基于EtherCAT的嵌入式网关适配器的研究和设计

摘要

随着以现代通信技术为代表的信息产业的迅猛发展，现场总线技术在工业控制领域中已经成为数据通信的主导。近年来，随着以太网技术进入工业控制领域，工业以太网技术应运而生。工业以太网克服了传统现场总线的诸多缺点，深刻的影响了工业控制领域。德国BECKHOFF公司提出的EtherCAT工业以太网技术具有拓扑结构灵活、系统配置简单、开发成本低和高效高速等特点，正被越来越多的网络工业设备开发商所关注。
　　本论文提出了一种基于EtherCAT协议的嵌入式网关适配器的设计方案。作者针对适配器实时性差和组态复杂这两个问题，提出了增加从单片机提前进行预处理的方式，处理适配器模块与I/O模块的通信，有效地提高了适配器的实时处理能力。
　　本文首先简要介绍了当前工业以太网技术特别是EtherCAT在国内外的发展现状，然后详细分析了EtherCAT协议的系统构成、数据帧结构和通信模式等重要内容。然后基于STM32嵌入式单片机，给出了嵌入式硬件的总体设计，分模块介绍了电路各个部分，包括主从单片机电路、时钟复位电路、ET1100电路等主要部分。在此基础上，基于EtherCAT协议和uC/OS-Ⅲ操作系统，针对软件功能需求，完成了驱动程序和业务程序的开发。最后，根据设计指标，进行系统测试，取得了令人满意的结构，达到了设计要求。同时，给出了通过测试过程以及平时研究过程中发现的不足和改进方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 工业以太网发展概述

1．2．2 EtherCAT的特点与发展现状

1．3 课题完成的主要工作

1．4 论文结构

2 总体方案设计

2．1 EtherCAT适配器功能描述

2．2 EtherCAT适配器应用场景

2．3 EtherCAT适配器技术指标

2．4 EtherCAT适配器硬件架构

2．4．1 适配器的硬件总体架构

2．4．2 嵌入式单片机选型

2．4．3 EtherCAT从站协议控制芯片选型

2．4．4 以太网物理层器件选型

2．5 EtherCAT适配器软件架构

2．5．1 适配器的软件总体架构

2．5．2 嵌入式操作系统选型

2．6 本章小结

3 EtherCAT协议

3．1 EtherCAT系统组成

3．1．1 EtherCAT主站组成

3．1．2 EtherCAT从站组成

3．1．3 EtherCAT物理拓扑结构

3．2 EtherCAT数据帧结构

3．3 EtherCAT通信

3．3．1 EtherCAT报文寻址方式

3．3．2 EtherCAT通信服务

3．3．3 EtherCAT通信模式

3．4 EtherCAT状态机及各状态关系

3．5 EtherCAT应用层协议

3．6 本章小结

4 基于嵌入式单片机的网关适配器硬件设计

4．1 硬件整体设计

4．2 外围配置电路

4．2．1 电源电路

4．2．2 复位电路

4．2．3 PHY器件及以太网接口电路

4．2．4 LED电路

4．3 通信电路

4．3．1 ET1100电路

4．3．2 主从单片机接口电路

4．3．3 485电路

4．4 本章小结

5 基于uC／OS-Ⅲ的嵌入式软件设计

5．1 软件整体设计

5．1．1 嵌入式驱动整体设计

5．1．2 嵌入式软件整体设计

5．2 uC／OS-Ⅲ操作系统移植

5．2．1 官方库代码编译

5．2．2 时基相关修改

5．2．3 官方库代码裁剪

5．2．4 操作系统移植测试

5．3 嵌入式驱动部分

5．3．1 EtherCAT对象字典动态初始化驱动

5．3．2 ET1100驱动

5．3．3 代码升级驱动

5．3．4 从单片机通信驱动

5．4 嵌入式软件部分

5．4．1 EtherCAT协议栈移植

5．4．2 组态交互任务

5．4．3 PLC交互任务

5．4．4 从站交互任务

5．5 本章小结

6 系统测试

6．1 测试环境搭建

6．1．1 测试系统组成

6．1．2 上位机组态软件介绍

6．1．3 TwinCAT配置

6．2 测试方案

6．2．1 TwincAT通信测试方案

6．2．2 扫描周期测试方案

6．2．3 升级测试方案

6．3 系统测试

6．3．1 TwinCAT通信测试

6．3．2 扫描周期测试

6．3．3 升级测试

6．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献