。根据从站的应用需求确定了从站的设计方案。通过分析以太网报文在EtherCAT从站控制器中的传输特点、研究从站控制器的自动回环功能，为数据采集系统设计了具有冗余功能的环形拓扑结构。
　　然后根据EtherCAT数据链路层专用芯片ET1100的结构和功能，自主开发了一套EtherCAT从站硬件设备。为提高设备的通用性和可维护性，从站采用了模块化的设计，包括微处理器电路，从站接口卡和信号调理电路三个模块。为提高电路板的电磁兼容性能，对PCB设计进行了合理的布局、分层和布线。
　　对系统主从站软件进行了设计。主站方面，首先对TwinCAT的ADS通讯协议进行了研究，使用Visual C++设计了TwinCAT ADS接口程序。其次根据从站配置文件结构，使用XML语言设计了从站配置文档。从站方面，为方便从站功能的扩展，分析了EtherCAT从站协议栈的整体架构和CANopen协议的标准，在EtherCAT从站协议栈中实现了CANOpen DS401协议的对象字典。并且针对工程上常用数字滤波算法的不足，提出了一种改进的数字滤波算法。
　　最后在以上软硬件的基础上搭建了完整的EtherCAT数据采集系统实验平台，对设备的实时性、同步性、准确性进行了测试，对系统的远程访问能力和冗余拓扑结构的可靠性进行了验证。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容

第2章 EtherCAT基本原理与系统总体方案

2.1引言

2.2 EtherCAT基本原理

2.3系统总体设计

2.4主站组成与设计方案

2.5从站组成与设计方案

2.6系统冗余拓扑方案

2.7本章小结

第3章 数据采集系统的硬件设计

3.1引言

3.2微处理器电路设计

3.3从站接口卡设计

3.4信号调理电路设计与仿真

3.5电路板电磁兼容性设计

3.6本章小结

第4章 数据采集系统的软件设计

4.1引言

4.2主站软件系统设计

4.3从站网络接口程序

4.4数据采集程序

4.5本章小结

第5章 系统搭建及性能测试

5.1引言

5.2实验平台搭建

5.3系统总线性能测试

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢