基于Linux嵌入式平台的EtherCAT主站系统研究与设计

摘要

本研究提出了一套完整的基于Linux嵌入式平台的EtherCAT主站系统设计方案，旨在打通整个EtherCAT协议技术环节。从主站和从站的硬件层面到软件层面再到上位机软件，开发出整套拥有自主知识产权的EtherCAT主站系统。设计EtherCAT从站模块，选用从站控制芯片ET1100设计通信板，STM32单片机设计控制板，将通信板和控制板通过SPI总线接口组合，组成两套从站模块，分别实现数字输入信号检测和模拟输入信号检测的功能。设计EtherCAT主站模块，选用基于AM3358处理器的BeagleBone Black作为Linux嵌入式开发平台，并且在该平台上运行集成Xenomai实时补丁的Linux操作系统，接着在操作系统上构建IgH EtherCAT Master for Linux开源框架和配置开发环境，最后基于这套开源框架进行应用程序的设计，完成整套主站模块设计。设计EtherCAT主站程序的两种交互模式，一种是基于命令行操作的控制台模式，还有一种是基于Qt开发的图形用户界面模式。用户可以通过任意模式，实现过程数据通信和服务数据通信的数据读写，并且执行一些其他的必要功能操作。结果表明，从站模块的基本功能实现，可以有效检测输入的数字信号和模拟信号。主站模块的基本功能实现，可以与从站模块建立起有效的过程数据通信和服务数据通信，性能上同步误差在ns级，报文的传输时间在us级，通讯抖动在us级别，可以满足工业控制系统对实时性的要求。控制台模式和图形用户界面模式交互有效。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 本章概要

1．2 EtherCAT现场总线概述

1．2．1 EtherCAT现场总线简介

1．2．2 EtherCAT现场总线发展

1．2．3 EtherCAT现场总线国内外研究现状

1．3 EtherCAT主站系统概述

1．3．1 EtherCAT主站系统简介

1．3．2 EtherCAT主站系统发展

1．3．3 EtherCAT主站系统国内外研究现状

1．4 研究意义目的及内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究目的

1．4．3 研究内容

第2章 EtherCAT主站系统设计方案及原理

2．1 本章概要

2．2 EtherCAT现场总线基本原理

2．2．1 EtherCAT总线结构

2．2．2 EtherCAT数据帧结构

2．2．3 现场总线内存管理单元

2．2．4 分布时钟

2．2．5 状态机

2．2．6 通信模式

2．2．7 应用层协议

2．3 系统设计方案

2．3．1 EtherCAT从站模块设计方案

2．3．2 EtherCAT主站模块设计方案

2．3．3 EtherCAT主站程序的交互设计方案

2．3．4 EtherCAT主站系统整体设计方案

第3章 EtherCAT从站模块设计

3．1 本章概要

3．2 从站通信板设计

3．2．1 芯片说明

3．2．2 电路设计

3．3 数字输入从站控制板设计

3．3．1 STM32最小系统电路

3．3．2 从站通信板接口电路

3．3．3 应用层电路

3．4 模拟输入从站控制板设计

3．4．1 STM32最小系统电路

3．4．2 从站通信板接口电路

3．4．3 应用层电路

3．5 产品模块化组装

第4章 IgH EtherCAT主站协议栈研究

4．1 本章概要

4．2 框架结构

4．2．1 主站模块

4．2．2 主站相位

4．2．3 过程数据

4．3 应用层接口

4．3．1 配置阶段

4．3．2 周期运行阶段

4．4 用户空间接口

4．4．1 字符设备

4．4．2 用户空间开发库

4．4．3 命令行工具

第5章 EtherCAT主站模块设计

5．1 本章概要

5．2 硬件平台

5．2．1 Linux嵌入式平台

5．2．2 交互设备

5．3 实时操作系统

5．3．1 实时操作系统的概念

5．3．2 Xenomai简介

5．3．3 实时操作系统Linux+Xenomai的构建方法

5．4 主站协议栈

5．4．1 获取软件

5．4．2 编译软件

5．4．3 安装软件

5．4．4 配置MAC地址

5．5 应用程序设计

5．5．1 程序设计思路

5．5．2 程序优化思路

第6章 EtherCAT主站程序的交互设计

6．1 本章概要

6．2 控制台模式

6．2．1 主站生成xml文档

6．2．2 解析xml文档

6．2．3 智能化配置

6．2．4 双进程内存共享

6．3 GUI模式

6．3．1 Qt简介

6．3．2 EtherCAT主站程序的GUI设计

第7章 EtherCAT主站系统的测试

7．1 本章概要

7．2 控制台模式测试

7．2．1 测试环境

7．2．2 测试流程

7．2．3 数字输入测试

7．2．4 数字输出测试

7．2．5 模拟输入测试

7．2．6 模拟输出测试

7．3 GUI模式测试

7．3．1 测试环境

7．3．2 过程数据通信测试

7．3．3 服务数据通信测试

7．4 主站性能测试

7．4．1 测试环境

7．4．2 循环周期测试

7．4．3 传输延时测试

7．4．4 报文分析和通信时间测试

第8章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果