基于EtherCAT总线的串联型分布式数据采集系统的设计与实现

摘要

在实验现场和工业现场环境下进行数据采集时，经常会遇到被测物理量种类多、测点位置分散、测点数量多、通信实时性要求高等问题。为了很好地解决这些问题，本论文设计了一套基于EtherCAT总线的分布式数据采集系统。EtherCAT协议是目前存在的实时性和可靠性最高的工业以太网协议之一，它采用改进的以太网协议实现，并由硬件电路完成协议功能，充分保证了通信的实时性和可靠性。EtherCAT网络采用“一主多从”式控制结构，主站使用普通的PC机即可实现，从站使用专门的控制芯片完成通信任务。在本系统中，任何输出1-5V标准电压信号的传感器都可以与从站相连，使系统可以采集多种物理量。系统中每个从站只连接一个传感器，并与传感器一起布置在测点位置，根据测点数量的多少灵活增减从站数量。数据采集系统的分布式结构非常适用于测点位置分散、测点数量多的数据采集和监控场合。
　　论文首先概述了数据采集系统的发展趋势与研究现状，分析得出分布式数据采集系统是主流的发展趋势之一。同时对比分析了几种常用的工业以太网技术，结果表明EtherCAT以太网在实时性、可靠性和拓扑结构灵活性方面非常突出。然后，详细介绍了本套数据采集系统的整体结构和工作原理，并分析了系统的结构优势。其次，分别从整体架构、物理层、数据链路层和应用层方面介绍了EtherCAT协议的工作原理。再次，详细阐述了系统主站软件的设计过程，包括主站软件的功能需求分析，多线程和多媒体定时器编程技术介绍，以及主站各个功能模块的编程实现。而后，分析了系统从站电路的功能结构特点，将从站电路分成了EtherCAT网络通信模块、模拟信号处理模块、微处理器控制模块和电源管理模块四大功能模块并依次介绍了各个功能模块的电路设计，给出了各模块的关键部分电路原理图。又介绍了整个从站电路板的PCB设计，交代了电路板中各项PCB设计参数和应该注意的抗干扰设计原则。
　　最后，我们借助实验室资源，利用本系统搭建了波高数据采集平台，通过实际采集波浪水池中不同位置的波浪高度数据，测试并分析了系统的各项参数。测试结果表明本论文设计的数据采集系统的最高数据采集频率可达1KHz，响应时间在250us左右且报文收发时间间隔分布均匀，具有很好的实时性和可靠性，达到了初期设计目标。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 数据采集系统的发展及研究现状

1．3 几种工业以太网技术介绍及比较

1．4 论文研究内容与章节安排

2 系统整体结构设计与工作原理简介

2．1 引言

2．2 系统整体结构

2．3 系统工作原理简介

3 EtherCAT通信原理

3．1 引言

3．2 EtherCAT网络整体架构

3．3 EtherCAT物理层

3．4 EtherCAT数据链路层

3．4．1 EtherCAT以太网帧结构

3．4．2 通信模式

3．5 EtherCAT应用层

3．5．1 EtherCAT状态机和通信初始化

3．5．2 EtherCAT应用层协议

4 系统主站设计

4．1 引言

4．2 系统主站的功能需求分析与整体程序流程

4．3 系统主站程序的关键技术实现

4．3．1 多线程技术

4．3．2 多媒体定时器技术

4．3．3 多线程下多媒体定时器在系统主站程序中的应用

4．4 系统主站软件各功能模块的程序设计

4．4．1 主站网络驱动

4．4．2 EtherCAT网络XML配置文件与MSXML4．0解析器

4．4．3 人机交互界面设计

4．4．4 设备启动与状态转换

4．4．5 EtherCAT报文周期发送与数据帧解析

4．4．6 数据存储模块

4．4．7 数据显示模块

4．4．8 传感器标定

5 系统从站设计

5．1 引言

5．2 系统从站功能分析与从站整体结构

5．3 从站EtherCAT网络通信模块设计

5．3．1 ESC芯片ET1100介绍

5．3．2 物理层电路设计

5．3．3 ESC时钟电路设计

5．3．4 ESC锁相环PLL供电电路设计

5．3．5 ESC扩展内存EEPROM接口电路设计

5．4 从站模拟电压信号处理模块设计

5．4．1 模拟电压偏置放大电路设计

5．4．2 低通滤波电路设计

5．4．3 A／D转换电路设计

5．5 从站微处理器控制模块设计

5．5．1 单片机接口电路设计

5．5．2 单片机驱动程序设计

5．6 从站电源管理模块设计

5．6．1 从站系统整体电源结构

5．6．2 +5V电源电路设计

5．6．3 +3．3V电源电路设计

5．6．4 -5V电源电路设计

5．7 从站电路PCB设计

6 系统性能测试与分析

6．1 引言

6．2 波高数据采集系统平台搭建

6．3 系统性能测试与分析

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢